消除狀態(tài)機毛刺策略探討

　　隨著EDA技術(shù)的高速發(fā)展, 以大規(guī)模和超大規(guī)模器件FPGA/CPLD為載體、以VHDL(硬件描述語言)為工具的電子系統(tǒng)設(shè)計越來越廣泛。有限狀態(tài)機(簡稱狀態(tài)機)作為數(shù)字系統(tǒng)控制單元的重要設(shè)計方案之一，無論與基于VHDL語言的其他設(shè)計方案相比，還是與可完成相似功能的CPU設(shè)計方案相比，在運行速度的高效、執(zhí)行時間的確定性和高可靠性方面都顯現(xiàn)出強大的優(yōu)勢。因此狀態(tài)機在數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計中的地位日益凸顯。

　　1 狀態(tài)機“毛刺”的產(chǎn)生

　　狀態(tài)機通常包含主控時序進程、主控組合進程和輔助進程三個部分。其中，主控組合進程的任務(wù)是根據(jù)外部輸入的控制信號和當(dāng)前狀態(tài)的狀態(tài)值確定下一狀態(tài)的取向，并確定對外輸出內(nèi)容和對內(nèi)部其他組合或時序進程輸出控制信號的內(nèi)容。一方面，由于有組合邏輯進程的存在，狀態(tài)機輸出信號會出現(xiàn)毛刺——競爭冒險現(xiàn)象；另一方面，如果狀態(tài)信號是多位值的，則在電路中對應(yīng)了多條信號線。由于存在傳輸延遲，各信號線上的值發(fā)生改變的時間則存在先后，從而使得狀態(tài)遷移時在初始狀態(tài)和目的狀態(tài)之間出現(xiàn)臨時狀態(tài)——毛刺。

　　例如，采用Moore型有限狀態(tài)機方案對ADC0809采樣過程實現(xiàn)控制，其主要程序如下：
　　begin
　　　lock <=lock1;
　　　　process(current_state,eoc)
　　　　begin   
　　　　　case  current_state IS
　　　　　　　when st0=>ale<=‘0’;start<=‘0’;oe<=‘0’;lock1<=‘0’;
　　　　　　　next_state <=st1;
　　　　　　　when st1=>ale<=‘1’;start<=‘0’;oe<=‘0’;lock1<=‘0’;
　　　　　　　next_state <=st2;
　　　　　　　when st2=>ale<=‘0’;start<=‘1’;oe<=‘0’;lock1<=‘0’;
　　　　　　　next_state <=st3;  
　　　　　　　when st3=>ale<=‘0’;start<=‘0’;oe<=‘0’;lock1<=‘0’;
　　　　　　　　if (eoc=‘1’) then next_state <=st3;
　　　　　　　　　　　else next_state <=st4;
　　　　　　　　end if;
　　　　　　　when st4=> ale <=‘0’;start <=‘0’;OE<=‘0’;lock1<=‘0’;
　　　　　　　　if (eoc =‘0’) then next_state <=st4;
　　　　　　　　　　　else next_state <=st5;   
　　　　　　　　end if;
　　　　　　　when st5=> ale <=‘0’; start <=‘0’;oe<=‘1’;lock1<=‘0’;
　　　　　　　next_state <=st6;  
　　　　　　　when st6=> ale <=‘0’; start <=‘0’; oe <=‘1’;lock1<=‘1’;
　　　　　　　next_state <=st0;
　　　　　　　when others=> ale <=‘0’; start <=‘0’;oe <=‘0’;lock1<=‘0’;
　　　　　　　next_state <=st0;
　　　　　end  case;
　　　　end  process;
　　process  (clk)
　　begin
　　　　if (clk’event  and  clk =‘1”) then
　　　　　　current_state <=next_state;
　　　　end  if;
　　end  process; 
　　process(lock1)   
　　begin
　　　　if lock1=‘1’ and lock1’event  then
　　　　　　regl<=d;
　　　　end  if;
　　end  process;
　　q<=regl;
　　……
　　其時序仿真波形如圖1所示。
　　Moore型狀態(tài)機組成框圖如圖2所示。

 　　因為Moore型狀態(tài)機的輸出信號來自組合邏輯——輸出譯碼器，輸出信號中帶有“毛刺”，且引起了輸出信號Q的誤動作,結(jié)果從其仿真時序圖中可以發(fā)現(xiàn)。

　　2 毛刺的消除

　　在同步電路中，一般情況下“毛刺”不會產(chǎn)生重大影響。因為“毛刺”僅發(fā)生在時鐘有效邊沿之后的一小段時間內(nèi)，只要在下一個時鐘有效邊沿到來之前“毛刺” 消失即可。但當(dāng)狀態(tài)機的輸出信號作為其他功能模塊的控制信號，例如作為異步控制、三態(tài)使能控制或時鐘信號使用時，將會使受控模塊發(fā)生誤動作，造成系統(tǒng)工作混亂。因此，在這種情況下必須通過改變設(shè)計消除毛刺。

　　消除狀態(tài)機輸出信號的“毛刺”一般可采用三種方案：

　　（1）調(diào)整狀態(tài)編碼，使相鄰狀態(tài)間只有1位信號改變，從而消除競爭冒險的發(fā)生條件，避免了毛刺的產(chǎn)生。常采用的編碼方式為格雷碼。它適用于順序遷移的狀態(tài)機。

　　（2）在有限狀態(tài)機的基礎(chǔ)上采用時鐘同步信號，即把時鐘信號引入組合進程。狀態(tài)機每一個輸出信號都經(jīng)過附加的輸出寄存器,并由時鐘信號同步，因而保證了輸出信號沒有毛刺，如圖3所示。這種方法存在一些弊端：由于增加了輸出寄存器,硬件開銷增大，這對于一些寄存器資源較少的目標芯片是不利的；從狀態(tài)機的狀態(tài)位到達輸出需要經(jīng)過兩級組合邏輯,這就限制了系統(tǒng)時鐘的最高工作頻率；由于時鐘信號將輸出加載到附加的寄存器上,所以在輸出端得到信號值的時間要比狀態(tài)的變化延時一個時鐘周期。

　　（3）直接把狀態(tài)機的狀態(tài)碼作為輸出信號，即采用狀態(tài)碼直接輸出型狀態(tài)機，使狀態(tài)和輸出信號一致,使得輸出譯碼電路被優(yōu)化掉了，因此不會出現(xiàn)競爭冒險。這種方案，占用芯片資源少，信號與狀態(tài)變化同步，因此速度快，是一種較優(yōu)方案。但在設(shè)計過程中對狀態(tài)編碼時可能增加狀態(tài)向量，出現(xiàn)多余狀態(tài)。雖然可用CASE語句中WHENOTHERS來安排多余狀態(tài)，但有時難以有效控制多余狀態(tài),運行時可能會出現(xiàn)難以預(yù)料的情況。因此它適用于狀態(tài)機輸出信號較少的場合。

　　若對ADC0809的采樣控制采用狀態(tài)碼直接輸出型狀態(tài)機方案，其主要程序如下：
begin
　　lock<=lock1;
　　process(current_state,eoc)
　　begin   
　　　　case  current_state IS
　　　　　　when  st0  =>  next_state <=st1;
　　　　　　when  st1  =>  next_state <=st2;
　　　　　　when  st2  =>  next_state <=st3;  
　　　　　　when st3 =>  if (eoc =‘1’)then  next_state <=st3; else  next_state <=st4;end  if;
　　　　　　when  st4  =>  if (eoc =’0’)then  next_state<=st4;else  next_state <=st5; end  if;
　　　　　　when  st5  =>  next_state <=st6;  
　　　　　　when  st6  =>  next_state <=st0;
　　　　　　when  others=>  next_state <=st0;
　　　　end  case;
　　　　out4<=current_state(5 downto 2);
　　　　ale<=current_state(5); start <=current_state(4);
　　　　oe<=current_state(3); lock1<=current_state(2);
　　end  process;
　　process(clk)
　　begin
　　　　if  (clk’event  and  clk =‘1’)  then
　　　　current_state <=next_state;
      　　end  if ;
　　end  process ;
　　process (lock1)
　　　　if lock1=‘1’ and lock1’event  then
　　　　　　regl<=d ;
　　　　end  if ;
　　end  process ;
　　q<=regl;
　　……