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基于FPGA/CPLD设计中使用的状态机稳定性问题解决的方案

2017年11月24日 20:59 次阅读

在FPGA/CPLD设计中频繁使用的状态机,常出现一些稳定性问题,本文提出了一些解决方法,实验表明该方法有效地提高了综合效率.
随着大规模和超大规模FPGA/CPLD器件的诞生和发展,以HDL(硬件描述语言)为工具、FPGA/CPLD器件为载体的EDA技术的应用越来越广泛.从小型电子系统到大规模SOC(Systemonachip)设计,已经无处不在.在FPGA/CPLD设计中,状态机是最典型、应用最广泛的时序电路模块,如何设计一个稳定可靠的状态机是开心时时彩开奖必须面对的问题.

1、状态机的特点和常见问题

标准状态机分为摩尔(Moore)状态机和米立(Mealy)状态机两类.Moore状态机的输出仅与当前状态值有关,且只在时钟边沿到来时才会有状态变化.Mealy状态机的输出不仅与当前状态值有关,而且与当前输入值有关,这一特点使其控制和输出更加灵活,但同时也增加了设计复杂程度.其原理如图1所示.

 

原理图

 

根据图1所示,很容易理解状态机的结构.但是为什么要使用状态机而不使用一般时序电路呢?这是因为它具有一些一般时序电路无法比拟的优点.

用VHDL描述的状态机结构分明,易读,易懂,易排错;

相对其它时序电路而言,状态机更加稳定,运行模式类似于CPU,易于实现顺序控制等.
用VHDL语言描述状态机属于一种高层次建模,结果经常出现一些出乎设计者意外的情况:

1.在两个状态转换时,出现过渡状态.
2.在运行过程中,进入非法状态.
3.在一种器件上综合出理想结果,移植到另一器件上时,不能得到与之相符的结果.
4.状态机能够稳定工作,但占用逻辑资源过多.

在针对FPGA器件综合时,这种情况出现的可能性更大.开心时时彩开奖必须慎重设计状态机,分析状态机内在结构,在Moore状态机中输出信号是当前状态值的译码,当状态寄存器的状态值稳定时,输出也随之稳定了.经综合器综合后一般生成以触发器为核心的状态寄存电路,其稳定性由此决定.如果CLOCK信号的上升沿到达各触发器的时间严格一致的话,状态值也会严格按照设计要求在规定的状态值之间转换.然而这只是一种理想情况,实际CPLD/FPGA器件一般无法满足这种苛刻的时序要求,特别是在布线后这些触发器相距较远时,CLOCK到达各触发器的延时往往有一些差异.这种差异将直接导致状态机在状态转换时产生过渡状态,当这种延时进一步加大时,将有可能导致状态机进入非法状态.这就是Moore状态机的失效机理.对于Mealy状态机而言,由于其任何时刻的输出与输入有关,这种情况就更常见了.

2 状态机设计方案比较

2.1 采用枚举数据类型定义状态值

在设计中定义状态机的状态值为枚举数据类型,综合器一般把它表示为二进制数的序列,综合后生成以触发器为核心的状态寄存电路,寄存器用量会减少,其综合效率和电路速度将会在一定程度上得到提高.

例1 定义状态值为枚举类型的状态机VHDL程序.

library ieee;
use ieee.std_logic_1164 all;
enty example is
port(clk:in std_logic;
mach_input:in std_logic;
mach_outputs:out std_logic_vector(0 to 1));
end example;
architecture behave of example is
type states is(st0,st1,st2,st3); --定义states为枚举类型
signal current_state,next_state:states;
begin

state_change:process(clk) --状态改变进程
begin
wait unl clk'event and clk='1';
current_state<=next_state;
end process state_change;
combinaon:process(current_state,mach_input)
…… --输出状态值译码,给"next_state"赋新值.省略
end behave;

 

枚举类型的状态机综合后的波形

 

图2 枚举类型的状态机综合后的波形

例1是一个四状态全编码状态机,综合后的仿真波形如图2所示.从放大后的局部可以看出输出状态值从“01”到“10”转换过程中出现了过渡状态“11”.从微观上分析中间信号“Current_state”状态转换过程,状态寄存器的高位翻转和低位翻转时间是不一致的,当高位翻转速度快时,会产生过渡状态“11”,当低位翻转速度快时会产生过渡状态“00”.若状态机的状态值更多的话,则产生过渡状态的概率更大.如果在非全编码状态机中,由于这种过渡状态的反馈作用,将直接导致电路进入非法状态,若此时电路不具备自启动功能,那么电路将无法返回正常工作状态.

因为状态机的输出信号常用作重要的控制,如:三态使能,寄存器清零等.所以这种结果是不允许的,如何消除此类过渡状态呢?方法之一是采用格雷码表示状态值.

2.2 用格雷码表示状态值

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发表于 2018-02-27 11:01 4883次阅读
针对Linux BSP开发的Petalinux,...

基于FPGA的改进型FIR滤波器的实现

FIR数字滤波器在数字信号处理的过程中有很好的线性相位和稳定性,被广泛应用于音频处理、语音处理、信息...

发表于 2018-02-26 18:44 228次阅读
基于FPGA的改进型FIR滤波器的实现

如何经济的设计一个新的芯片

开心时时彩开奖最近与Bunny Huang进行了有趣的交流,他是硬件大师以及Chumby,NetTV和Nove...

发表于 2018-02-24 10:53 931次阅读
如何经济的设计一个新的芯片

SoC FPGA的DSP能力应对新兴的小型基站需...

虽然推动业界向小型基站转变的因素众多,但可能最重要的是,消费者想要随时随地都能快速有效地连接到服务提...

发表于 2018-02-20 09:21 1300次阅读
SoC FPGA的DSP能力应对新兴的小型基站需...

基于QPSK数字调制解调的FPGA实现

随着FPGA技术的发展,数字通信技术与FPGA的结合体现了现代数字通信系统发展的一个趋势。为了使高速...

发表于 2018-02-20 07:50 1308次阅读
基于QPSK数字调制解调的FPGA实现

FPGA基础知识及其工作原理与基本的功能块案例

高端设计工具为少有甚是没有硬件设计技术的工程师和科学家提供现场可编程门阵列(FPGA)。无论你使用图...

发表于 2018-02-17 19:38 1794次阅读
FPGA基础知识及其工作原理与基本的功能块案例

基于FPGA的多通道频率测量系统设计方案介绍

FPGA及其外围电路是整个测量系统的核心。外围电路包括以下几个部分:1)电源转换电路,将5V电源转换...

发表于 2018-02-17 03:02 110次阅读
基于FPGA的多通道频率测量系统设计方案介绍

Stratix IV内嵌DPA电路的基本结构分析

不论从哪个角度看,今天的现场可编程门阵列(FPGA),都显得鹤立鸡群,真是非常棒的器件。如果在这个智...

发表于 2018-02-16 17:38 2836次阅读
Stratix IV内嵌DPA电路的基本结构分析

低成本FPGA中实现动态相位调整方案

在FPGA中,动态相位调整(DPA)主要是实现LVDS接口接收时对时钟和数据通道的相位补偿,以达到正...

发表于 2018-02-16 17:32 1495次阅读
低成本FPGA中实现动态相位调整方案

基于FPGA的指纹识别模块设计方案

本模块采用xilinx公司的 Spartan 3E 系列XC3S500E型FPGA作为核心控制芯片,...

发表于 2018-02-14 08:56 220次阅读
基于FPGA的指纹识别模块设计方案

FPGA和多DSP的高速视觉测量系统

随着检测节点的增多,视觉测量系统需要处理的数据量也不断增大,对视觉测量系统的测量速度提出了更高的要求...

发表于 2018-02-10 13:21 311次阅读
FPGA和多DSP的高速视觉测量系统

基于FPGA的实时视频图像采集处理系统

设计了一种基于FPGA的实时视频图像采集处理电路系统。采用FPGA作为整个系统的控制和图像数据处理中...

发表于 2018-02-10 02:43 640次阅读
基于FPGA的实时视频图像采集处理系统

可编程硬件发展路线分析:eFPGA还是FPGA ...

eFPGA IP和FPGA SoC,谁将在未来更受欢迎呢?笔者认为,这两种生态都表明了SoC在摩尔定...

发表于 2018-02-10 01:30 541次阅读
可编程硬件发展路线分析:eFPGA还是FPGA ...

使用ECP5 FPGA解决网络边缘 智能、视觉和...

随着传感器、低成本摄像头和显示屏在当今嵌入式设计中的使用量飞速增长,市场上出现了许多激动人心的全新智...

发表于 2018-02-09 10:55 2359次阅读
使用ECP5 FPGA解决网络边缘 智能、视觉和...

基于FPGA/DSP技术的飞机总线系统通讯软件设...

目前,随着工艺和技术的进步,集成电路技术的发展已经使得在一个芯片上集成一个可编程系统(Program...

发表于 2018-02-08 15:02 254次阅读
基于FPGA/DSP技术的飞机总线系统通讯软件设...