CN103093046A - 一种将FPGA硬件描述语言VHDL转化为普通Petri网的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种将FPGA硬件描述语言VHDL转换为普通Petri网的方法，针对编译好的VHDL程序，得到输入输出之间的逻辑关系，将输入输出之间的逻辑关系式化简为V2P布尔表达式，将V2P布尔表达式变形，利用变形后的布尔表达式转换为普通Petri网；本发明提供了VHDL程序的建模方法，是FPGA硬件描述语言VHDL的仿真和验证的有力工具。

Description

一种将FPGA硬件描述语言VHDL转化为普通Petri网的方法

技术领域

本发明涉及一种将FPGA硬件描述语言VHDL转为普通Petri网的方法。

背景技术

FPGA(Field－Programmable Gate Array)是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。目前以硬件描述语言（VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速地烧录至FPGA上进行测试。FPGA（现场可编程逻辑器件）产品的主要应用领域有通信、消费电子、汽车电子、工业控制、测试测量等。随着技术要求的日渐提高，控制系统规模和结构复杂性增长日渐迅速。比如铁路交通控制系统，系统的状态个数随传感器和执行机构的数目呈现指数级的增长，若某一系统有n个传感器和执行机构，则这个系统状态有2ⁿ个，状态数非常庞大，所以FGPA面临着高计算复杂性的问题。

而高计算复杂性带来很多实际问题，比如：VHDL程序设计和程序调试工作量繁琐和巨大，芯片开发周期和成本不可调控；VHDL程序仿真无法验证每个状态（2ⁿ），无法保证程序的正确性和可靠性，而程序出错可能造成严重事故。为了避免上述一些问题的出现，我们需要开发FPGA硬件描述语言VHDL的软件验证方法，利用计算机来完成程序仿真和验证工作，降低程序开发成本，保证程序的正确性和可靠性。因此，需要将VHDL程序模拟为计算机数学模型，即将VHDL程序转换为一种计算机数学模型—-Petri网，以Petri网为工具对VHDL程序进行仿真和验证。Petri网是1960年代德国科学家卡尔·A·佩特里发明的，适合于模拟异步的、并发的动态系统，既有严格的数学表述方式，又有直观的图表达方式。

发明内容

本发明提供了一种将FPGA硬件描述语言VHDL转化为普通Petri网模型的方法。

一种将FPGA硬件描述语言VHDL转为普通Petri网的方法，包括如下步骤：

步骤1：针对编译成功的VHDL程序，在实体中找到该程序的输入X,输出Y，其中X_m,X_n∈X,Y,Y_k∈Y，得到关于输入输出的逻辑表达式,称为V2P公式：

其中

I,J,M,N∈{N⁺}，Y_k,

X_m,X_N代表布尔量或布尔量取反，且

步骤2：令V2P公式中的Y_k=L_k,X_m,n=W_m,n或L_m，n，其中L_k,W_m，n，L_m，n为布尔量或布尔量的逆，得到一个关于L和W的逻辑关系式（1），为V2P公式的变形：

步骤3：将关于L和W的逻辑关系式（1）转化为普通Petri网模型，具体步骤如下：

步骤3.1：用集合表示所有的传感器W_P和执行机构L_Q，传感器{W_p|W_p∈W_P,p,P∈N⁺}和执行机构{L_q|L_q∈L_Q,q,Q∈N⁺}；

步骤3.2：对于传感器，用一对库所

来表示它的两种状态，假设初始状态为

步骤3.3：首先令p=P；

步骤3.4：在

之间加上两个变迁，首先构造四条有向弧arc1、arc2、arc3、arc4分别由指向t₁，t₁指向指向t₂，t₂指向

步骤3.5：p=p-1；

步骤3.6：当p≠0时，转步骤3.4，当p=0时，所有传感器的模型都建立起来了；

步骤3.7：对于执行机构，用一对库所表示该执行机构的两种状态

假设初始状态为

步骤3.8：首先令q=Q；

步骤3.9：在

之间加入两个变迁，构造四条有向弧arc1、arc2、arc3、arc4分别由

指向t₁，t₁指向

指向t₂，t₂指向

步骤3.10：将V2P公式中Ψ_j的表达式对应到逻辑关系式(1)中，即这部分中的

与t₁之间用双向弧连接，其中 ${\stackrel{\‾}{W}}_n\∈W_P,$ ${\stackrel{\‾}{I}}_n\∈L_Q;$

步骤3.11：将V2P公式中Φ_i的表达式对应到逻辑关系式(1)中，即

这部分中的W_m,L_m与t₂之间用双向弧连接,其中W_m∈W_P，L_m∈L_Q；

步骤3.12：q=q-1,；

步骤3.13：当q≠0时，转步骤3.9，当q=0时，所有的执行机构的模型都建立起来了；

步骤3.14：将建立的传感器和执行机构的模型合并起来，得到完整的Petri网模型。

本发明实现了VHDL程序到普通Petri网模型的自动转换，由于普通Petri网激发条件简洁，逻辑思维方式简单，更直观易懂；而且所得Petri网模型能够完全模拟VHDL程序中状态的转换，便于对程序分析、纠错，使程序逻辑更为严谨。

附图说明

图1为本发明的工作流程图；

图2为本发明实施例一站点的Petri网模型；

图3为发明实施例一小车进站出站系统的Petri网模型；

图4为本发明实施例二单容水箱示意图；

图5为本发明实施例二单容水箱的Petri网模型。

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详述。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种将FPGA硬件描述语言VHDL转为普通Petri网的方法，具体包括如下步骤：

步骤1：针对编译成功的VHDL程序，在实体中找到该程序的输入X,输出Y，其中X_m,X_n∈X,Y,Y_k∈Y，得到关于输入输出的逻辑表达式,称为V2P公式：

其中 I,J,M,N∈{N⁺}，Y_k,

X_m,X_N代表布尔量或布尔量取反，且

步骤2：令公式中的Y_k=L_k,X_m,n=W_m,n或L_m，n，其中L_k,W_m，n，L_m，n为布尔量或布尔量的逆，得到一个关于L和W的逻辑关系式（1），为V2P公式变形：

步骤3：将关于L和W的逻辑关系式（1）转化为普通Petri网模型步骤如下：

步骤3.1：用集合表示所有的传感器W_P和执行机构L_Q，传感器{W_p|W_p∈W_P,p,P∈N⁺}和执行机构{L_q|L_q∈L_Q,q,Q∈N⁺}；

步骤3.2：对于传感器，用一对库所

来表示它的两种状态，假设初始状态为

步骤3.3：首先令p=P；

步骤3.4：在

之间加上两个变迁，首先构造四条有向弧arc1、arc2、arc3、arc4分别由

指向t₁，t₁指向

指向t₂，t₂指向

步骤3.5：p=p-1；

步骤3.6：当p≠0时，转步骤3.4，当p=0时，所有传感器的模型都建立起来了；

步骤3.7：对于执行机构，用一对库所表示该执行机构的两种状态

假设初始状态为

步骤3.8：首先令q=Q；

步骤3.9：在

之间加入两个变迁，构造四条有向弧arc1、arc2、arc3、arc4分别由

指向t₁，t₁指向

指向t₂，t₂指向

步骤3.10：将V2P公式中Ψ_j的表达式对应到逻辑关系式(1)中，即

这部分中的

与t₁之间用双向弧连接，其中 ${\stackrel{\‾}{W}}_n\∈W_P,$ ${\stackrel{\‾}{L}}_n\∈L_Q;$

步骤3.11：将V2P公式中Φ_i的表达式对应到逻辑关系式(1)中，即

这部分中的W_m,L_m与t₂之间用双向弧连接,其中W_m∈W_P，L_m∈L_Q；

步骤3.12：q=q-1,；

步骤3.13：当q≠0时，转步骤3.9，当q=0时，所有的执行机构的模型都建立起来了；

步骤3.14：将建立的传感器和执行机构的模型合并起来，得到完整的Petri网模型。

以下结合实施例来加深对上述步骤的理解。

实施例1：一辆小车从A站点开往B站点，经过A站点时触发A站点传感器，当小车行驶在A，B站点中间段的时候，不允许其他小车进入A站点，当小车到达B站点，触发B站点传感器，此时允许其他小车进入A站点。

步骤1：在已有的VHDL程序里面找到输入输出：X,Y，即输入为a,b；输出为c；

步骤2：得到关于a,b,c的逻辑表达式：c=aor((not b)and c)，其中a,b,c为布尔量，用‘+’代替‘or’，用‘*’代替‘and’，用‘-’代替‘not’，得到

步骤3：利用布尔量运算规则： $\left\{\begin{array}{c}A+B*C=(A+B)*(A+C)\\ A+\stackrel{\‾}{A}=1\\ A*C+B*C=(A+B)*C\end{array},\right.$ 化简为V2P公式： $c=\stackrel{\‾}{c}*a+c*(a+\stackrel{\‾}{b});$

步骤4：令L₀=c，W₁=a，W₀=b，则V2P公式变形为：

步骤5：用W₀表示站点A，W₁表示站点B，用一对库所p₁,p₂，即

表示站点A的两种状态，用一对库所p₃,p₄即

表示站点B的两种状态，在上述的两对库所之间分别加上两个变迁，t₀,t₁,t₂,t₃，用八条有向弧arc1-arc8连接库所和变迁，如图2所示： $\mathrm{arc}1:((W_{W_0},t_0),\mathrm{arc}2:(t_0,I_{W_0}),$ $\begin{array}{c}\mathrm{arc}3:((I_{W_0},t_1),\mathrm{arc}4:(t_1,W_{W_0}),\mathrm{arc}5:(W_{W_1},t_2),\mathrm{arc}6:(t_2,I_{W_1}),\mathrm{arc}7:(I_{W_1},t_3),\\ \mathrm{arc}8:(t_3,W_{W_1});\end{array}$

步骤6：用一对库所p₅,p₆即

表示A，B站点之间的路段红绿灯情况，

代表绿灯，可通车；

代表红灯，不可通车；

步骤7：在库所

之间加上一对变迁t₄,t₅，用四条有向弧连接，得到路段绿灯的状态

必须变迁t₅激发或变迁t₄不激发，利用V2P公式变形的形式，对变迁t₄，利用

公式，在t₅与

之间用双向弧连接，对变迁t₅，利用

公式，在t₄与

之间用双向弧连接，如图3所示；

步骤8：得到图3的Petri网模型后，利用其性质进行验证：

步骤8.1：小车进入A站点，传感器有信号，t₁激发，B站点无信号，t₂激发，则p₁中有标识，p₄中有标识，变迁t₄激发，路段处于红灯状态，不能允许下一辆小车进入A站点；

步骤8.2：小车离开A站点，传感器无信号，变迁t₀激发，标识回到p₂库所；

步骤8.3：小车在路段之间行驶时间内，路段始终处于红灯状态，即标识处于p₆库所内，

步骤8.4：小车到达B站点时，B站点传感器有信号，变迁t₃激发，标识从p₄内转移到p₃内，此时t₅变迁激发，标识从p₆中转移到p₅中，路段处于绿灯状态，表示下一辆小车可以进入A站点，与实际要求相符合，完成验证。

实施例2：单容水箱，传感器S，进水阀A，出水阀B，当水位到达S时，进水阀A关闭，出水阀B打开，当水位未到达S时，进水阀A打开，出水阀B关闭，如图4所示。

步骤1：在已有的VHDL程序里面找到输入输出X，Y，这个系统里面有两个输出c₁，c₂，输入为a；

步骤2：得到关于c₁,c₂,a的逻辑表达式：c₁=not a，c₂=a，用‘-’代表not，表达式变为：c₂=a；

步骤3：利用布尔量运算规则： $\left\{\begin{array}{c}A+B*C=(A+B)*(A+C)\\ A+\stackrel{\‾}{A}=1\\ A*C+B*C=(A+B)*C\end{array},\right.$ 化简为V2P公式： $c_1={\stackrel{\‾}{c}}_1*\stackrel{\‾}{a}+c_1*\stackrel{\‾}{a},$ $c_2={\stackrel{\‾}{c}}_2*a+c_2*a;$

步骤4：令L₁=c₁,L₂=c₂,W=a，则V2P公式变形为：

$L_2={\stackrel{\‾}{L}}_2*W+L_2*W;$

步骤5：用W表示传感器S，用一对库所p₁,p₂，即(W_W,I_W)表示传感器的两种状态，有信号和无信号状态，在这对库所之间加上两个变迁t₁，t₂，用四条有向弧连接库所和变迁；

步骤6：用一对库所p₃,p₄表示进水阀A的两种状态，即

表示进水阀打开，

表示进水阀关闭；

步骤7：在

之间加上变迁t₃，t₄，用四条有向弧连接库所和变迁，得到进水阀打开的状态，则变迁t₃激发或变迁t₄不能激发，利用V2P公式的变形公式

在变迁t₃与I_W之间加上双向弧，在变迁t₄与W_W之间加上双向弧；

步骤8：用一对库所p₅,p₆表示出水阀B的两种状态，即

表示出水阀打开，表示出水阀关闭；

步骤9：在

之间加上变迁t₅，t₆，用四条有向弧连接库所和变迁，得到进水阀打开的状态，则变迁t₅激发或t₆不能激发，利用V2P公式的变形公式

在变迁t₅与W_W之间加上双向弧，在变迁t₆与I_W之间加上双向弧，如图5所示；

步骤10：得到图5的Petri网模型后，利用其性质进行验证：

步骤10.1：当库所p₁有标识，即传感器有信号，水位上升到S点时，t₄,t₅激发，进水阀A关闭，出水阀B打开；

步骤10.2：当变迁t₂激发，水位为上升到S点时，p₂有标识，则t₃,t₆激发，进水阀A打开，出水阀B关闭，与实际要求相吻合，验证完毕。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种将FPGA硬件描述语言VHDL转为普通Petri网的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：针对编译成功的VHDL程序，在实体中找到该程序的输入X,输出Y，其中X_m,X_n∈X,Y,Y_k∈Y，得到关于输入输出的逻辑表达式,称为V2P公式：

其中

I,J,M,N∈{N⁺}，Y_k,

X_m,X_N代表布尔量或布尔量取反，且

步骤2：令V2P公式中的Y_k=L_k,X_m,n=W_m,n或L_m，n，其中L_k,W_m，n，L_m，n为布尔量或布尔量的逆，得到一个关于L和W的逻辑关系式（1），为V2P公式的变形：

步骤3：将关于L和W的逻辑关系式（1）转化为普通Petri网模型，具体步骤如下：

步骤3.1：用集合表示所有的传感器W_P和执行机构L_Q，传感器{W_p|W_p∈W_P,p,P∈N⁺}和执行机构{L_q|L_q∈L_Q,q,Q∈N⁺}；

步骤3.2：对于传感器，用一对库所

来表示它的两种状态，假设初始状态为

步骤3.3：首先令p=P；

步骤3.4：在

之间加上两个变迁，首先构造四条有向弧arc1、arc2、arc3、arc4分别由指向t₁，t₁指向指向t₂，t₂指向

步骤3.5：p=p-1；

步骤3.6：当p≠0时，转步骤3.4，当p=0时，所有传感器的模型都建立起来了；

步骤3.7：对于执行机构，用一对库所表示该执行机构的两种状态

假设初始状态为

步骤3.8：首先令q=Q；

步骤3.9：在

之间加入两个变迁，构造四条有向弧arc1、arc2、arc3、arc4分别由

指向t₁，t₁指向

指向t₂，t₂指向

步骤3.10：将V2P公式中Ψ_j的表达式对应到逻辑关系式(1)中，即

这部分中的

与t₁之间用双向弧连接，其中 ${\stackrel{\‾}{W}}_n\∈W_P,$ ${\stackrel{\‾}{L}}_n\∈L_Q;$

步骤3.11：将V2P公式中Φ_i的表达式对应到逻辑关系式(1)中，即

这部分中的W_m,L_m与t₂之间用双向弧连接,其中W_m∈W_P，L_m∈L_Q；

步骤3.12：q=q-1,；

步骤3.13：当q≠0时，转步骤3.9，当q=0时，所有的执行机构的模型都建立起来了；

步骤3.14：将建立的传感器和执行机构的模型合并起来，得到完整的Petri网模型。

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