【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 IBRARY IEEE。 USE 。 ENTITY s_machine IS PORT (clk, reset: IN STD_LOGIC。 State_inputs: IN STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 1)。 b_outputs: OUT STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 1))。 END ENTITY s_machine。 ARCHITECTURE behv OF s_machine IS TYPE states IS (st0,st1,st2,st3)。 定義 states 為枚舉型數(shù)據(jù)類型 SIGNAL current_state, next_state : states。 BEGIN 16 REG: PROCESS (reset, clk) 時(shí)序邏輯進(jìn)程 BEGIN IF reset=39。139。 THEN 異步復(fù)位 Current_state=st0。 ELSIF clk=39。139。 AND clk39。EVENT THEN current_state=next_state。 當(dāng)檢測(cè)到時(shí)鐘上 升沿時(shí)轉(zhuǎn)換至下一狀態(tài) END IF。 END PROCESS。 由信號(hào) current_state 將當(dāng)前狀態(tài)值帶出此進(jìn)程，進(jìn)入進(jìn)程 COM COM: PROCESS(current_state, state_Inputs) 組合邏輯進(jìn)程 BEGIN CASE current_state IS 確定當(dāng)前狀態(tài)的狀態(tài)值 WHEN st0 =b_outputs = 00。 初始狀態(tài)譯碼輸出 00 IF state_inputs=00 THEN 根據(jù)外部的狀態(tài)控制輸入 00 next_state=st0。 在下一時(shí)鐘后，進(jìn)程 REG 的狀態(tài)將維持為 st0 ELSE next_state=st1。 否則，在下一時(shí)鐘后，進(jìn)程 REG 的狀態(tài)將為 st1 END IF。 WHEN st1= b_outputs=01。 對(duì)應(yīng)狀態(tài) st1 的譯碼輸出 01 IF state_inputs=00 THEN 根據(jù)外部的狀態(tài)控制輸人 00 next_state=st1。 在下一時(shí)鐘后，進(jìn)程 REG 的狀態(tài)將維持為 st1 ELSE 17 next_state=st2。 否則，在下一時(shí)鐘后，進(jìn)程 REG 的狀態(tài)將為 st2 END IF。 WHEN st2= b_outputs=10。 以下依次類推 IF state_inputs=11 THEN next_state=st2。 ELSE next_state=st3。 END IF。 WHEN st3=b_outputs=11。 IF state_inputs=11 THEN next_state=st3。 ELSE next_state=st0。 END IF。 END CASE。 END PROCESS。 END ARCHITECTURE behv。 圖 4 為上述狀態(tài)機(jī)的工作時(shí)序圖。 reset為異步復(fù)位信號(hào)，低電平有效，而 clk 為上升沿有效。如在第 3 個(gè)脈沖上升沿到來(lái)時(shí) current_state=“ st0”， state_inputs＝“ 01”，輸出b_outputs=“ 01”。第 4 個(gè)脈沖上升沿到來(lái)時(shí) current_state=“ st1”， state_inputs＝“ 00”，輸出 b_outputs=“ 01”。綜合后的 RTL 圖如圖 5 所示。 圖 狀態(tài)機(jī)的工作時(shí)序圖 18 圖 狀態(tài)機(jī)的 RTL 圖 一般來(lái)說(shuō)，程序的不同進(jìn)程間是并行運(yùn)行的，但由于敏感信號(hào)設(shè)置的不同和電路的延遲，在時(shí)序上進(jìn)程間的動(dòng)作是有先后的。如對(duì)上例中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換行為來(lái)說(shuō)，有進(jìn)程 REG 和 COM，它們的敏感信號(hào)表分別為（ reset,clk）和（ current_state,state_inputs），在 clk 上升沿到來(lái)時(shí)，進(jìn)程 REG將首先運(yùn)行，完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換的賦值操作。如果外部控制信號(hào) state_inputs 不變，只有當(dāng)來(lái)自進(jìn)程 REG的信號(hào) current_state改變時(shí)，進(jìn)程 COM才開(kāi)始動(dòng)作，并將根據(jù) current_state和 state_inputs的值來(lái)決定下一有效時(shí)鐘沿到來(lái)后，進(jìn)程 REG 的狀態(tài)轉(zhuǎn)換方向。這個(gè)狀態(tài)機(jī)的兩位組合邏輯輸出 b_outputs 是對(duì)當(dāng)前狀態(tài)的譯碼。我們可以通過(guò)這個(gè)輸出值來(lái)了解狀態(tài)機(jī)內(nèi)部的運(yùn)行情況，同時(shí)還可以利用外部控制信號(hào) state_inputs 任意改變狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)變化模式。 注意：在上例中，有兩個(gè)信號(hào) 起到了互反饋的作用，完成了兩個(gè)進(jìn)程間的信息傳遞的功能，這兩個(gè)信號(hào)分別是 current_state〔進(jìn)程 REG－ 進(jìn)程 COM)和 next_state(進(jìn)程 COM－ 進(jìn)程 REG)。 在 VHDL 中可以有兩種方式來(lái)創(chuàng)建反饋機(jī)制：即使用信號(hào)的方式和使用變量的方式。通常傾向于使用信號(hào)的方式（如例 3）。一般而言，在進(jìn)程中使用變量傳遞數(shù)據(jù)，然后使用信號(hào)將數(shù)據(jù)帶出進(jìn)程。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果希望輸出的信號(hào)具有寄存器鎖存功能，則需要為此輸出寫(xiě)第 3 個(gè)進(jìn)程，并把 clk 和 reset 信號(hào)放入敏感信號(hào)表中。但必須注意避免由于寄存器的引入而創(chuàng) 建了不必要的異步反饋路徑。根據(jù) VHDL 綜合器的規(guī)則，對(duì)于所有可能的輸入條件，如果進(jìn)程中的輸出信號(hào)沒(méi)有被明確的賦值時(shí)，此信號(hào)將自動(dòng)被指定，即在未列出的條件下保持原值，這就意味著引入了寄存器。因此，我們?cè)诔绦虻木C合過(guò)程中，應(yīng)密切注意VHDL 綜合器給出的警告信息，并根據(jù)警告信息對(duì)程序作必要的修改。 一般來(lái)說(shuō)，利用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)有如下幾個(gè)步驟： (1) 分析設(shè)計(jì)要求，列出狀態(tài)機(jī)的全部可能狀態(tài)，并對(duì)每一個(gè)狀態(tài)進(jìn)行編碼。 (2) 根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系和輸出函數(shù)畫(huà)出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。 (3) 由狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，用 VHDL 語(yǔ)句對(duì)狀態(tài)機(jī)描 述。 19 （ 2） 狀態(tài)機(jī)的編碼方案 在狀態(tài)機(jī)的編碼方案中，有兩種重要的編碼方法：二進(jìn)制編碼和一位熱碼 (One— Hot)編碼。 在二進(jìn)制編碼的狀態(tài)機(jī)中，狀態(tài)位 (B)與狀態(tài) (S)的數(shù)目之間的關(guān)系為 B=log2S，如兩位狀態(tài)位就有 00， 01， 10， 11 四個(gè)不同狀態(tài)，它們?cè)诓煌目刂菩盘?hào)下可以進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，但如果各觸發(fā)器又沒(méi)有準(zhǔn)確地同時(shí)改變其輸出值，那么在狀態(tài) 01變到 10時(shí)則會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)的11 或 00 狀態(tài)輸出，這類險(xiǎn)象可能使整個(gè)系統(tǒng)造成不可預(yù)測(cè)的結(jié)果。這時(shí)，采用格雷碼二進(jìn)制編碼是特別有益，在該編碼方案中，每次僅一個(gè)狀態(tài)位的值發(fā)生 變化。 一位熱碼編碼就是用 n個(gè)觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn) n個(gè)狀態(tài)的編碼方式，狀態(tài)機(jī)中的每一個(gè)狀態(tài)都由其中一個(gè)觸發(fā)器的狀態(tài)來(lái)表示。如 4 個(gè)狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)需 4個(gè)觸發(fā)器，同一時(shí)間僅一個(gè)狀態(tài)位處于邏輯 1 電平，四個(gè)狀態(tài)分別為： 000 00 0100、 1000。 在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)狀態(tài)機(jī)的復(fù)雜程度、所使用的器件系列和從非法狀態(tài)退出所需的條件來(lái)選擇最適合的編碼方案，使之能確保高效的性能和資源的利用。 對(duì)復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)，二進(jìn)制編碼需用的觸發(fā)器的數(shù)目比一位熱碼編碼的少。如 100 個(gè)狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)按二進(jìn)制編碼僅用 7 個(gè)觸發(fā)器就可以實(shí)現(xiàn)，而一位熱碼 編碼則要求 100 個(gè)觸發(fā)器。另一方面，雖然一位熱碼編碼要求用較多的觸發(fā)器，但邏輯上通常相對(duì)簡(jiǎn)單些。在二進(jìn)制編碼的狀態(tài)機(jī)中，控制從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)狀態(tài)的邏輯與所有 7 個(gè)狀態(tài)位以及狀態(tài)機(jī)的輸入均有關(guān)。這類邏輯通常要求到狀態(tài)位輸入的函數(shù)是多輸入變量的。然而，在一熱戀位編碼的狀態(tài)機(jī)中，到狀態(tài)位的輸入常常是其它狀態(tài)位的簡(jiǎn)單函數(shù)。 站在器件結(jié)構(gòu)的角度，不同結(jié)構(gòu)支持其確定的編碼類型。 MAX+plus II 編譯程序?qū)λ捎玫钠骷盗凶詣?dòng)地選擇最合適的編碼方法（除非在設(shè)計(jì)文件中規(guī)定了具體的編碼方案）。例如， FLEX 7000器件系列是寄存器增強(qiáng)型（ Registerintensive），以這類器件為對(duì)象的狀態(tài)機(jī)最好選用一位熱碼編碼方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于一位熱碼編碼的狀態(tài)機(jī)降低了送到每一個(gè)狀態(tài)位的邏輯電路的復(fù)雜程度，因而可提高用 FLEX 7000 器件實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)機(jī)的性能。 MAX 5000和 MAX 7000 器件系列最適合二進(jìn)制狀態(tài)機(jī)編碼方案。這兩類器件都能夠利用共享和并聯(lián)的擴(kuò)展乘積項(xiàng)有效地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯函數(shù)。因此，在這兩類器件小，可以容納復(fù)雜的組合邏輯函數(shù)而不會(huì)浪費(fèi)資源或損失性能。 四層電梯控制器 具體 設(shè)計(jì) 20 四層電梯控制器的功 能 電梯控制器是控制電梯按照顧客要求自動(dòng)上下的裝置。四層電梯控制器的功能如下： (1) 每層電梯入口處設(shè)有上下請(qǐng)求開(kāi)關(guān)，電梯內(nèi)設(shè)有顧客到達(dá)層次的停站請(qǐng)求開(kāi)關(guān)。 (2)設(shè)有電梯入口處位置指示裝置及電梯運(yùn)行模式 (上升或下降 )指示裝置。 (3)電梯每秒上升 (下降 )一層樓。 (4)電梯到達(dá)有停站請(qǐng)求的樓層，經(jīng)過(guò) 1秒電梯門(mén)打開(kāi)，開(kāi)門(mén)指示燈亮，開(kāi)門(mén) 4 秒后，電梯門(mén)關(guān)閉 (開(kāi)門(mén)指示燈滅 )，電梯繼續(xù)進(jìn)行，直至執(zhí)行完最后一個(gè)請(qǐng)求信號(hào)停留在當(dāng)前層。 (5)能記憶電梯內(nèi)外所有請(qǐng)求，并按照電梯運(yùn)行規(guī)則按順序響應(yīng)，每個(gè)請(qǐng)求信 號(hào)保留至執(zhí)行后消除。 (6)電梯運(yùn)行規(guī)則 —當(dāng)電梯處于上升模式時(shí)，只響應(yīng)比電梯所在位置的上樓請(qǐng)求信號(hào)，由下而上逐個(gè)執(zhí)行，直到最后一個(gè)上樓請(qǐng)求執(zhí)行完畢；如果高層有下樓請(qǐng)求，則直接升到由下樓請(qǐng)求的最高樓層，然后進(jìn)入下降模式。當(dāng)電梯處于下降模式則與上升模式相反。 (7)電梯初始狀態(tài)為一層開(kāi)門(mén)狀態(tài)。 四層電梯控制器的設(shè)計(jì)思路 采用狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn) 電梯控制器，思路比較清晰， 通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的 1 秒為周期的時(shí)鐘來(lái)觸發(fā)狀態(tài)機(jī)。根據(jù)電梯的實(shí)際工作情況，可以把狀態(tài)機(jī)設(shè)置 10 個(gè)狀態(tài)，分別是“電梯停留在1 層”、“開(kāi)門(mén)”、“關(guān)門(mén)”、“開(kāi)門(mén)等 待第 1秒”、“開(kāi)門(mén)等待第二秒”、“開(kāi)門(mén)等待第三秒”、“開(kāi)門(mén)等待第四秒”、“上升”、“下降”和“停止”狀態(tài)。各個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件可由上面的設(shè)計(jì)要求所決定 。 四層電梯控制器的綜合設(shè)計(jì) （ 1） 四層電梯控制器的實(shí)體實(shí)際 首先考慮輸入端口，一個(gè)異步復(fù)位端口 reset，用于在系統(tǒng)不正常時(shí)回到初始狀態(tài)；在電梯外部，必須有升降請(qǐng)求端口，一層最低，不需要下降請(qǐng)求，四層是最高層。不需要有上升請(qǐng)求，二層與三層則上升，下降請(qǐng)求端口都有；在電梯內(nèi)部，應(yīng)該設(shè)有各層停留的請(qǐng)求端口；一個(gè)電梯時(shí)鐘輸入端口，該輸入時(shí)鐘以 1秒為周期， 用于驅(qū)動(dòng)電梯的升降及開(kāi)門(mén)關(guān)門(mén)等動(dòng)作；另有一個(gè)是按鍵時(shí)鐘輸入端口，時(shí)鐘頻率比電梯時(shí)鐘高。 其次是輸出端口，有升降請(qǐng)求信號(hào)，就得有一個(gè)輸出端口來(lái)指示請(qǐng)求是否被響應(yīng)，有請(qǐng)求信號(hào)以后，該輸出端口輸出邏輯 ’1’，被響應(yīng)以后則恢復(fù)邏輯 ’0’；同樣，在電梯內(nèi)部也 21 應(yīng)該有這樣的輸出端口來(lái)顯示各層停留是否被響應(yīng)；在電梯外部，需要一個(gè)端口來(lái)指示電梯現(xiàn)在所處的位置；電梯開(kāi)門(mén)關(guān)門(mén)的狀態(tài)也能用一個(gè)輸出端口來(lái)指示；為了觀察電梯的運(yùn)行是否正確，可以設(shè)置一個(gè)輸出端口來(lái)指示電梯的升降狀態(tài)。 在端口的定義中定義 position 時(shí)選用的是整型數(shù)據(jù) 類型（ INTEGRER），主要是為了在電梯運(yùn)行是便于觀察。整型直接可以看出電梯運(yùn)行是樓層的變化，在第一層就顯示 1，第二層就顯示 2，很直觀。當(dāng)然， position 的定義也可以用標(biāo)準(zhǔn)邏輯矢量（ STD_LOGIC_VECTOR）來(lái)定義，但是如果選用標(biāo)準(zhǔn)邏輯矢量，在電梯運(yùn)行時(shí)就不是那么好觀察。這里是四層的電梯控制器，那么只需定義一個(gè)兩位的就足夠顯示了。 ”00”的時(shí)候?qū)?yīng)電梯的第一層， ”11”的時(shí)候就對(duì)應(yīng)第四層。但是 ”11”的十進(jìn)制值為 3，沒(méi)有和層次顯示的第四層想對(duì)應(yīng)起，所以就放棄選用標(biāo)準(zhǔn)邏輯矢量來(lái)定義 position，而選用的整型。 （ 2） 四層電梯控制器的結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì) 首先說(shuō)明一下?tīng)顟B(tài)。狀態(tài)機(jī)設(shè)置了 10 個(gè)狀態(tài)，分別是電梯停留在 1 層 (stopon1)、開(kāi)門(mén)(dooropen)、關(guān)門(mén) (doorclose)、開(kāi)門(mén)等待第 1 秒 (doorwait1)、開(kāi)門(mén)等待第 2 秒 (doorwait2)、開(kāi)門(mén)等待第 3 秒 (doorwait3)、開(kāi)門(mén)等待第 4 秒 (doorwait4)、上升 (up)、下降 (down)和停止 (stop)。在實(shí)體說(shuō)明中定義完端口之后，在結(jié)構(gòu)體個(gè)之間需要有如下的定義語(yǔ)句，來(lái)定義狀態(tài)機(jī)。 TYPE lift_state IS (stopon1,door