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用STATECAD快速設(shè)計有限狀態(tài)機(jī)
數(shù)字系統(tǒng)通常劃分為信息處理單元和控制單元。信息單元主要進(jìn)行信息的傳輸和運(yùn)算,而控制單元的主要任務(wù)是控制信息處理單元的微操作的順序。控制單元的實(shí)現(xiàn)方式有:有限狀態(tài)機(jī)、控制寄存器和微代碼控制器等。有限狀態(tài)機(jī)在時間尺度上對其控制信號進(jìn)行離散化控制,利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移使控制信號在有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)節(jié)拍控制下變化,以實(shí)現(xiàn)對被控對象的控制。有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計的關(guān)鍵是如何把一個實(shí)際的時序邏輯關(guān)系抽象成一個時序邏輯函數(shù),傳統(tǒng)的電路圖輸入法通過直接設(shè)計寄存器組來實(shí)現(xiàn)各個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換,而用硬件描述語言來描述有限狀態(tài)機(jī),往往是通過充分發(fā)揮硬件描述語言的抽象建模能力，通過對系統(tǒng)在系統(tǒng)級或寄存器傳輸級進(jìn)行描述來建立有限狀態(tài)機(jī)。EDA工具的快速發(fā)展，使通過CAD快速設(shè)計有限狀態(tài)機(jī)自動化成為可能。傳統(tǒng)上在系統(tǒng)級和寄存器傳輸級完成VHDL的描述主要分以下幾步:
(1)分析控制器設(shè)計指標(biāo),建立系統(tǒng)算法模型圖;
(2)分析被控對象的時序狀態(tài),確定控制器有限狀態(tài)機(jī)的各個狀態(tài)及輸入.輸出條件;
(3)應(yīng)用VHDL語言完成描述。
使用XILINX的ISE6.1軟件包能加速有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計，大大簡化狀態(tài)機(jī)的設(shè)計過程，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)設(shè)計的自動化。下面分析二個簡單的狀態(tài)機(jī)設(shè)計實(shí)例來介紹使用ISE6.1軟件包中STATECAD來介紹快速設(shè)計有限狀態(tài)機(jī)的方法。使用STATECAD進(jìn)行狀態(tài)機(jī)設(shè)計的流程如下：
(1)分析控制器設(shè)計指標(biāo),建立系統(tǒng)算法模型圖;
(2)分析被控對象的時序狀態(tài),確定控制器有限狀態(tài)機(jī)的各個狀態(tài)及輸入.輸出條件;
(3)在STATECAD中輸入有限狀態(tài)機(jī)狀態(tài)圖，自動產(chǎn)生VHDL模型描述，使用STATEBENCH進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移分析,分析無誤后使用導(dǎo)出VHDL模型塊到ISE中進(jìn)行仿真后綜合，實(shí)現(xiàn)到CPLD或FPGA的映射。
設(shè)計人員的主要工作在第一步。第二步，第三步基本上可以通過STATECAD完成有限狀態(tài)機(jī)的自動生成和分析，還可以利用分析結(jié)果來對被控對象的邏輯進(jìn)行分析，改進(jìn)，完善系統(tǒng)控制邏輯。
下面以一個VCR控制機(jī)狀態(tài)機(jī)設(shè)計過程來介紹如何使用STATECAD設(shè)計狀態(tài)機(jī)。
VCR控制機(jī)描述：
外部輸入：
1．POWERSWITCH---------電源開關(guān)
2．STOP----------------停按鈕
3．PLAY――――――――播放按鈕
4．RECORD―――――――錄影按鈕
輸出狀態(tài)：
1．有電顯示：電源指示燈亮，播放指示燈滅，錄影指示燈滅；
2．按播放按鈕，進(jìn)入播放狀態(tài)，播放指示燈亮，電源指示燈亮，錄影指示燈滅；按停按鈕，退出播放狀態(tài)回到有電狀態(tài)，播放指示燈滅，電源指示燈亮，錄影指示燈滅；
3．按錄影按鈕，進(jìn)入錄影狀態(tài)，錄影指示燈亮；按停按鈕，退出錄影狀態(tài)回到有電狀態(tài)；電源指示燈亮，播放指示燈滅，錄影指示燈滅；
4．電源開關(guān)斷開，電源指示燈滅，播放指示燈滅，錄影指示燈滅；
打開STATECAD，輸入如下的狀態(tài)圖：
進(jìn)行邏輯優(yōu)化（工具自動進(jìn)行邏輯優(yōu)化）后，使用STATEBENCH進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移分析。以下是自動狀態(tài)轉(zhuǎn)移模擬波形。
也可以進(jìn)行行為狀態(tài)模擬：如以下動作的模擬波形，按電源開關(guān)上電，按播放按鈕，按播放按鈕，按停按鈕，按錄影按鈕，按停按鈕，電源開關(guān)斷電。
綜合以上的模擬波形結(jié)果，可以看到狀態(tài)機(jī)安裝指定的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖工作。
導(dǎo)出VHDL模型塊到ISE中進(jìn)行仿真后綜合后可以適配到XC9536-5-PC44芯片，適配結(jié)果如下：
宏模塊使用PtermsUsed寄存器使用情況引腳使用情況IOB使用情況
9/36(25%)37/180(21%)9/36(25%)13/34(39%)11/72(16%)
進(jìn)行引腳鎖定后就可以進(jìn)行編程。
代碼如下：
--D:\XILINXTUTORIAL\VCRSTATE.vhd
--VHDLcodecreatedbyXilinx'sStateCAD6.1i
LIBRARYieee;
USEieee.std_logic_1164.all;
ENTITYVCRSTATEIS
PORT(CLK,PLAYSWITCH,POWERSWITCH,RECORDSWITCH,RESET,STOPSWITCH:INstd_logic;
PLAYLED,POWERLED,RECORDLED:OUTstd_logic);
END;
ARCHITECTUREBEHAVIOROFVCRSTATEIS
TYPEtype_sregIS(OFF,PLAY,POWERON,RECORDING);
SIGNALsreg,next_sreg:type_sreg;
SIGNALnext_PLAYLED,next_POWERLED,next_RECORDLED:std_logic;
BEGIN
PROCESS(CLK,RESET,next_sreg,next_PLAYLED,next_POWERLED,next_RECORDLED)
>BEGIN
IF(RESET='1')THEN
sreg<=OFF;PLAYLED<='0';
POWERLED<='0';RECORDLED<='0';
ELSIFCLK='1'ANDCLK'eventTHEN
sreg<=next_sreg;PLAYLED<=next_PLAYLED;
POWERLED<=next_POWERLED;RECORDLED<=next_RECORDLED;
ENDIF;
ENDPROCESS;
PROCESS(sreg,PLAYSWITCH,POWERSWITCH,RECORDSWITCH,STOPSWITCH)
BEGIN
next_PLAYLED<='0';next_POWERLED<='0';next_RECORDLED<='0';
next_sreg<=OFF;
CASEsregIS
WHENOFF=>
IF(POWERSWITCH='1')THEN
next_sreg<=POWERON;next_POWERLED<='1';
next_PLAYLED<='0';next_RECORDLED<='0';
ELSE
next_sreg<=OFF;next_POWERLED<='0';
next_PLAYLED<='0';next_RECORDLED<='0';
ENDIF;
WHENPLAY=>
IF(POWERSWITCH='1'ANDSTOPSWITCH='0')THEN
next_sreg<=PLAY;next_POWERLED<='1';
next_PLAYLED<='1';next_RECORDLED<='0';
ENDIF;
IF(POWERSWITCH='0')THEN
next_sreg<=OFF;next_POWERLED<='0';
next_PLAYLED<='0';next_RECORDLED<='0';
ENDIF;
IF(STOPSWITCH='1'ANDPOWERSWITCH='1')THEN
next_sreg<=POWERON;next_POWERLED<='1';
next_PLAYLED<='0';next_RECORDLED<='0';
ENDIF;
WHENPOWERON=>
IF(POWERSWITCH='0')THEN
next_sreg<=OFF;next_POWERLED<='0';
next_PLAYLED<='0';next_RECORDLED<='0';
ELSIF(RECORDSWITCH='1')THEN
next_sreg<=RECORDING;next_POWERLED<='1';
next_PLAYLED<='0';next_RECORDLED<='1';
ELSIF(PLAYSWITCH='1')THEN
next_sreg<=PLAY;next_POWERLED<='1';
next_PLAYLED<='1';next_RECORDLED<='0';
ELSE
next_sreg<=POWERON;next_POWERLED<='1';
next_PLAYLED<='0';next_RECORDLED<='0';
ENDIF;
WHENRECORDING=>
IF(POWERSWITCH='1'ANDSTOPSWITCH='0')THEN
next_sreg<=RECORDING;next_POWERLED<='1';
next_PLAYLED<='0';next_RECORDLED<='1';
ENDIF;
IF(POWERSWITCH='0')THEN
next_sreg<=OFF;next_POWERLED<='0';
next_PLAYLED<='0';next_RECORDLED<='0';
ENDIF;
IF(STOPSWITCH='1'ANDPOWERSWITCH='1')THEN
next_sreg<=POWERON;next_POWERLED<='1';
next_PLAYLED<='0';next_RECORDLED<='0';
ENDIF;
WHENOTHERS=>
ENDCASE;
ENDPROCESS;
ENDBEHAVIOR;
整個狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)過程比相當(dāng)簡單。快捷。有效。
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