VHDL - FSM 未启动（仅在时序仿真中）

我正在写我的硕士论文，而且我对 VHDL 还很陌生，但我仍然必须实现一些复杂的东西。这是我必须编写的最简单的结构之一，但我仍然遇到了一些问题。

它是一个 FSM，采用低电平有效同步信号（用于对 DAC 进行编程）实现 24 位移位寄存器。这只是我为项目创建的复杂细化链的末端。我尽可能地遵循 FSM 的示例模型。

行为模拟工作得很好，实际上，就行为模拟而言，我创建的整个细化链工作得非常好。然而，一旦我尝试翻译后模拟，事情就开始出错：大量“X”输出信号。

使用这个简单的移位寄存器，我没有得到任何“X”，但是我无法进入 load_and_prepare_data 阶段。似乎 current_state 发生了变化（通过检查一些信号），但详细说明没有继续。

请记住，由于我是这门语言的新手，所以我不知道应该在此 FSM 上设置什么时序约束（而且我也不知道如何将它们写在 top.ucf 上）

你能看出出了什么问题吗？ 提前致谢

EDIT

我听从了您的建议，并使用单一状态进程清理了 FSM。我仍然对“在哪里放置什么”有些疑问，但我真的很喜欢新的实现。不管怎样，我现在得到了一个干净的行为模拟，但在翻译后模拟的所有输出上都是“X”。 是什么原因造成的？ 我将发布新代码和测试平台：

----------------------------------------------------------------------------------
-- Company: 
-- Engineer: 
-- 
-- Create Date:    14:44:03 11/28/2014 
-- Design Name: 
-- Module Name:    dac_ad5764r_24bit_sr_programmer_v2 - Behavioral 
-- Project Name: 
-- Target Devices: 
-- Tool versions: 
-- Description: This is a PISO shift register that gets a 24bit parallel input word.
--              It outputs the 24bit input word starting from the MSB and enables
--              an active low ChipSelect line for 24 clock periods.
-- Dependencies: 
--
-- Revision: 
-- Revision 0.01 - File Created
-- Additional Comments: 
--
----------------------------------------------------------------------------------
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

-- Uncomment the following library declaration if using
-- arithmetic functions with Signed or Unsigned values
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;

-- Uncomment the following library declaration if instantiating
-- any Xilinx primitives in this code.
--library UNISIM;
--use UNISIM.VComponents.all;

entity dac_ad5764r_24bit_sr_programmer_v2 is
    Port ( clk : in  STD_LOGIC;
           start : in  STD_LOGIC;
           reset : in  STD_LOGIC; -- Note that this reset is for the FSM not for the DAC
           reset_all_dac : in STD_LOGIC;
           data_in : in  STD_LOGIC_VECTOR (23 downto 0);
           serial_data_out : out  STD_LOGIC;
           sync_out : out  STD_LOGIC; -- This is a chip select
           reset_out : out STD_LOGIC;
           busy : out STD_LOGIC
         );
end dac_ad5764r_24bit_sr_programmer_v2;

architecture Behavioral of dac_ad5764r_24bit_sr_programmer_v2 is

-- Stati
type state_type is (idle, load_and_prepare_data, transmission);
--ATTRIBUTE ENUM_ENCODING : STRING; 
--ATTRIBUTE ENUM_ENCODING OF state_type: TYPE IS "001 010 100";
signal state: state_type := idle;
--signal next_state: state_type := idle;

-- Clock counter
--signal clk_counter_enable : STD_LOGIC := '0';
signal clk_counter : unsigned(4 downto 0) := (others => '0');

-- Shift register
signal stored_data: STD_LOGIC_VECTOR (23 downto 0) := (others => '0');

begin

FSM_single_process: process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        if reset = '1' then
            serial_data_out <= '0';
            sync_out <= '1';
            reset_out <= '1';
            busy <= '0';
            state <= idle;
        else
            -- Default
            serial_data_out <= '0';
            sync_out <= '1';
            reset_out <= '1';
            busy <= '0';

            case (state) is
                when transmission =>
                    serial_data_out <= stored_data(23);
                    sync_out <= '0';
                    busy <= '1';
                    clk_counter <= clk_counter + 1;
                    stored_data <= stored_data(22 downto 0) & "0";
                    state <= transmission;
                    if (clk_counter = 23) then
                        state <= idle;
                    end if;
                when others => -- Idle
                    if start = '1' then
                        serial_data_out <= data_in(23);
                        sync_out <= '0';
                        reset_out <= '1';
                        busy <= '1';
                        stored_data <= data_in;
                        clk_counter <= "00001";
                        state <= transmission;
                    end if;
            end case;

--            if (reset_all_dac = '1') then
--              reset_out <= '0';
--          end if;
        end if;
    end if;
end process;


end;

和测试台：

LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.ALL;

-- Uncomment the following library declaration if using
-- arithmetic functions with Signed or Unsigned values
--USE ieee.numeric_std.ALL;

ENTITY dac_ad5764r_24bit_sr_programmer_tb IS
END dac_ad5764r_24bit_sr_programmer_tb;

ARCHITECTURE behavior OF dac_ad5764r_24bit_sr_programmer_tb IS 

    -- Component Declaration for the Unit Under Test (UUT)

    COMPONENT dac_ad5764r_24bit_sr_programmer_v2
    PORT(
         clk : IN  std_logic;
         start : IN  std_logic;
         reset : IN  std_logic;
         data_in : IN  std_logic_vector(23 downto 0);
         serial_data_out : OUT  std_logic;
         reset_all_dac : IN std_logic;
         sync_out : OUT  std_logic;
         reset_out : OUT  std_logic;
         --finish : OUT  std_logic;
         busy : OUT  std_logic
        );
    END COMPONENT;


   --Inputs
   signal clk : std_logic := '0';
   signal start : std_logic := '0';
   signal reset : std_logic := '0';
   signal data_in : std_logic_vector(23 downto 0) := (others => '0');
   signal reset_all_dac : std_logic := '0';

    --Outputs
   signal serial_data_out : std_logic;
   signal sync_out : std_logic;
   signal reset_out : std_logic;
   --signal finish : std_logic;
   signal busy : std_logic;

   -- Clock period definitions
   constant clk_period : time := 100 ns;

BEGIN

    -- Instantiate the Unit Under Test (UUT)
   uut: dac_ad5764r_24bit_sr_programmer_v2 PORT MAP (
          clk => clk,
          start => start,
          reset => reset,
          data_in => data_in,
          reset_all_dac => reset_all_dac,
          serial_data_out => serial_data_out,
          sync_out => sync_out,
          reset_out => reset_out,
          --finish => finish,
          busy => busy
        );

   -- Clock process definitions
   clk_process :process
   begin
        clk <= '0';
        wait for clk_period/2;
        clk <= '1';
        wait for clk_period/2;
   end process;


   -- Stimulus process
   stim_proc: process
   begin        
      -- hold reset state for 100 ns.
      wait for clk_period*10;
      reset <= '1' after 25 ns;
      wait for clk_period*1;
      reset <= '0' after 25 ns;
      wait for clk_period*3; 
      reset_all_dac <= '1' after 25 ns;
      wait for clk_period*1;
      reset_all_dac <= '0' after 25 ns;
      wait for clk_period*5; 
      data_in <= "111111111111111111111111" after 25 ns;
      wait for clk_period*3;
        start <= '1' after 25 ns;
      wait for clk_period*1;
        start <= '0' after 25 ns;


      wait;
   end process;

END;

UPDATE 1

使用最后的设计进行更新：此代码不会导致任何“X”（无法弄清楚为什么，这不会，但上一个会导致）。然而，它并没有像前 3 个进程机器一样启动（在 POST-TRANSLATE 模拟中），并且信号sync_out 停留在 0，而默认情况下它应该为“1”。

UPDATE 2

我一直在研究技术原理图，从sync_out = 0的问题开始：它是用FDS实现的，S是FSM重置信号，D来自LUT3，其中I =状态&重置&开始并且INIT = 45 =“00101101 ”。我在模拟中寻找了这个 LUT3，我注意到它有初始化=“00000000”!

关于如何运行此模拟，我是否缺少某些内容？看来设计中的每一个LUT都没有设置好！

UPDATE 3 It seems that the Post-Translate simulation is buggy in some way, or I'm not configuring it correctly for some reason: the Post-Map and the Post-PAR simulations work and display some outputs. However there is an odd bug: the stored_data register is not updated with the complete data_in vector, after that, the FSM operates correctly and outputs the data stored. I've looked in the tecnology schematic just after synthesis and for some reason the bits 23,22,21,19,18 are not connected to the corresponding data_in bit. You can see the effect in this screenshot from Post-Map simulation. Same happens in Post-PAR, but it seems that this problems comes directly from the synthesis!

Solved：奇怪的输出来自综合优化。该工具意识到，对于这些特定位，精化链中的前一个块永远不会输出与 0 不同的位。我的错误在于假设我可以单独测试单个模块：我真正测试的是为 FPGA 综合的模块，同时考虑了设计中的其他所有内容！

感谢大家对我的帮助，我会听从你们的建议！

我更喜欢状态机的单进程形式，它更干净、更简单，并且更不容易出现敏感度列表错误等错误。我也赞同佩贝尔斯出色回答中的观点。但我认为这些都不是这里的问题。

在合成后和 PAR 后模拟中需要注意的一件事是，它们的时间模型与行为模型不同。行为模型遵循我在中描述的简单规则这个答案 https://stackoverflow.com/questions/13954193/is-process-in-vhdl-reentrant/13956532#13956532并确保在典型的设计流程中，您可以直接进入硬件 - 无需合成后仿真，无需担心。

事实上，如果我正在追踪可疑的工具错误，我只会使用合成后或 PAR 后模拟。 （对于 FPGA 设计，而不是 ASIC！）

然而，这种简单的时序模型有其局限性。您可能熟悉诸如通过信号分配分配的时钟信号（通常隐藏在您不希望的第三方模型中）之类的问题，它会消耗增量周期，并确保您的时钟数据到达before你的时钟而不是after，随后一切都会比预期早一个周期发生......

在行为建模中，一点点纪律就可以避免这些麻烦。但 PAR 后建模却并非如此。

您的测试平台的设置方式可能与行为模型相同。如果是这样，那很可能就是问题所在。

这就是我在这种情况下所做的：我没有正式的权威，只是经验。当将 FPGA 连接到具有实际时序的外部存储器模型时，它也能很好地工作。

1）我假设简单（行为）时序模型对于设计内部的所有信号都能正确工作。

2）我对设计的输入和输出没有任何假设。

3) 我记下输入上的估计建立和保持时序，(a) 来自 FPGA 数据表或更好的数据表，(b) 来自合成后或 PAR 报告中显示的最坏情况值，并构建试验台在他们旁边。 工作示例：建立时间 1 ns，保持时间 2 ns，时钟周期 10 ns。这意味着时钟沿后 2 ns 到 9 ns 之间的任何输入都保证能被正确读取。我（任意）选择 5 ns。

signal_to_fpga <= driving_value after 5 ns;

（请注意，Xilinx 通过将它们表示为“之前/之后的偏移输入/输出”来使这一点荒谬地违反直觉，这将时序指的是前一个或未来的时钟边沿，而不是您正在查看的时钟边沿）

或者，如果输入来自现实世界中的 CPU 或内存，我会使用该设备的数据表时序规范。

4) 我记下数据表或报告中报告的最坏情况 clk-out 时序，并构建design在他们旁边。 （比如说，7 纳秒）

fpga_output_pin <= driving_value after 7 ns;

请注意，这个“after”子句显然被综合忽略了；然而，后合成器反注释将引入非常类似的东西。
5）如果结果证明这还不够好，那么（可能在包装器组件中以避免污染可综合代码）提高准确性，例如

fpga_output_pin <= 'X' after 1 ps, driving_value after 7 ns;

6）我重新运行行为模拟。通常，它现在会失败，因为它是在没有考虑实际时间的情况下编写的。

7）我修复这些故障。这可能包括在测试设计输出值之前添加实际延迟。它可以是一个迭代过程。

现在，我有一个合理的期望，即 PAR 后仿真模型将直接进入测试平台并工作。