一个嵌入式系统的Petri网模型与CPLD实现

摘要：将Ｐｅｔｒｉ网与ＶＨＤＬ结合，运用Ｐｅｔｒｉ网建立硬件系统模型，然后采用ＶＨＤＬ语言进行设计，最终下载到ＣＰＬＤ，成功地实现了整个硬件系统的逻辑控制器设计。 关键词：Ｐｅｔｒｉ网 Ｃ／Ｅ模型 ＶＨＤＬ ＣＰＬＤ Ｐｅｔｒｉ网是异步并发系统，没有人为的控制流，直观地表示了非确定性；且可以图形化的方式描述复杂的系统，并可运用数学工具进行分析。因此，其在软件系统的建模与仿真中得到广泛应用。Ｐｅｔｒｉ网自身具备的可运行性方便了系统形式化描述级的模拟，可以用于表达不同抽象级上的系统概念并清楚地描述整个系统的运作过程。笔者发现Ｐｅｔｒｉ网的应用目前仅局限于软件系统的设计，例如网络协议、物流管理等，而在硬件系统中却很少涉足。硬件系统随着功能的日益增强，其功能描述也越来越复杂。基于硬件系统描述的ＶＨＤＬ语言以其强大的硬件描述能力，已被广大科研工作者所采用。ＶＨＤＬ语言也适用于描述异步并发系统，因此可与Ｐｅｔｒｉ网建立的模型联系起来。 本文采用自顶向下与层次分析相结合的设计方法用Ｐｅｔｒｉ网的一个子类Ｃ／Ｅ系统（条件／事件系统）对视频输入卡的逻辑控制器建立模型。针对控制器Ｃ／Ｅ模型中关心和需要观察的变量，确定ＶＨＤＬ描述的实体和端口，由Ｃ／Ｅ系统网的拓扑结构确定条件和事件间的逻辑关系，构造ＶＨＤＬ语言中的结构体。采用ＥＤＡ开发工具ＭＡＸ＋ＰＬＵＳ ＩＩ进行代码设计，逻辑综合，并对设计进行仿真，最后下载到ＣＰＬＤ，验证了逻辑控制器设计的正确性。 图1 视频输入卡结构框图 １ 应用背景及控制器功能要求 图１为某一视频输入卡结构框图。前端视频信号经过解码、缓冲后，将数据送入ＤＳＰ处理。其中由逻辑控制器协调各部分之间的运作。从图１中可以看出，逻辑控制器与视频切换、视频解码、视频数据缓存以及ＤＳＰ等部分存在联系，归纳起来需要完成五个基本功能：视频通道切换控制；插入行标志信息；ＦＩＦＯ的初始化操作；写ＦＩＦＯ；读ＦＩＦＯ。 要完成上述五个基本功能，必须保证每个功能与另一功能之间不存在冲突，但允许存在并发行为，同时它们之间的逻辑顺序应保持一致。因此需要一个主控模块协调各部分的操作。各功能部分之间的逻辑关系比较复杂，涉及到图像数据的行同步以及场同步等问题，一旦出错，则接收的就不是有效的图像数据，后续工作也不能正常进行。为此，首先建立Ｐｅｔｒｉ网模型，并运用数学工具进行分析，最后采用ＶＨＤＬ语言实现。 ２ 控制器Ｐｅｔｒｉ网模型 应用Ｐｅｔｒｉ网的一个子类Ｃ／Ｅ建立视频输入卡的逻辑控制器模型。控制器实现的五大功能，在满足各自条件的情况下，能够正确地完成相关操作。如果将每个功能展开进行Ｐｅｔｒｉ网模型设计，将会使整个Ｃ／Ｅ系统的节点过多。节点一多，则不易分析其性质和计算它的可达树、不变量等参数。Ｐｅｔｒｉ网特有的直观易懂、适于交流的图形表示也就失去了意义。采用层次分析的方法，首先在顶层根据各功能要求建立一个Ｐｅｔｒｉ网模型，然后在各个模块内部建立更详细的子模型。鉴于顶层和底层的分析方法类似，只将顶层模型展开讨论。网络的一些动态特性，如库所与变迁的含义如表１所示。 表1 库所和变迁的含义 库 所含 义变 迁含 义 P1 初始化FIFO有效 T0 系统开始（sysSTART） P2 初始化FIFO结束 T1 通道切换 P3 插入行属性结束 T2 初始化FIFO P4 读FIFO有效 T3 插入行属性标志 P5 通道切换有能 T4 写FIFO P6 VREF=0 T5 读FIFO奇场数据 P7 插入行属性标志有效 T6 场开始 P8 写FIFO有效 T7 场同步 P9 RST0=0 T8 行开始 P10 HREF=0 T9 行同步 P11 VREF=1 T0 行有效 P12 HREF=1 T11 读取FIFO偶场数据 P13 RST0=1 　　 P14 偶场结束　　逻辑控制器顶层Ｐｅｔｒｉ网模型如图２所示。该模型是一个基本网系统，其状态元素称为条件，变迁元素称为事件。事件的发生改变条件的状态（成真与否），引起信息在网上的流动１。由条件和事件组成的有向网通常表现为三元组（Ｂ，Ｅ；Ｆ），其中Ｂ为条件集，Ｅ为事件集。同时该模型还满足如下条件： %26;#183;（Ｂ，Ｅ；Ｆ）为简单网； %26;#183;Ｂ中每个条件都有机会成真，也有机会成假； %26;#183;Ｅ中每个事件都有机会发生； %26;#183;由初始情态ｃｉ导出的可达情态集是完全可到达关系Ｒ下的等价类。 因此，该模型还是一个Ｃ／Ｅ系统。在Ｐｅｔｒｉ网仿真软件Ｖｉｓｕａｌ Ｏｂｊｅｃｔ Ｎｅｔ＋＋中进行仿真测试，结果表明该模型能很好地描述控制器各部分之间的逻辑关系。 ３ ＶＨＤＬ程序的基本单元设计 ＣＰＬＤ（复杂可编程逻辑器件）是处于并行工作方式的基本电路单元构成的高速、大规模集成器件，可作为一种并发系统模型与Ｐｅｔｒｉ网建立联系。ＶＨＤＬ作为一种硬件描述语言，支持行为描述、数据流描述和结构化描述等多种描述方法，可以用并行和顺序多种语句方式描述实际的系统，并可采用ＶＨＤＬ的并行语句描述Ｃ／Ｅ系统中条件／事件间的并发关系，用ＶＨＤＬ的顺序语句描述条件／事件间的顺序约束机制，为解决Ｃ／Ｅ系统中的有效冲突提供了可行的方法。 ＶＨＤＬ语言程序设计的基本单元称为一个基本设计实体，其主要由实体说明（ｅｎｔｉｔｙ ｄｅｃｌａｒａｔｉｏｎ）和构造体（ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｂｏｄｙ）两部分构成。实体说明部分规定了设计单元的输入输出接口信号或引脚。根据该控制器的Ｃ／Ｅ系统中关心和需观察的变量选择系统的输入和输出信号，以确定基本设计单元的实体及其端口。在控制器的Ｃ／Ｅ系统模型中，因为事件驱动条件是变化的，所以将发生的事件作为设计实体的输入信号，系统条件作为实体的输出信号。同时，为实体设计一个输入端口ｓｙｓＳＴＡＲＴ，使系统上电复位。当ｓｙｓＳＴＡＲＴ触发时赋予系统初始标识，系统资源（Ｔｏｋｅｎ）流动使能。下面是具体的ＶＨＤＬ实体描述。 ＬＩＢＲＡＲＹ ＩＥＥＥ ＵＳＥ ＩＥＥＥ．ＳＴＤ＿ＬＯＧＩＣ＿１１６４．ＡＬＬ ……其它库 ＥＮＴＩＴＹ ＭａｉｎＣｔｒｌ ＩＳ ＰＯＲＴｓｙｓＳＴＡＲＴ： ＩＮ 数据类型 事件：ＩＮ数据类型 条件：ＯＵＴ数据类型 ＥＮＤ ＭａｉｎＣｔｒｌ ＩＳ 构造体部分定义了设计单元的具体构造和操作（行为）。 Ｃ／Ｅ系统模型的拓扑结构直观地表达了条件和事件间的约束机制。这种约束机制映射为控制器内部各模块之间的逻辑关系。根据控制器Ｃ／Ｅ系统模型的特点，可采用多进程结构描述Ｃ／Ｅ系统。进程内部顺序执行，进程之间并发执行。多进程结构是并行执行进程的网络，多个进程并发执行。因此从Ｃ／Ｅ系统的拓扑结构，可将各进程映射为Ｃ／Ｅ系统的各库所状态，从而能够描述出各条件库所间的异步并发关系。各进程之间通过接口信号进行通信。接口信号是由新变化的参量引导进程产生的输出结果。设计进程的程序，使之产生的输出结果成为新的库所状态，从而影响变迁触发（ｆｉｒｅ）条件，以各进程的输出结果作为进程间的通信接口信号。具体描述如下： ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ ｂｅｈａｖ ＯＦ ＭａｉｎＣｔｒｌ ＩＳ ＢＥＧＩＮ 进程Ｒｉ：ＰＲＯＣＥＳＳ（事件集） ｉ∈１，１４ ＢＥＧＩＮ Ｐｉ＜＝ 进程Ｒｉ的输出； …… ＥＮＤ ＰＲＯＣＥＳＳ Ｒｉ ．．．．．． ＥＮＤ ｂｅｈａｖ 冲突是由系统资源的共享产生的，与并发是一对对偶的概念１。在实际的Ｐｅｔｒｉ网模型中可能存在冲突Ｋ＝＜Ｐｉ，Ｔ１Ｔ２……，Ｍ＞，网系统自身并不提供解决冲突的方法。避免冲突的方法或措施有： （１）由用户选择，有冲突的地方通常是需要作出选择和决策的地方。 （２）设置合适的触发规则：确定性产生规则，如优先级；不确定性产生规则，如发生概率。 （３）改变系统结构，即改写Ｐｅｔｒｉ网的关联矩阵，增加共享资源回收。 ＶＨＤＬ语言中的并行语句同样不能解决冲突问题。使用ＶＨＤＬ并行语句描述冲突时将导致资源的丢失。而使用ＶＨＤＬ语言中的顺序语句，如进程内部的语句，采用设定不同优先级的方法，可以解决Ｐｅｔｒｉ网中存在的冲突。本控制器Ｃ／Ｅ系统也存在冲突现象，如图３所示。 对每个库所Ｐｉ进程的变化（Ｔｏｋｅｎ的有无），使用电平的高低来表征。事件发生与否，用脉冲出现与否表征。该Ｃ／Ｅ系统的结构体共有１４个并行处理的进程。根据对控制器进行形式描述的思想，在进程内部采用下列结构： 进程Ｒｉ：ＰＲＯＣＥＳＳ（事件参数表） ｉ∈１，１４ …… ＩＦ＜条件表达式＞ ＴＨＥＮ ＜行为表达式＞ ＥＮＤ ＩＦ； ＥＮＤ ＰＲＯＣＥＳＳ 进程Ｒｉ； 事件参数表（也称敏感量）中事件触发进程的执行过程是：在判断事件的＜条件表达式＞为真后，顺序执行其后的＜行为表达式＞，由新变化的参量引导进程产生输出结果；执行完进程语句后，返回进程的事件参数，等待事件集新的变化，引发进程的再一次进行，往复循环。 图4 顶层模块时序仿真 ４ 基于ＶＨＤＬ的仿真与ＣＰＬＤ实现 ＶＨＤＬ语言设计技术齐全，方法灵活，支持广泛，对系统硬件描述能力强，具有多层次描述系统硬件的能力，可以从系统的数学模型直到门级电路。对控制器的Ｐｅｔｒｉ网模型进行ＶＨＤＬ程序设计后，利用综合器进行逻辑综合和优化，综合后再经仿真器进行时序仿真，得到涉及器件硬件特性的仿真结果，其结果正确。最后下载到Ａｌｔｅｒａ系列的ＥＰＭ７１２８ＳＴＣ－６芯片上，从而实现视频输入卡逻辑控制器设计。行为仿真结果的仿真波形如图４所示。 将Ｐｅｔｒｉ网与ＥＤＡ技术结合，对视频输入卡逻辑控制器用Ｐｅｔｒｉ网的Ｃ／Ｅ系统建模，并使用ＶＨＤＬ对协议的Ｃ／Ｅ系统模型进行程序设计，最后由ＣＰＬＤ器件实现控制器模型，使之成为实际的逻辑控制电路。这为硬件电路的高层综合设计提供了一种方法，也为软件系统和硬件系统开辟了一条沟通的渠道。对于其它具有多因素、动态和并发特点的系统，同样可用Ｐｅｔｒｉ网建立模型，用ＣＰＬＤ器件对模型进行仿真和实现。