在硬件課程設(shè)計(jì)中引入Quartus Ⅱ狀態(tài)機(jī)編輯器的探索與實(shí)踐

吳 磊，張永梅

（北方工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，北京 100144）

1 將QuartusII狀態(tài)機(jī)編輯器引入硬件課程設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)發(fā)展和教改的需要

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，社會對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)人才的需要更加迫切。計(jì)算機(jī)學(xué)科具有技術(shù)發(fā)展快、知識更新快的特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)只有適應(yīng)社會需要和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的需要，才具有市場競爭力。

在軟件平臺功能日漸強(qiáng)大，逐步替代手工編程，完成大部分硬件設(shè)計(jì)各個層面的時代，如何調(diào)動計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)硬件的積極性，構(gòu)建以硬件為基礎(chǔ)的系統(tǒng)化實(shí)驗(yàn)與教學(xué)體系是目前亟須解決的問題；培養(yǎng)軟件和硬件兩手都過硬的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)類人才，是目前各個高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)與教學(xué)面臨的重要問題。

在國外，硬件描述語言課程中較多采用Quartus Ⅱ狀態(tài)機(jī)編輯器作為工具，而在國內(nèi)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)中，狀態(tài)機(jī)編輯器還未得到足夠的重視。以往有限狀態(tài)機(jī)只是作為設(shè)計(jì)工具而不是作為編程的實(shí)現(xiàn)工具，沒有充分利用其強(qiáng)大的狀態(tài)機(jī)編輯器進(jìn)行有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)；另外，由于狀態(tài)機(jī)編輯器僅僅是Quartus Ⅱ平臺的一個功能，并沒有涉及理論，因此大部分介紹Quartus Ⅱ的中文書籍沒有包含狀態(tài)機(jī)編輯器這部分內(nèi)容［1-4］。

2 有限狀態(tài)機(jī)的表述及描述方式

通常，有限狀態(tài)機(jī)FSM 可以用一個6 元組F＜S，I，O，F(xiàn)，H，s0＞ 表示，其中，S是狀態(tài)的集合{s0，s1，…，sl}；I是輸入的集合 {i0，i1，…，im}；O是輸出的集合 {o0，o1，…，on}；F是次態(tài)集合（S×I→S）；H是輸出函數(shù)，將狀態(tài)映射到輸出（S→O）；s0是初始狀態(tài)。

有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)中主要包含3 個對象：當(dāng)前狀態(tài)（CS）、下一個狀態(tài)（NS）、輸出邏輯（OL）。相應(yīng)地，在用硬件描述語言VHDL 描述有限狀態(tài)機(jī)時，有以下幾種描述方式：①三進(jìn)程描述方式，即現(xiàn)態(tài)、次態(tài)、輸出邏輯各用一個進(jìn)程；②雙進(jìn)程描述方式1（CS+NS、OL）；③雙進(jìn)程描述方式2（CS、NS+OL）；④單進(jìn)程描述方式（CS+NS+OL）。

設(shè)計(jì)時序邏輯電路，首先畫出有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)遷移圖，然后根據(jù)狀態(tài)遷移圖編寫1 個進(jìn)程、2 個進(jìn)程或3 個進(jìn)程的VHDL 程序，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的邏輯電路系統(tǒng)。然而，根據(jù)狀態(tài)遷移圖用進(jìn)程編寫VHDL 程序并不是一件輕松的事情，特別是當(dāng)狀態(tài)機(jī)比較復(fù)雜時尤其如此［5-7］。

3 用有限狀態(tài)機(jī)描述時序電路是十分重要的設(shè)計(jì)思想

使用有限狀態(tài)機(jī)描述時序電路不僅是設(shè)計(jì)時序電路的一種工具，而且是一種設(shè)計(jì)思想方法，更是擴(kuò)展設(shè)計(jì)時序電路的一種重要的思維。

有限狀態(tài)機(jī)的本質(zhì)就是對具有邏輯順序或時序規(guī)律事件的一種描述方法，邏輯順序和時序規(guī)律是狀態(tài)機(jī)所要描述的核心，換言之，所有具有邏輯順序和時序規(guī)律的事情都適合用有限狀態(tài)機(jī)描述。

4 用QuartusII狀態(tài)機(jī)編輯器改革實(shí)驗(yàn)與教學(xué)內(nèi)容的方法與實(shí)現(xiàn)

隨著EDA 技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA 逐步成為最廣泛的實(shí)驗(yàn)平臺。將有限狀態(tài)機(jī)應(yīng)用并融合在基于FPGA 的硬件課程設(shè)計(jì)中，是一項(xiàng)非?，F(xiàn)實(shí)而有意義的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)的重要課題［8-10］。

Quartus Ⅱ狀態(tài)機(jī)編輯器（State Machine Edit）作為一個工具，可以靈活地設(shè)計(jì)、編輯狀態(tài)遷移圖，當(dāng)狀態(tài)遷移圖完成后，通過Generate HDL File 命令，可以直接生成HDL 代碼，因此，用Quartus Ⅱ狀態(tài)機(jī)編輯器直接生成HDL 代碼，對初學(xué)硬件描述語言，用VHDL 語言編程沒有太高的要求，在沒有完全掌握硬件描述語言的情況下，也能進(jìn)行有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)。

4.1 使用Quartus Ⅱ狀態(tài)機(jī)編輯器自動生成HDL 代碼的過程

具體的設(shè)計(jì)方法可以跟著Quartus Ⅱ狀態(tài)機(jī)編輯器向?qū)б徊揭徊酵瓿桑孩傩陆ㄒ粋€工程；②打開file/new/state machine file；③打開狀態(tài)機(jī)圖形編輯窗后，在工程管理窗中選擇state machine wizard（狀態(tài)機(jī)生成向?qū)В?；④在最初的對話框中，選擇生成一個新狀態(tài)機(jī)“Create a new state machine design”；⑤在彈出的框中分別選擇復(fù)位信號控制方式，有效方式為異步和高電平有效：Asynchronous 和active-high；⑥在狀態(tài)機(jī)編輯器對話框中設(shè)置狀態(tài)變量、輸入輸出信號、狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件等；⑦完成后存盤，文件后綴是.smf，可以從狀態(tài)機(jī)圖形編輯器上看到轉(zhuǎn)換圖形，還可以利用左側(cè)的工具進(jìn)行修改補(bǔ)充，將這個圖形狀態(tài)機(jī)存盤后，可以以此文件作為工程進(jìn)行設(shè)計(jì)；⑧在tool/generate HDL 中，可以將狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換成VHDL 或其他HDL 文件。

概括起來，使用Quartus Ⅱ狀態(tài)機(jī)編輯器進(jìn)行有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)的流程如下：①分析并抽象設(shè)計(jì)對象，初步建立有限狀態(tài)機(jī)遷移圖；②分析被控對象的時序狀態(tài)，確定控制有限狀態(tài)機(jī)的各個狀態(tài)及輸入和輸出條件；③在Quartus Ⅱ狀態(tài)機(jī)編輯器中編輯有限狀態(tài)機(jī)遷移圖，自動產(chǎn)生VHDL 代碼。

學(xué)生的主要工作在第1 步和第2 步。第3 步通過Quartus Ⅱ狀態(tài)機(jī)編輯器完成狀態(tài)遷移圖并自動生成HDL 代碼。通過閱讀HDL 代碼，分析、改進(jìn)狀態(tài)遷移圖，完善邏輯電路系統(tǒng)。

當(dāng)狀態(tài)數(shù)目增多、狀態(tài)圖遷移不易畫出時，可以用狀態(tài)遷移表描述狀態(tài)之間的關(guān)系。

4.2 使用Quartus II 狀態(tài)機(jī)編輯器的優(yōu)點(diǎn)

用Quartus Ⅱ狀態(tài)機(jī)編輯器設(shè)計(jì)時序邏輯電路正逐漸成為一種規(guī)范方法，生成的VHDL 程序規(guī)范而清晰，不必進(jìn)行繁雜的狀態(tài)分配，狀態(tài)表繪制和化簡，狀態(tài)寄存器分配，根據(jù)狀態(tài)表求出狀態(tài)方程、次態(tài)方程及輸出方程等工作，不需要考慮所設(shè)計(jì)邏輯電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系，更不必畫電路原理圖和搭建與測試邏輯電路，很好地解決了對有限狀態(tài)機(jī)復(fù)雜的編程和調(diào)試事務(wù)，降低了對編程的要求。

當(dāng)需要修改邏輯電路時，可以直接修改直觀的狀態(tài)遷移圖，達(dá)到修改VHDL 程序，因此，修改VHDL 程序更容易了，同時，提高了設(shè)計(jì)邏輯電路的靈活性，降低了編寫VHDL 程序的復(fù)雜度，從而推動了硬件課程設(shè)計(jì)的改革，增強(qiáng)了對學(xué)生數(shù)字系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，也為學(xué)生設(shè)計(jì)CPU 做了鋪墊。Quartus II 狀態(tài)機(jī)編輯器是實(shí)現(xiàn)對狀態(tài)機(jī)進(jìn)行VHDL 軟件編程的較好的可選方法，是設(shè)計(jì)時序電路的重要工具。

5 狀態(tài)遷移圖是否完善和完整直接影響硬件課程設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)與教學(xué)內(nèi)容的質(zhì)量

狀態(tài)遷移圖的設(shè)計(jì)方法和內(nèi)容在有限狀態(tài)機(jī)的實(shí)驗(yàn)與教學(xué)中十分重要，可以在課堂上以數(shù)字檢測為例，講授狀態(tài)圖的設(shè)計(jì)方法，以狀態(tài)遷移條件為基礎(chǔ)，引導(dǎo)狀態(tài)的遷移，啟發(fā)學(xué)生理解狀態(tài)遷移過程。通過以狀態(tài)遷移圖為導(dǎo)向，優(yōu)化運(yùn)用VHDL 進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容，兼顧學(xué)生接受知識由淺入深的學(xué)習(xí)要求，構(gòu)建以狀態(tài)遷移圖進(jìn)行邏輯時序電路設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)與教學(xué)體系，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，學(xué)生就可以做其他更多復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)。

6 硬件課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與方法的探索與實(shí)踐

針對北方工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的具體情況，設(shè)計(jì)和安排了3 個難度梯度的基于FPGA 的7 個實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由簡單到復(fù)雜，由基礎(chǔ)到復(fù)雜，逐步深入；通過不同的實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)生逐步掌握邏輯電路的原理與設(shè)計(jì)方法。這些題目是：①在7 段數(shù)碼管上顯示自己的最后3 位學(xué)號數(shù)字；②在點(diǎn)陣上顯示自己的名字；③使用圖形輸入方式，用級聯(lián)形式實(shí)現(xiàn)一個多位二進(jìn)制加法器；④使用Quartus Ⅱ狀態(tài)機(jī)編輯器，分別設(shè)計(jì)帶重復(fù)和不帶重復(fù)判斷的兩個簡單的序列檢測器；⑤使用Quartus Ⅱ狀態(tài)機(jī)編輯器，設(shè)計(jì)一個只賣1 種商品的簡單的自動售貨機(jī)；⑥簡單CPU 的設(shè)計(jì)；⑦采用兩個進(jìn)程描述方式編寫VHDL 程序，在兩個題目中選做一個題目，即分別設(shè)計(jì)帶重復(fù)和不帶重復(fù)判斷的兩個簡單的序列檢測器或者設(shè)計(jì)一個可賣兩種商品的簡單的自動售貨機(jī)。

6.1 引入有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)CPU

在CPU 設(shè)計(jì)中，要通過節(jié)拍的變動，將每條指令隨著節(jié)拍的變化一一進(jìn)行描述。指令的每一個順序步都是一種狀態(tài)，任何一條指令的順序步都是有限的。從指令執(zhí)行過程的角度看，CPU任何時間都處在有限狀態(tài)集的某一個狀態(tài)中，CPU 按照指令，從一個狀態(tài)遷移到另一個狀態(tài)，完成指令所規(guī)定的操作。

CPU 設(shè)計(jì)的核心就是對指令的解析，因此，設(shè)計(jì)CPU 教學(xué)的最關(guān)鍵部分是引導(dǎo)學(xué)生通過對指令執(zhí)行過程的分析，確定CPU 的狀態(tài)集，即指令流程圖的每一個方框。圖1 所示為CPU 指令執(zhí)行狀態(tài)集的遷移圖范例，它包含5 個基本的狀態(tài)集，分別是取指令、取數(shù)據(jù)、運(yùn)算、保存結(jié)果、中斷控制。

圖1 CPU 指令執(zhí)行狀態(tài)集的遷移圖范例

6.2 具有5 個狀態(tài)的指令遷移表

首先，給出一個字長為8 位，具有4 種指令格式，共16 條指令的簡單CPU，對這16 條中的每一條指令的功能進(jìn)行定義。在將這5 個狀態(tài)集進(jìn)行功能細(xì)分后，按照每個狀態(tài)應(yīng)該完成的功能，將所有指令的操作，按照狀態(tài)有序地匯集在一起，得到指令遷移的6 個狀態(tài)，見表1。

需要說明的是：①如果存儲器的速度不能滿足1 個時鐘周期完成讀寫操作，則處理器不能和該存儲器協(xié)調(diào)工作，需要延長等待時間才能正常工作；②在優(yōu)先級選擇上，是速度優(yōu)先還是成本優(yōu)先，所做的安排也會有很大的不同。

表1 不是唯一的安排，其側(cè)重于過程的清晰易懂，沒有在減少節(jié)拍上做太多的處理，且只是羅列出了正確的指令執(zhí)行過程，沒有考慮優(yōu)化問題。從6 個狀態(tài)的指令遷移表，可以清楚地看到：從CPU 設(shè)計(jì)的角度看，控制器可以看做一個有限狀態(tài)機(jī)，每一個狀態(tài)對應(yīng)于一個節(jié)拍，即每一個狀態(tài)持續(xù)時間為1 個周期；每一個狀態(tài)發(fā)出不同的控制信號，指揮數(shù)據(jù)的流動，同時根據(jù)反饋信號決定下一步將進(jìn)入的狀態(tài)。

注意，每一步所需要的節(jié)拍數(shù)不完全一樣。

（1）將每一條指令執(zhí)行過程細(xì)分到節(jié)拍，即規(guī)定每一個節(jié)拍要做什么工作，并規(guī)定下一次進(jìn)入哪個節(jié)拍。

（2）按指令功能控制數(shù)據(jù)流過每一個部件，流過一個部件就需要相應(yīng)的控制信號，把控制序列寫出來，并安排到每個節(jié)拍。

（3）由節(jié)拍產(chǎn)生的控制信號引導(dǎo)數(shù)據(jù)流動時，在該節(jié)拍的末尾才被時鐘脈沖打入寄存器。

表1 6 個狀態(tài)的指令遷移

（4）加電時系統(tǒng)自動產(chǎn)生一個復(fù)位信號reset，使所有寄存器清零，控制器處于初始狀態(tài)st_0。

（5）內(nèi)存收到CPU 發(fā)的訪問地址后，需對該地址譯碼，找到相應(yīng)的內(nèi)存單元，這段時間需要1 個時鐘周期，因此，在1 個時鐘周期后才能在內(nèi)存的數(shù)據(jù)輸出端口看到對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

（6）指令的執(zhí)行被分成若干步驟，每一步驟占用一個機(jī)器周期。一方面，部件在不同機(jī)器周期可以重復(fù)使用；另一方面，在上一周期中指令執(zhí)行的結(jié)果，需要用于下一周期的操作。

（7）狀態(tài)機(jī)的輸入是指令碼，輸出為所有的控制信號和多路選擇信號。輸出的控制信號取決于當(dāng)前狀態(tài)與輸入的指令碼。

綜上所述，可以看到CPU 的核心是一個由系統(tǒng)時鐘驅(qū)動的有限狀態(tài)機(jī)的邏輯過程。有限狀態(tài)通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖將復(fù)雜的控制時序圖形化，將復(fù)雜的邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)換為簡單的狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系［11-14］。

將有限狀態(tài)機(jī)應(yīng)用于CPU 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，能夠培養(yǎng)學(xué)生對復(fù)雜工程問題的分析與解決能力。通過上述實(shí)驗(yàn)與教學(xué)策略，取得了良好的實(shí)驗(yàn)與教學(xué)效果，為計(jì)算機(jī)硬件課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與教學(xué)開拓出了一條創(chuàng)新之路。

7 結(jié) 語

有限狀態(tài)機(jī)是硬件課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與教學(xué)的重點(diǎn)，將Quartus Ⅱ狀態(tài)機(jī)編輯器作為基本工具引入有限狀態(tài)機(jī)的實(shí)驗(yàn)與教學(xué)體系，可以使程序設(shè)計(jì)更為快捷、簡單和高效。用Quartus Ⅱ狀態(tài)機(jī)編輯器設(shè)計(jì)時序邏輯電路，其實(shí)質(zhì)是將過去用進(jìn)程描述有限狀態(tài)機(jī)，然后編寫VHDL 程序的思路，轉(zhuǎn)變?yōu)閷⒅攸c(diǎn)放在對狀態(tài)遷移圖的設(shè)計(jì)，而不必關(guān)心如何用VHDL 編寫程序代碼。實(shí)驗(yàn)與教學(xué)不僅使學(xué)生比較容易掌握有限狀態(tài)機(jī)這一重要的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具，同時還有助于學(xué)生掌握“用有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)CPU”的方法。在硬件課程設(shè)計(jì)實(shí)踐應(yīng)用中，實(shí)驗(yàn)與教學(xué)效果良好。