淺談狀態(tài)機(jī)“毛刺”產(chǎn)生原因及消除方案

隨著EDA技術(shù)的高速發(fā)展, 以大規(guī)模和超大規(guī)模器件FPGA/CPLD為載體、以VHDL(硬件描述語(yǔ)言)為工具的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)越來(lái)越廣泛。有限狀態(tài)機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)狀態(tài)機(jī))作為數(shù)字系統(tǒng)控制單元的重要設(shè)計(jì)方案之一，無(wú)論與基于VHDL語(yǔ)言的其他設(shè)計(jì)方案相比，還是與可完成相似功能的CPU設(shè)計(jì)方案相比，在運(yùn)行速度的高效、執(zhí)行時(shí)間的確定性和高可靠性方面都顯現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。因此狀態(tài)機(jī)在數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的地位日益凸顯。

1 狀態(tài)機(jī)“毛刺”的產(chǎn)生

狀態(tài)機(jī)通常包含主控時(shí)序進(jìn)程、主控組合進(jìn)程和輔助進(jìn)程三個(gè)部分。其中，主控組合進(jìn)程的任務(wù)是根據(jù)外部輸入的控制信號(hào)和當(dāng)前狀態(tài)的狀態(tài)值確定下一 狀態(tài)的取向，并確定對(duì)外輸出內(nèi)容和對(duì)內(nèi)部其他組合或時(shí)序進(jìn)程輸出控制信號(hào)的內(nèi)容。一方面，由于有組合邏輯進(jìn)程的存在，狀態(tài)機(jī)輸出信號(hào)會(huì)出現(xiàn)毛刺——競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象；另一方面，如果狀態(tài)信號(hào)是多位值的，則在電路中對(duì)應(yīng)了多條信號(hào)線。由于存在傳輸延遲，各信號(hào)線上的值發(fā)生改變的時(shí)間則存在先后，從而使得狀態(tài)遷移時(shí)在初始狀態(tài)和目的狀態(tài)之間出現(xiàn)臨時(shí)狀態(tài)——毛刺。

例如，采用Moore型有限狀態(tài)機(jī)方案對(duì)ADC0809采樣過(guò)程實(shí)現(xiàn)控制，其主要程序如下：

begin
lock <=lock1;
process(current_state,eoc)
begin
case current_state IS
when st0=>ale<=‘0’;start<=‘0’;oe<=‘0’;lock1<=‘0’;
next_state <=st1;
when st1=>ale<=‘1’;start<=‘0’;oe<=‘0’;lock1<=‘0’;
next_state <=st2;
when st2=>ale<=‘0’;start<=‘1’;oe<=‘0’;lock1<=‘0’;
next_state <=st3;
when st3=>ale<=‘0’;start<=‘0’;oe<=‘0’;lock1<=‘0’;
if (eoc=‘1’) then next_state <=st3;
else next_state <=st4;
end if;
when st4=> ale <=‘0’;start <=‘0’;OE<=‘0’;lock1<=‘0’;
if (eoc =‘0’) then next_state <=st4;
else next_state <=st5;
end if;
when st5=> ale <=‘0’; start <=‘0’;oe<=‘1’;lock1<=‘0’;
next_state <=st6;
when st6=> ale <=‘0’; start <=‘0’; oe <=‘1’;lock1<=‘1’;
next_state <=st0;
when others=> ale <=‘0’; start <=‘0’;oe <=‘0’;lock1<=‘0’;
next_state <=st0;
end case;
end process;
process (clk)
begin
if (clk’event and clk =‘1”) then
current_state <=next_state;
end if;
end process;
process(lock1)
begin
if lock1=‘1’ and lock1’event then
regl<=d;
end if;
end process;
q<=regl;
……
其時(shí)序仿真波形如圖1所示。
Moore型狀態(tài)機(jī)組成框圖如圖2所示。

因?yàn)镸oore型狀態(tài)機(jī)的輸出信號(hào)來(lái)自組合邏輯——輸出譯碼器，輸出信號(hào)中帶有“毛刺”，且引起了輸出信號(hào)Q的誤動(dòng)作,結(jié)果從其仿真時(shí)序圖中可以發(fā)現(xiàn)。

2 毛刺的消除

在同步電路中，一般情況下“毛刺”不會(huì)產(chǎn)生重大影響。因?yàn)椤懊獭眱H發(fā)生在時(shí)鐘有效邊沿之后的一小段時(shí)間內(nèi)，只要在下一個(gè)時(shí)鐘有效邊沿到來(lái)之前“毛刺” 消失即可。但當(dāng)狀態(tài)機(jī)的輸出信號(hào)作為其他功能模塊的控制信號(hào)，例如作為異步控制、三態(tài)使能控制或時(shí)鐘信號(hào)使用時(shí)，將會(huì)使受控模塊發(fā)生誤動(dòng)作，造成系統(tǒng)工作混亂。因此，在這種情況下必須通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)消除毛刺。

消除狀態(tài)機(jī)輸出信號(hào)的“毛刺”一般可采用三種方案：

（1）調(diào)整狀態(tài)編碼，使相鄰狀態(tài)間只有1位信號(hào)改變，從而消除競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)的發(fā)生條件，避免了毛刺的產(chǎn)生。常采用的編碼方式為格雷碼。它適用于順序遷移的狀態(tài)機(jī)。

（2）在有限狀態(tài)機(jī)的基礎(chǔ)上采用時(shí)鐘同步信號(hào)，即把時(shí)鐘信號(hào)引入組合進(jìn)程。狀態(tài)機(jī)每一個(gè)輸出信號(hào)都經(jīng)過(guò)附加的輸出寄存器,并由時(shí)鐘信號(hào)同步，因而保證了輸出信號(hào)沒(méi)有毛刺， 如圖3所示。這種方法存在一些弊端：由于增加了輸出寄存器,硬件開(kāi)銷(xiāo)增大，這對(duì)于一些寄存器資源較少的目標(biāo)芯片是不利的；從狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)位到達(dá)輸出需要經(jīng) 過(guò)兩級(jí)組合邏輯,這就限制了系統(tǒng)時(shí)鐘的最高工作頻率；由于時(shí)鐘信號(hào)將輸出加載到附加的寄存器上,所以在輸出端得到信號(hào)值的時(shí)間要比狀態(tài)的變化延時(shí)一個(gè)時(shí)鐘 周期。

（3）直接把狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)碼作為輸出信號(hào)，即采用狀態(tài)碼直接輸出型狀態(tài)機(jī)，使?fàn)顟B(tài)和輸出信號(hào)一致,使得輸出譯碼電路被優(yōu)化掉了，因此不會(huì)出現(xiàn)競(jìng) 爭(zhēng)冒險(xiǎn)。這種方案，占用芯片資源少，信號(hào)與狀態(tài)變化同步，因此速度快，是一種較優(yōu)方案。但在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)狀態(tài)編碼時(shí)可能增加狀態(tài)向量，出現(xiàn)多余狀態(tài)。雖然 可用CASE語(yǔ)句中WHENOTHERS來(lái)安排多余狀態(tài)，但有時(shí)難以有效控制多余狀態(tài),運(yùn)行時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)難以預(yù)料的情況。因此它適用于狀態(tài)機(jī)輸出信號(hào)較少 的場(chǎng)合。

若對(duì)ADC0809的采樣控制采用狀態(tài)碼直接輸出型狀態(tài)機(jī)方案，其主要程序如下：

begin
lock<=lock1;
process(current_state,eoc)
begin
case current_state IS
when st0 => next_state <=st1;
when st1 => next_state <=st2;
when st2 => next_state <=st3;
when st3 => if (eoc =‘1’)then next_state <=st3; else next_state <=st4;end if;
when st4 => if (eoc =’0’)then next_state<=st4;else next_state <=st5; end if;
when st5 => next_state <=st6;
when st6 => next_state <=st0;
when others=> next_state <=st0;
end case;
out4<=current_state(5 downto 2);
ale<=current_state(5); start <=current_state(4);
oe<=current_state(3); lock1<=current_state(2);
end process;
process(clk)
begin
if (clk’event and clk =‘1’) then
current_state <=next_state;
end if ;
end process ;
process (lock1)
if lock1=‘1’ and lock1’event then
regl<=d ;
end if ;
end process ;
q<=regl;
……