FPGA設計中狀態(tài)機穩(wěn)定問題的研究

衛(wèi)一然，甄國涌，單彥虎

(中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051)

責任編輯:時 雯

隨著大規(guī)模和超大規(guī)模FPGA/CPLD器件的誕生和發(fā)展，以VHDL(硬件描述語言)為工具、FPGA/CPLD器件為載體的EDA技術的應用越來越廣泛。在基于FPGA的數(shù)字設計中，狀態(tài)機是使用最為廣泛的時序電路模塊，它使得控制更加靈活、高效。因此如何提高狀態(tài)機的穩(wěn)定性成為目前必須面對的問題。

FPGA的穩(wěn)定性會因為外界的很多因素(如工作電壓、溫度)而受到影響，使狀態(tài)機出現(xiàn)亞穩(wěn)定狀態(tài)，造成電路出現(xiàn)異常。本文針對記錄器在溫度實驗中，高溫造成FPGA狀態(tài)機穩(wěn)定性下降，出現(xiàn)的亞穩(wěn)定問題，對各種狀態(tài)編碼進行了解研究，比較各種編碼方式的特點，修改選定最適合的編碼方式，再結合FPGA綜合方面的約束，降低了溫度對其的影響，使其恢復正常工作。

1 狀態(tài)編碼

FPGA狀態(tài)機的設計中，編碼方式的選擇是一個重要的部分。方法選擇得當，設計的電路可以很簡單;反之，電路會占用過多的邏輯或速度降低。下面介紹一下狀態(tài)機的幾種編碼方式及其特點。

二進制編碼(Sequential)和格雷碼(Gray)都屬于壓縮編碼。二進制編碼有其最典型的優(yōu)點，即狀態(tài)向量最少。但是每次狀態(tài)轉換時，需要同時發(fā)生變化的比特位較多。格雷碼雖然每次只有一位發(fā)生變化，大大降低了產(chǎn)生暫態(tài)的可能，但不適合有很多狀態(tài)跳轉的情況。

One－h(huán)ot編碼的典型定義為:在狀態(tài)機中，每一個狀態(tài)都使用一個寄存器來表達，并有相對應的唯一寄存器位，每次只有一個稱為“hot”的有效位“1”。所以，在編譯的時候僅需要獲取“1”值的位。狀態(tài)轉移則是由“1”變?yōu)椤?”，或是由“0”變?yōu)椤?”的那些位所表示的狀態(tài)發(fā)生了轉移。采用這種編碼方式需要的組合邏輯少、速度快，但占用觸發(fā)器多，考慮到FPGA更多的提供觸發(fā)器資源，所以該編碼方式更適合于FPGA的設計。但是One－h(huán)ot編碼的使用將大大增加設計面積，因此在時序可以滿足的條件下還是建議盡可能使用二進制編碼［1］。

Compact編碼盡量減少狀態(tài)變量和觸發(fā)器的位數(shù)。當試圖優(yōu)化面積時，這種編碼方式是一種不錯的選擇。

Johnson編碼方式與格雷碼類似，適用于長路徑無分支的狀態(tài)機。Speed1編碼是面向速度優(yōu)化，一個狀態(tài)寄存器中的位的數(shù)量依賴于特定的有限狀態(tài)機，但一般比有限狀態(tài)機的數(shù)量多。

2 高溫造成的亞穩(wěn)態(tài)問題

該記錄器用于導引頭試驗過程中視頻回波數(shù)據(jù)、實時圖像數(shù)據(jù)、控制信號時序數(shù)據(jù)以及狀態(tài)檢測信號的采集和記錄，記錄器在出廠前要進行一定的溫度試驗，確定其能在任務書規(guī)定的溫度環(huán)境范圍內(nèi)正常工作，即記錄器能夠將導引頭試驗過程中的數(shù)據(jù)及信號準確地采集并存儲到記錄器的Flash芯片中。

記錄器溫度試驗的過程中，在高溫60oC的環(huán)境下對記錄器進行測試，發(fā)現(xiàn)采集到的數(shù)據(jù)有錯誤。通過利用示波器對采集存儲過程中的一些關鍵信號進行觀察研究，將問題定位到了FPGA控制Flash進行存儲這一模塊:用示波器觀察Flash芯片的信號，正常情況下，F(xiàn)lash最先進行無效塊校驗，信號連續(xù)出現(xiàn)一段方波然后拉高(如圖1)說明無效塊校驗完畢，之后程序向下執(zhí)行擦、寫、讀。但是60℃環(huán)境下，信號一直沒有出現(xiàn)拉高，圖2是出現(xiàn)異常時的波形。說明程序在執(zhí)行過程中，無效塊校驗模塊出現(xiàn)了異常并且一直游離在這種異常狀態(tài)中無法恢復正常，導致無效塊校驗一直完成不了，程序無法往下執(zhí)行。

3 問題的分析與解決

3.1 選擇合適的編碼方式以減少過渡狀態(tài)產(chǎn)生概率

以FPGA為核心控制Flash進行存儲的程序設計，主要依靠的是大量的狀態(tài)機。在對FPGA進行綜合后，會生成以觸發(fā)器為核心的狀態(tài)寄存電路，其穩(wěn)定性就是由此決定。時鐘信號在FPGA器件內(nèi)通過連線到達各觸發(fā)器時，都有一定的延時。延時的長短不僅與pcb走線有關，還受到一些其他因素影響，如器件本身、外界激勵、溫度變化等［2］。實際的綜合布線后，各個觸發(fā)器的位置不同，連線長短不同，再加上溫度等外在條件對器件穩(wěn)定性的影響，使得在多個觸發(fā)器在同步觸發(fā)時，觸發(fā)不能嚴格同步，總是出現(xiàn)無法避免的過渡狀態(tài)。若程序游離于這種過渡狀態(tài)無法恢復正常就會導致電路異常。圖3為記錄器異常時，利用邏輯分析儀抓到的狀態(tài)機波形。

圖3 記錄器異常情況下狀態(tài)機運行波形圖(截圖)

從圖中可以看出，狀態(tài)機運行過程中，在由狀態(tài)“0001111”向下一個狀態(tài)跳轉時出現(xiàn)了問題，狀態(tài)機并沒有按照程序跳轉到“0010000”，而是跳到了一個未被定義的狀態(tài)(也稱為“非法”狀態(tài))“1001001”，并且進入了死循環(huán)長期無法跳出，造成程序進行不下去，電路出現(xiàn)異常［3］。

在實際的程序設計中是很難做到全編碼狀態(tài)機。該記錄器存儲程序設計中，狀態(tài)機的設計屬于非全編碼，采用的是二進制編碼風格。高溫60oC環(huán)境中器件穩(wěn)定性有所下降，狀態(tài)機轉換時，由于記錄器中使用的狀態(tài)機數(shù)量眾多，同時需要跳變的比特位也相應劇增，很容易進入到非法狀態(tài)。很顯然這樣的非法狀態(tài)不屬于電路穩(wěn)態(tài)下的邏輯，所以電路會出現(xiàn)異常，輸出一些不可預測的錯誤數(shù)據(jù)。程序在在進行無效塊校驗時，進入到非法狀態(tài)后沒有及時返回到正常狀態(tài)，而是長期游離在這樣的異常下就導致了正常程序無法進行下去。要減少這種情況的方法之一就是要盡量降低過渡狀態(tài)出現(xiàn)的概率。

One－h(huán)ot編碼方式中，每一個狀態(tài)都使用一個寄存器來表達，每個狀態(tài)都有它獨立的寄存器位，對應于任何給定狀態(tài)的狀態(tài)向量各位中僅有一位為1，其他位全為0。例如state0=00000001，state1=00000010，state2=00000100……狀態(tài)轉移時，需要同時發(fā)生翻轉的比特位數(shù)與狀態(tài)數(shù)量無關，只有由“1”變?yōu)椤?”，和由“0”變?yōu)椤?”的那兩位發(fā)生翻轉。在比較大型的狀態(tài)機設計中，與二進制編碼相比，采用One－h(huán)ot編碼在很大程度上降低了相鄰狀態(tài)轉換時需要同時發(fā)生翻轉的比特位，從而大大降低進入非法狀態(tài)的概率。在資源允許的情況下，可以考慮采用這種編碼方式。

3.2 添加綜合約束控制非法狀態(tài)

針對個人的情況選擇合適的編碼方式可以減少非法狀態(tài)產(chǎn)生的概率，但并不等于完全將其消除。在編寫FPGA控制程序時，如果對非法狀態(tài)沒有進行有效處理，在外界一些不確定因素的干擾下，狀態(tài)機一旦進入了非法狀態(tài)，電路會出現(xiàn)短暫的失控，或者一直無法返回正常工作狀態(tài)。

對于One－h(huán)ot編碼方式來說，有效狀態(tài)中只可能有一個觸發(fā)器的狀態(tài)為“1”，其余觸發(fā)器的狀態(tài)全為“0”，即任何狀態(tài)中只要為“1”的觸發(fā)器個數(shù)大于1就被確定為非法狀態(tài)［4］。而且在該記錄器的FPGA設計中，使用的狀態(tài)機數(shù)量眾多，相對應的非法狀態(tài)數(shù)量也劇增。

記錄器的系統(tǒng)程序設計中已經(jīng)利用語句:When others=＞next_state＜=“初始狀態(tài)”對非法狀態(tài)進行轉移。考慮到在60oC的環(huán)境下還是出現(xiàn)了問題，程序進入非法狀態(tài)后并沒有及時回到正常狀態(tài)，所以在此基礎上，現(xiàn)利用Xilinx XST軟件在FPGA綜合中添加安全模式約束來實現(xiàn)有限狀態(tài)機，將添加額外的邏輯將狀態(tài)機從無效狀態(tài)調(diào)轉到有效狀態(tài)，否則只能復位來實現(xiàn)。

在使用One－h(huán)ot風格對狀態(tài)機編碼的基礎上，添加安全模式約束后進行高低溫試驗，電路恢復正常，信號的波形也恢復如圖1正常狀態(tài)。

4 測試結果

在第一狀態(tài)編碼上改用One－h(huán)ot，第二綜合上添加安全模式加以約束，這兩方面做出改變后，溫度試驗中，記錄器正常工作，沒有再出現(xiàn)異常情況。圖4是狀態(tài)機穩(wěn)定工作時的波形圖。

圖4 狀態(tài)機穩(wěn)定工作波形圖(截圖)

由圖可知，One－h(huán)ot編碼方式對降低非法狀態(tài)發(fā)生概率，提高設備穩(wěn)定性方面較二進制編碼方式確實有很大的優(yōu)勢。再加上綜合約束的進一步保障，在高溫環(huán)境下程序運行時，由狀態(tài)“0001111”向下一個狀態(tài)跳轉時沒有出現(xiàn)進入非法狀態(tài)無法跳出的情況，而是能夠順利地向下執(zhí)行。

5 結論

在FPGA的設計中，狀態(tài)機是使用最為廣泛的時序電路模塊，一個好的狀態(tài)機可以使控制更加靈活、高效。實現(xiàn)一個好的狀態(tài)機關鍵是好的編碼方式，以及對狀態(tài)機中出現(xiàn)的錯誤進行很好的轉移處理。本文詳細分析了在溫度實驗中，高溫造成FPGA狀態(tài)機穩(wěn)定性下降，出現(xiàn)的一系列亞穩(wěn)定問題的原因。并根據(jù)分析的結果，對狀態(tài)機的編碼方式和FPGA綜合方面進行了相應的改進，消除了高溫對其的影響，提高了FPGA在溫度方面的穩(wěn)定性，使其能夠正常工作。

［1］魏芳，劉志軍，王立華.基于Verilog HDL的可綜合有限狀態(tài)機設計［J］.電子工程師，2006(6):6－10.

［2］李雪梅.FPGA設計中由于延遲產(chǎn)生的冒險現(xiàn)象分析及消除［J］.微計算機應用，2005，26(2):201－203.

［3］宋烈武，石強.設計CPLD/FPGA狀態(tài)機的穩(wěn)定性探究［J］.中南民族大學學報:自然科學版，2003(S1):24－25.

［4］龔書濤，呂國強，彭良清.在FPGA中狀態(tài)機的編碼方式［J］.電子工程師，2005(11):51－53.