摘 要： 現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（FPGA）應(yīng)用于圖像處理時(shí)，需要對(duì)數(shù)據(jù)中的圖像信息進(jìn)行準(zhǔn)確的提取。設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA中解壓縮功能需要對(duì)壓縮數(shù)據(jù)中的圖像信息進(jìn)行提取。根據(jù)壓縮格式，設(shè)計(jì)了一種基于狀態(tài)機(jī)的圖像信息提取模塊，并且在XST（Xilinx官方綜合工具）以及Synplify pro兩個(gè)綜合環(huán)境下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)比仿真結(jié)果的差異，嘗試分析設(shè)計(jì)的寄存器傳輸級(jí)視圖（RTL視圖），并找出了影響狀態(tài)機(jī)工作的關(guān)鍵要素。強(qiáng)調(diào)了代碼風(fēng)格對(duì)FPGA設(shè)計(jì)的重要性。
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0 引言

　　狀態(tài)機(jī)是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要組成部分，是FPGA實(shí)現(xiàn)高效率高可靠性邏輯控制的重要途徑。在實(shí)際工程應(yīng)用中，狀態(tài)機(jī)工作是否正常決定著系統(tǒng)能否穩(wěn)定工作。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于狀態(tài)機(jī)的圖像信息提取模塊，通過(guò)對(duì)該設(shè)計(jì)的仿真，分析了狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)中的狀態(tài)競(jìng)爭(zhēng)、鎖存器的引入以及綜合工具誤判等常見情況。強(qiáng)調(diào)了代碼規(guī)范對(duì)于FPGA設(shè)計(jì)的重要性。

1 設(shè)計(jì)背景及思路

　　基于相機(jī)的實(shí)時(shí)圖像目標(biāo)仿真系統(tǒng)可以產(chǎn)生實(shí)時(shí)的虛擬目標(biāo)圖像流，因而被用于光電經(jīng)緯儀等圖像跟蹤系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試。目標(biāo)仿真系統(tǒng)中虛擬目標(biāo)是經(jīng)過(guò)DSP以一定的壓縮格式壓縮后儲(chǔ)存于DDR中的，F(xiàn)PGA通過(guò)SRIO與DSP通信，讀取壓縮后的目標(biāo)圖形數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)FPGA內(nèi)部解壓縮與現(xiàn)實(shí)背景疊加輸出。該系統(tǒng)中使用灰度圖像作為圖像源。其簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

目標(biāo)圖像示意圖如圖2所示，虛擬目標(biāo)圖形以水平方向的線段形式壓縮，整個(gè)壓縮后的目標(biāo)圖形由n條線段組成，每條線段包含該線段的起始行列號(hào)、像素點(diǎn)數(shù)以及各像素點(diǎn)的像素值。其中每一幀的第一條線段還包含這幀圖像壓縮后的大小，壓縮大小為32 bit。行列號(hào)、像素?cái)?shù)以及各像素點(diǎn)的像素值均以16 bit表示。

FPGA對(duì)虛擬目標(biāo)圖像進(jìn)行復(fù)原時(shí)，最主要的是對(duì)壓縮數(shù)據(jù)中的目標(biāo)圖形的各類信息進(jìn)行提取，行列號(hào)代表著目標(biāo)圖形的位置信息，壓縮大小以及像素?cái)?shù)表示目標(biāo)圖形的大小信息，像素值則代表各點(diǎn)的灰度信息。本文以有限狀態(tài)機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了基于狀態(tài)機(jī)的壓縮圖像信息提取模塊。

首先需要確定狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)數(shù)。壓縮圖像信息提取模塊的目的在于將壓縮圖像的信息進(jìn)行分別提取，因此根據(jù)壓縮的數(shù)據(jù)格式須將數(shù)據(jù)分為5塊進(jìn)行提取，分別為一幀壓縮圖像大?。╢rame_size，32 bit）、每條線段的起始行號(hào)（row_no，16 bit）、起始列號(hào)（column_no，16 bit）、每條線段的像素?cái)?shù)（row_size，16 bit）以及分別的像素值（pic_element，16 bit）?？紤]到16 bit的位寬，須將一幀壓縮圖像大小（frame_size）進(jìn)行兩次提取，由于空閑狀態(tài)的存在，共設(shè)置7個(gè)狀態(tài)，分別為：wait_state（S0）、frame_s_state1（S1）、frame_s_state2（S2）、row_no_state（S3）、column_no_state（S4）、row_s_state（S5）、pic_element_state（S6）。

需要注意的是壓縮數(shù)據(jù)中frame_size只存在于第一條線段，因此frame_size的提取在一幀數(shù)據(jù)中只進(jìn)行一次。根據(jù)數(shù)據(jù)大小以及每行像素?cái)?shù)，可以設(shè)置相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件，相應(yīng)的信號(hào)如表1所示。

壓縮數(shù)據(jù)在幀聲明信號(hào)到來(lái)之后開始傳輸，當(dāng)幀聲明信號(hào)到來(lái)時(shí)，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)（S0），隨后便開始依次提取第一條線段中的信息，包括幀大小的前16 bit，幀大小的后16位，行號(hào)、列號(hào)、像素?cái)?shù)（即依次進(jìn)入S1、S2、S3、S4、S5狀態(tài)），接著將r_done信號(hào)拉高，并且開始提取像素值數(shù)據(jù)（即進(jìn)入S6狀態(tài)）直至下一線段到來(lái)，第二條線段到來(lái)時(shí)r_done信號(hào)拉低，提取第二條線段的行號(hào)（即從S6跳轉(zhuǎn)到S3狀態(tài)），其余步驟與第一條線段相同，直至一幀信號(hào)傳輸完成（即f_done拉高），狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)置等待狀態(tài)（S0）。根據(jù)上述分析，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。

2 綜合仿真

　　總結(jié)前面的分析，可以使用VHDL硬件描述語(yǔ)言對(duì)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行描述。在VHDL設(shè)計(jì)中分3個(gè)進(jìn)程來(lái)設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)：（1）主控時(shí)鐘進(jìn)程，負(fù)責(zé)下一狀態(tài)與當(dāng)前狀態(tài)的切換，以及相應(yīng)狀態(tài)條件的邏輯部分；（2）狀態(tài)轉(zhuǎn)移組合邏輯進(jìn)程，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)及狀態(tài)條件進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移判斷并輸出下一狀態(tài)；（3）同步時(shí)序狀態(tài)輸出，用同步時(shí)序邏輯寄存狀態(tài)輸出，避免組合邏輯的毛刺與不穩(wěn)定[1]。

首先在Modelsim中對(duì)設(shè)計(jì)的代碼進(jìn)行了功能邏輯仿真。仿真結(jié)果與預(yù)期結(jié)果一致。仿真結(jié)果如圖4所示。

隨后對(duì)設(shè)計(jì)在XST和Synplify pro兩個(gè)綜合環(huán)境下進(jìn)行了編譯下載，并使用ChipScope進(jìn)行了板級(jí)仿真。使用的FPGA是Xilinx生產(chǎn)的Virtex5系列FPGA，型號(hào)為XC5VLX110T。圖5是XST綜合后的結(jié)果，圖6是Synplify pro綜合的結(jié)果。

同一個(gè)設(shè)計(jì)在不同綜合環(huán)境下出現(xiàn)了差異，XST綜合后的時(shí)序波形與預(yù)期不符，出現(xiàn)了錯(cuò)誤，而Synplify pro綜合后的波形則滿足了設(shè)計(jì)要求。這說(shuō)明所設(shè)計(jì)代碼存在著問(wèn)題。下面將嘗試著分析這些問(wèn)題。

3 錯(cuò)誤分析

　　通過(guò)對(duì)代碼的分析，發(fā)現(xiàn)代碼存在很明顯的狀態(tài)競(jìng)爭(zhēng)，以下面的代碼為例：
　　when S0=>
　　if r_done=′0′ and f_done=′0′ then
　　Next_S<=S1；
　　end if；

上面的代碼中if條件語(yǔ)句不完備，導(dǎo)致在!（r_done=‘0’and f_done=‘0’）時(shí)無(wú)法判斷下一狀態(tài)，可能導(dǎo)致綜合工具產(chǎn)生誤判，并且可能引入鎖存器（Latch）來(lái)鎖存下一狀態(tài)[2]。而事實(shí)上，XST和Synplify pro的確都在設(shè)計(jì)中引入了鎖存器來(lái)保證狀態(tài)的正常切換和保持。這一點(diǎn)從綜合報(bào)告中可以看得出來(lái)。

在兩者都生成鎖存器的情況下，認(rèn)為兩個(gè)綜合工具結(jié)果的差異，很有可能是因?yàn)榫C合工具的誤判。為了證實(shí)這一結(jié)論，本文嘗試著分析了XST和Synplify pro的綜合RTL視圖（寄存器傳輸級(jí)）[3-4]，找出了兩者出現(xiàn)明顯差異的RTL視圖部分，如圖7、圖8所示。

圖7、圖8分別是XST和Synplify pro對(duì)下面這段代碼的綜合。
　　when S6=>
　　if r_done=′0′ and f_done=′0′ then
　　Next_S <=S3；
　　elsif r_done=′0′ and f_done=′1′ then
　　Next_S<=S0；
　　end if；

可以發(fā)現(xiàn)前者的判斷邏輯為：!r_done&!f_done 為真時(shí)，狀態(tài)S6跳轉(zhuǎn)到S3；為假時(shí)，狀態(tài)S6跳轉(zhuǎn)到S0。也就是說(shuō)，在r_done=‘1’時(shí)狀態(tài)沒(méi)有保持S6，而是跳轉(zhuǎn)到S0，導(dǎo)致結(jié)果錯(cuò)誤。而后者的判斷邏輯為：!r_done&!f_done為真時(shí)，狀態(tài)S6跳轉(zhuǎn)到S3，否則保持S6；f_done=‘1’時(shí)，狀態(tài)S6跳轉(zhuǎn)到S0，否則保持S6。這個(gè)組合邏輯保證了在正常情況下，狀態(tài)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，因而得到了所希望的狀態(tài)輸出。

根據(jù)上面的分析，找出了兩個(gè)潛在的問(wèn)題，鎖存器的引入以及綜合工具的誤判。顯然真正導(dǎo)致結(jié)果差異的是綜合工具對(duì)組合邏輯的誤判。但是在同步設(shè)計(jì)中鎖存器也常是一個(gè)潛在的問(wèn)題。鎖存器不同于寄存器，鎖存器沒(méi)有時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，對(duì)毛刺敏感，上電后處于不確定狀態(tài)。它會(huì)導(dǎo)致同步設(shè)計(jì)的時(shí)序分析復(fù)雜化，甚至出現(xiàn)時(shí)序以及穩(wěn)定性上的問(wèn)題，通常這些問(wèn)題都是不可復(fù)現(xiàn)的。另外FPGA的基本單元是由查找表和觸發(fā)器組成的，生成鎖存器反而需要更多的資源[5]。因此在同步設(shè)計(jì)中最好不要使用鎖存器[6]。

4 完善設(shè)計(jì)

　　根據(jù)先前的仿真與分析，對(duì)代碼中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件判斷進(jìn)行了改進(jìn)和完備。解決的方式很簡(jiǎn)單，就是完備if條件判斷語(yǔ)句，不至于讓綜合工具去猜測(cè)缺省的部分，從而避免綜合工具的誤判，同時(shí)也避免了鎖存器的引入。例如：
　　when S0=>
　　if r_done=′0′ and f_done=′0′ then
　　Next_S<=S1；
　　else
　　Next_S<=S0；
　　end if；

將修改后的代碼再次綜合，分別查看RTL視圖，發(fā)現(xiàn)XST和Synplify pro的RTL視圖中分別生成了XST和Synplify pro中表示有限狀態(tài)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)模塊[3-4]，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的狀態(tài)機(jī)是符合兩者要求的。對(duì)完善后的設(shè)計(jì)進(jìn)行了板級(jí)仿真，仿真結(jié)果與預(yù)期一致。

對(duì)比了修改前后Synplify pro綜合結(jié)果的時(shí)鐘性能和資源使用的情況，如表2所示。

5 結(jié)論

　　本文提出了一種基于狀態(tài)機(jī)的圖像信息提取模塊的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了仿真分析。從上面的仿真分析可以看出代碼的設(shè)計(jì)風(fēng)格對(duì)于綜合結(jié)果的影響，綜合器作為設(shè)計(jì)工具，它的綜合優(yōu)化結(jié)果是依賴于代碼的。同一個(gè)邏輯，不同的代碼在綜合工具中可能產(chǎn)生不同的綜合結(jié)果，有的如同上面分析的Synplify pro，結(jié)果一致，但是性能差距很大；或者有些在結(jié)果上都不一致，如同上面分析XST一樣。因此對(duì)于一個(gè)FPGA設(shè)計(jì)，初始設(shè)計(jì)思路是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，同樣實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的代碼語(yǔ)言風(fēng)格也對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)果有著重要的影響[7]。