基于VHDL的Petri網系統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)

1 引言?

Petri網是一種系統(tǒng)的、數(shù)學的和圖形的描述和分析工具[1],隨著超大規(guī)模集成電路FPGA和CPLD的發(fā)展,Petri網的硬件實現(xiàn)成為可能,而基于Petri網的邏輯控制器的邏輯電路實現(xiàn)方法成為最近幾年的研究熱點[2]。在目前的Petri網硬件實現(xiàn)的研究中,主要給出了petri網C/E系統(tǒng)和P/T系統(tǒng)的幾種實現(xiàn)方法,但主要存在如下缺點:1)使用基本門電路和觸發(fā)器用圖形法自底向上實現(xiàn)了Petri網基本元件庫所與變遷。這種設計方法的最大缺點是不易于任意修改邏輯電路設計。2)用VHDL語言實現(xiàn)了整體電路設計的軟件化,但未形成模塊化的Petri網元件。

VHDL語言由于其其強大的行為描述能力及與硬件行為無關的特性,被廣泛的用于數(shù)字系統(tǒng)設計,實現(xiàn)了硬件電路設計的軟件化,成為實現(xiàn)Petri網邏輯控制器的有力的工具。用VHDL語言進行數(shù)字電路設計的很大的優(yōu)勢是其自頂向下的設計方法,可以充分的實現(xiàn)電路的層次化設計,從而很方便的修改頂層的控制器電路。本文分別用VHDL語言研究了幾種Petri網系統(tǒng)的硬件實現(xiàn),包括同步PN、時延PN,尤其是高級網系統(tǒng)有色PN。在當前的研究中有色Petri網的硬件實現(xiàn)是一個難點。

2 同步Petri網的實現(xiàn)

2.1同步Petri網簡介

定義1 [1]同步PN是一個三元組。其中
R是一已標識的PN
E是外界事件集
Sync是從R的變遷集到事件集的函數(shù)。
在同步PN中,每個變遷總是與一個事件相聯(lián)系,當變遷是使能的,且與變遷聯(lián)系的事件發(fā)生時,產生變遷的激發(fā)。

2.2同步Petri網的元件實現(xiàn)

元件P_M實現(xiàn)了基本的同步Petri網系統(tǒng)(如圖1(a))中的庫所模塊,庫所P具有兩個輸入變遷和兩個輸出變遷,且每個變遷均與外部事件有關。當庫所P中沒有托肯且?guī)焖鵓0或P1中有托肯時,外部事件E發(fā)生,變遷t0或t1激發(fā),則托肯從庫所P0或P1移動到庫所P;當P中有托肯且?guī)焖鵓2或P3中沒有托肯時,外部事件E發(fā)生,變遷t2或t3激發(fā),則托肯從庫所P移動到庫所P2或P3;元件P_M(如圖1(b))是在EDA軟件Max＋PlusⅡ中采用VHDL語言描述,經過編譯、仿真后形成模塊并存放與元件庫中的。它有兩個輸入變遷in1,in2和兩個輸出變遷out1,out2,當變遷激發(fā)時,其值為邏輯1,否則為邏輯0;reset為復位信號,用來設置庫所的初始狀態(tài)。clk為全局時鐘。P的值表示庫所中是否含有托肯,若含有托肯,取值為邏輯1,否則為邏輯0。

變遷元件T_M(如圖1(d)),具有兩個輸入庫所P0和P1,兩個輸出庫所P2和P3,且受外部事件x的控制,如圖1(c)所示,其激發(fā)規(guī)則是當庫所P0和P1中有托肯,而庫所P2和P3中沒有托肯,且事件x發(fā)生時,變遷激發(fā)。變遷元件T_M 輸入端in1,in2,out1,out2分別表示輸入庫所和輸出庫所中含有托肯的狀態(tài),若含有托肯,則取值為邏輯1,否則為邏輯0,x是外部事件。T表示變遷的激發(fā)狀態(tài),若可激發(fā)則取值為邏輯1。

用VHDL語言描述部分源程序如下:
architecture beh of t_m is
signal t0: std_logic;
begint=x and in1 and in2 and (not out1) and (not out2);end beh;
庫所元件P_M和變遷元件T_M均存放在Max＋PlusⅡ中建立的元件庫中,是可以調用使用的。