作者Email:  zlyadvocate@163.com

    數(shù)字系統(tǒng)通常劃分為信息處理單元和控制單元。信息單元主要進行信息的傳輸和運算, 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。控制單元的實現(xiàn)方式有: 有限狀態(tài)機、控制寄存器和微代碼控制器等。有限狀態(tài)機在時間尺度上對其控制信號進行離散化控制, 利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移使控制信號在有限狀態(tài)機的狀態(tài)節(jié)拍控制下變化, 以實現(xiàn)對被控對象的控制。有限狀態(tài)機設(shè)計的關(guān)鍵是如何把一個實際的時序邏輯關(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, 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行描述來建立有限狀態(tài)機。EDA 工具的快速發(fā)展，使通過CAD快速設(shè)計有限狀態(tài)機自動化成為可能。

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, 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)機的各個狀態(tài)及輸入.輸出條件;
(3) 應用VHDL 語言完成描述。

使用XILINX的ISE6.1軟件包能加速有限狀態(tài)機設(shè)計，大大簡化狀態(tài)機的設(shè)計過程，實現(xiàn)狀態(tài)機設(shè)計的自動化。下面分析二個簡單的狀態(tài)機設(shè)計實例來介紹使用ISE6.1軟件包中STATECAD來介紹快速設(shè)計有限狀態(tài)機的方法。使用STATECAD進行狀態(tài)機設(shè)計的流程如下：

(1) 分析控制器設(shè)計指標, 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)機狀態(tài)圖，自動產(chǎn)生VHDL模型描述，使用STATEBENCH進行狀態(tài)轉(zhuǎn)移分析,分析無誤后使用導出VHDL模型塊到ISE中進行仿真后綜合，實現(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行分析，改進，完善系統(tǒng)控制邏輯。

下面以一個VCR控制機狀態(tài)機設(shè)計過程來介紹如何使用STATECAD設(shè)計狀態(tài)機。
VCR控制機描述：

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：

進行邏輯優(yōu)化（工具自動進行邏輯優(yōu)化）后，使用STATEBENCH進行狀態(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)機安裝指定的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖工作。
導出VHDL模型塊到ISE中進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 Pterms Used 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%)

進行引腳鎖定后就可以進行編程。
代碼如下：
--  D:XILINXTUTORIALVCRSTATE.vhd
--  VHDL code created by Xilinx's StateCAD 6.1i

LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.all;

ENTITY VCRSTATE IS
 PORT (CLK,PLAYSWITCH,POWERSWITCH,RECORDSWITCH,RESET,STOPSWITCH: IN std_logic ;
  PLAYLED,POWERLED,RECORDLED : OUT std_logic);
END;

ARCHITECTURE BEHAVIOR OF VCRSTATE IS
 TYPE type_sreg IS (OFF,PLAY,POWERON,RECORDING);
 SIGNAL sreg, next_sreg : type_sreg;
 SIGNAL next_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';
  ELSIF CLK='1' AND CLK'event THEN
   sreg <= next_sreg;             PLAYLED <= next_PLAYLED;
   POWERLED <= next_POWERLED;  RECORDLED <= next_RECORDLED;
  END IF;
 END PROCESS;

 PROCESS (sreg,PLAYSWITCH,POWERSWITCH,RECORDSWITCH,STOPSWITCH)
 BEGIN
  next_PLAYLED <= '0'; next_POWERLED <= '0'; next_RECORDLED <= '0';
  next_sreg<=OFF;
  CASE sreg IS
   WHEN OFF =>
    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';
    END IF;
   WHEN PLAY =>
    IF ( POWERSWITCH='1' AND STOPSWITCH='0' ) THEN
     next_sreg<=PLAY;    next_POWERLED<='1';
     next_PLAYLED<='1'; next_RECORDLED<='0';
    END IF;
    IF ( POWERSWITCH='0' ) THEN
     next_sreg<=OFF;  next_POWERLED<='0';
     next_PLAYLED<='0'; next_RECORDLED<='0';
    END IF;
    IF ( STOPSWITCH='1' AND POWERSWITCH='1' ) THEN
     next_sreg<=POWERON; next_POWERLED<='1';
     next_PLAYLED<='0'; next_RECORDLED<='0';
    END IF;
   WHEN POWERON =>
    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';
    END IF;
   WHEN RECORDING =>
    IF ( POWERSWITCH='1' AND STOPSWITCH='0' ) THEN
     next_sreg<=RECORDING; next_POWERLED<='1';
     next_PLAYLED<='0';  next_RECORDLED<='1';
    END IF;
    IF ( POWERSWITCH='0' ) THEN
     next_sreg<=OFF;   next_POWERLED<='0';
     next_PLAYLED<='0';  next_RECORDLED<='0';
    END IF;
    IF ( STOPSWITCH='1' AND POWERSWITCH='1' ) THEN
     next_sreg<=POWERON;  next_POWERLED<='1';
     next_PLAYLED<='0';  next_RECORDLED<='0';
    END IF;
   WHEN OTHERS =>
  END CASE;
 END PROCESS;
END BEHAVIOR;

整個狀態(tài)機實現(xiàn)過程比相當簡單?？旖?。有效。