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一個嵌入式系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型與CPLD實現(xiàn)
摘要：將Ｐｅｔｒｉ網(wǎng)與ＶＨＤＬ結合，運用Ｐｅｔｒｉ網(wǎng)建立硬件系統(tǒng)模型，然后采用ＶＨＤＬ語言進行設計，最終下載到ＣＰＬＤ，成功地實現(xiàn)了整個硬件系統(tǒng)的邏輯控制器設計。Ｐｅｔｒｉ網(wǎng)是異步并發(fā)系統(tǒng)，沒有人為的控制流，直觀地表示了非確定性；且可以圖形化的方式描述復雜的系統(tǒng)，并可運用數(shù)學工具進行分析。因此，其在軟件系統(tǒng)的建模與仿真中得到廣泛應用。Ｐｅｔｒｉ網(wǎng)自身具備的可運行性方便了系統(tǒng)形式化描述級的模擬，可以用于表達不同抽象級上的系統(tǒng)概念并清楚地描述整個系統(tǒng)的運作過程。筆者發(fā)現(xiàn)Ｐｅｔｒｉ網(wǎng)的應用目前僅局限于軟件系統(tǒng)的設計，例如網(wǎng)絡協(xié)議、物流管理等，而在硬件系統(tǒng)中卻很少涉足。硬件系統(tǒng)隨著功能的日益增強，其功能描述也越來越復雜�；谟布到y(tǒng)描述的ＶＨＤＬ語言以其強大的硬件描述能力，已被廣大科研工作者所采用。ＶＨＤＬ語言也適用于描述異步并發(fā)系統(tǒng)，因此可與Ｐｅｔｒｉ網(wǎng)建立的模型聯(lián)系起來。
本文采用自頂向下與層次分析相結合的設計方法?用Ｐｅｔｒｉ網(wǎng)的一個子類Ｃ／Ｅ系統(tǒng)（條件／事件系統(tǒng)）對視頻輸入卡的邏輯控制器建立模型。針對控制器Ｃ／Ｅ模型中關心和需要觀察的變量，確定ＶＨＤＬ描述的實體和端口，由Ｃ／Ｅ系統(tǒng)網(wǎng)的拓撲結構確定條件和事件間的邏輯關系，構造ＶＨＤＬ語言中的結構體。采用ＥＤＡ開發(fā)工具ＭＡＸ＋ＰＬＵＳ ＩＩ進行代碼設計，邏輯綜合，并對設計進行仿真，最后下載到ＣＰＬＤ，驗證了邏輯控制器設計的正確性。
圖1 視頻輸入卡結構框圖
１ 應用背景及控制器功能要求
圖１為某一視頻輸入卡結構框圖。前端視頻信號經過解碼、緩沖后，將數(shù)據(jù)送入ＤＳＰ處理。其中由邏輯控制器協(xié)調各部分之間的運作。從圖１中可以看出，邏輯控制器與視頻切換、視頻解碼、視頻數(shù)據(jù)緩存以及ＤＳＰ等部分存在聯(lián)系，歸納起來需要完成五個基本功能：視頻通道切換控制；插入行標志信息；ＦＩＦＯ的初始化操作；寫ＦＩＦＯ；讀ＦＩＦＯ。
要完成上述五個基本功能，必須保證每個功能與另一功能之間不存在沖突，但允許存在并發(fā)行為，同時它們之間的邏輯順序應保持一致。因此需要一個主控模塊協(xié)調各部分的操作。各功能部分之間的邏輯關系比較復雜，涉及到圖像數(shù)據(jù)的行同步以及場同步等問題，一旦出錯，則接收的就不是有效的圖像數(shù)據(jù)，后續(xù)工作也不能正常進行。為此，首先建立Ｐｅｔｒｉ網(wǎng)模型，并運用數(shù)學工具進行分析，最后采用ＶＨＤＬ語言實現(xiàn)。
２ 控制器Ｐｅｔｒｉ網(wǎng)模型
應用Ｐｅｔｒｉ網(wǎng)的一個子類Ｃ／Ｅ建立視頻輸入卡的邏輯控制器模型�？刂破鲗崿F(xiàn)的五大功能，在滿足各自條件的情況下，能夠正確地完成相關操作。如果將每個功能展開進行Ｐｅｔｒｉ網(wǎng)模型設計，將會使整個Ｃ／Ｅ系統(tǒng)的節(jié)點過多。節(jié)點一多，則不易分析其性質和計算它的可達樹、不變量等參數(shù)。Ｐｅｔｒｉ網(wǎng)特有的直觀易懂、適于交流的圖形表示也就失去了意義。采用層次分析的方法，首先在頂層根據(jù)各功能要求建立一個Ｐｅｔｒｉ網(wǎng)模型，然后在各個模塊內部建立更詳細的子模型。鑒于頂層和底層的分析方法類似，只將頂層模型展開討論。網(wǎng)絡的一些動態(tài)特性，如庫所與變遷的含義如表１所示。
表1 庫所和變遷的含義
邏輯控制器頂層Ｐｅｔｒｉ網(wǎng)模型如圖２所示。該模型是一個基本網(wǎng)系統(tǒng)，其狀態(tài)元素稱為條件，變遷元素稱為事件。事件的發(fā)生改變條件的狀態(tài)（成真與否），引起信息在網(wǎng)上的流動?１?。由條件和事件組成的有向網(wǎng)通常表現(xiàn)為三元組（Ｂ，Ｅ；Ｆ），其中Ｂ為條件集，Ｅ為事件集。同時該模型還滿足如下條件：
·（Ｂ，Ｅ；Ｆ）為簡單網(wǎng)；
·Ｂ中每個條件都有機會成真，也有機會成假；
·Ｅ中每個事件都有機會發(fā)生；
·由初始情態(tài)ｃｉ導出的可達情態(tài)集是完全可到達關系Ｒ下的等價類。
因此，該模型還是一個Ｃ／Ｅ系統(tǒng)。在Ｐｅｔｒｉ網(wǎng)仿真軟件Ｖｉｓｕａｌ Ｏｂｊｅｃｔ Ｎｅｔ＋＋中進行仿真測試，結果表明該模型能很好地描述控制器各部分之間的邏輯關系。
３ ＶＨＤＬ程序的基本單元設計
ＣＰＬＤ（復雜可編程邏輯器件）是處于并行工作方式的基本電路單元構成的高速、大規(guī)模集成器件，可作為一種并發(fā)系統(tǒng)模型與Ｐｅｔｒｉ網(wǎng)建立聯(lián)系。ＶＨＤＬ作為一種硬件描述語言，支持行為描述、數(shù)據(jù)流描述和結構化描述等多種描述方法，可以用并行和順序多種語句方式描述實際的系統(tǒng)，并可采用ＶＨＤＬ的并行語句描述Ｃ／Ｅ系統(tǒng)中條件／事件間的并發(fā)關系，用ＶＨＤＬ的順序語句描述條件／事件間的順序約束機制，為解決Ｃ／Ｅ系統(tǒng)中的有效沖突提供了可行的方法。
ＶＨＤＬ語言程序設計的基本單元稱為一個基本設計實體，其主要由實體說明（ｅｎｔｉｔｙ ｄｅｃｌａｒａｔｉｏｎ）和構造體（ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｂｏｄｙ）兩部分構成。實體說明部分規(guī)定了設計單元的輸入輸出接口信號或引腳。根據(jù)該控制器的Ｃ／Ｅ系統(tǒng)中關心和需觀察的變量選擇系統(tǒng)的輸入和輸出信號，以確定基本設計單元的實體及其端口。在控
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