如何在FPGA中實現狀態機

●順序：少于5種狀態。

●獨熱：5-50種狀態。

●格雷：多于50種狀態。

一般情況下您不必去考慮使用哪一種狀態編碼方法，而是讓綜合引擎工具確定合適的實現方案，只在選擇的方法出現問題時進行考慮。但是，如果您要全盤自行掌控，并定義狀態編碼方法，也沒必要手動操作，只需使用狀態編碼為每一種狀態設定常數即可。相反地，可以使用代碼中的一個屬性來驅動綜合工具，從而選擇特定的編碼方法。具體如下所示：

TYPE state IS (idle, led_on, led_off) ;

SIGNAL current_state : state := idle;

ATTRIBUTE syn_encoding STRING;

ATTRIBUTE syn_encoding OF current_state :

SIGNAL IS “sequential”;

其中“sequential”也可以是“gray”和“onehot”.您還可以通過結合使用“safe”屬性來確保在狀態機進入非法狀態時能夠恢復到有效狀態。

另外，您也可以使用syn_encoding屬性直接定義狀態編碼的值。例如，假設您想要使用下列狀態編碼法來對三態狀態機進行編碼：Idle = “11,”led_on = “10,” led_off = “01(與較傳統的順序”00“、”01“和”10“不同)：

TYPE state IS (idle, led_on, led_off) ;

SIGNAL current_state : state := idle;

ATTRIBUTE syn_encoding STRING;

ATTRIBUTE syn_encoding OF current_state :

SIGNAL IS ”sequential“;

工程師負責在綜合工具中使用正確的設置，以確保該工具不會忽略任何屬性。例如，賽靈思XST工具要求將FSM選項設置為USER,而Synopsys的Synplify則要求關閉FSM編譯器。

前面給出的等式可確定狀態機實現方案所需的觸發器數量。由于不是所有的狀態機都是2的冪次方，因此某些狀態在設計中將不會用到。實現狀態機的工程師必須負責確保未使用的狀態在設計中得到妥善處理。可以采用幾種適用于多種設計的基本技巧來實現這一目標。對于高度可靠的安全關鍵型設計，則需要采用其它更高級的技巧。

不過對于大多數應用來說，只需要確保狀態機能夠妥善地處理未使用的狀態并在進入非法狀態時能夠正確地恢復。要做到這一點有兩種主要的方法。第一種方法是使用綜合工具實現一個安全的狀態機。綜合工具通常會插入額外的邏輯，用于檢測非法狀態并將狀態機返回到有效狀態。第二種方法是加強對實現邏輯的控制，聲明所有2的冪次方狀態機的狀態，并使用另一屬性來確保即便是在沒有入口條件下，2的冪次方狀態機的狀態也不會被優化掉。這意味著除非出錯(單粒子翻轉等)，狀態機內部的任何條件都不會進入狀態。下面的代碼顯示了通過使用屬性以防止清除未使用的狀態。

TYPE state IS (idle, led_on, led_off) ;

SIGNAL current_state : state := idle;

ATTRIBUTE syn_keep BOOLEAN;

ATTRIBUTE syn_keep OF current_state :

SIGNAL IS TRUE”;

簡而言之，安全高效的狀態機設計對于任何使用FPGA的工程師而言都是一項重要技能。選擇Moore狀態機、Mealy狀態機還是混合機取決于整個系統的需求。無論選擇哪種類型的狀態機，充分掌握實現方案所需的工具和技巧，將確保您實現最佳解決方案。