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FPGA三段式狀態(tài)機(jī)的思維陷阱

2022-07-14
來(lái)源:FPGA設(shè)計(jì)論壇
關(guān)鍵詞: FPGA三段式 狀態(tài)機(jī)

FPGA三段式描述狀態(tài)機(jī)是否完全正確?FPGA三段式描述有沒(méi)有思維陷阱呢?讓我們一起來(lái)解讀一下FPGA三段式狀態(tài)機(jī)的思維邏輯。



       用三段式描述狀態(tài)機(jī)的好處,國(guó)內(nèi)外各位大牛都已經(jīng)說(shuō)的很多了,大致可歸為以下三點(diǎn):

  1.將組合邏輯和時(shí)序邏輯分開(kāi),利于綜合器分析優(yōu)化和程序維護(hù);

  2.更符合設(shè)計(jì)的思維習(xí)慣;

  3.代碼少,比一段式狀態(tài)機(jī)更簡(jiǎn)潔。

  對(duì)于第一點(diǎn),我非常認(rèn)可,后兩點(diǎn)在Clifford E. Cummings著的(Synthesizable Finite State Machine Design Techniques Using theNew SystemVerilog 3.0 Enhancements和The Fundamentals ofEfficient Synthesizable Finite State Machine Design using NC-Verilog andBuildGates)中多次提到,我并不完全贊同,下面談?wù)勎业囊恍┛捶ā?/p>

  先談?wù)劦诙c(diǎn)關(guān)于思維習(xí)慣。我發(fā)現(xiàn)有些人會(huì)有這樣一種習(xí)慣,先用一段式狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)功能,仿真ok后,再將其轉(zhuǎn)成三段式,他們對(duì)這種開(kāi)發(fā)方式的解釋是一段式更直觀,可以更便捷的構(gòu)建功能框架,但是大家都說(shuō)三段式性能會(huì)更好,所以最后又在搭好的邏輯框架下,將一段式轉(zhuǎn)化為了三段式。這從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明了,對(duì)一部人來(lái)說(shuō)一段式更符合他們的思維習(xí)慣,但當(dāng)已經(jīng)習(xí)慣了一段式的思維方式后,再要換用三段式時(shí),可就不這么容易了,一段式和三段式的寫(xiě)法之間存在著思維陷阱,特權(quán)同學(xué)也曾經(jīng)不小心在此失足過(guò)。

  舉一個(gè)例子,初始狀態(tài)是wr_st,q和p輸出都為0,當(dāng)計(jì)數(shù)器count計(jì)數(shù)到指定的數(shù)值10后,輸出結(jié)束信號(hào)end,狀態(tài)機(jī)接收到end有效后跳轉(zhuǎn)為 rd_st,同時(shí)輸出q變?yōu)?,在rd_st狀態(tài),如jump有效則跳轉(zhuǎn)到erase_st,如end有效p輸出0否則輸出1,用一段式實(shí)現(xiàn)起來(lái)很簡(jiǎn)單,如下所示。

  assign end = (count == 10);

  always @(posedge clk)

  begin

  case(state)

  wr_st:  if(end) begin

  q     <= 1;

  state<= rd_st;

  end

  else  begin

  q     <= 0;

  state<= wr_st;

  end

  rd_st:  if(jump) begin

  p     <=1;

  state<= erase_st;

  end

  elseif(end) begin

  p     <=  0;

  state<= rd_st;

  end

  else  begin

  p     <=  1;

  state<= rd_st;

  end

  ...

  endcase

  end

  狀態(tài)機(jī)一

  輸出波形如下所示。

  圖一

  換用三段式描述時(shí),有些人會(huì)寫(xiě)成這樣。

  always @(posedge clk or negedge rst)

  begin

  if(!rst) state <= wr_st;

  else     state <=nextstate;

  end

  always @(*)

  begin

  case(state)

  wr_st: if(end)  nextstate = rd_st;

  else     nextstate = wr_st;

  rd_st: if(jump) nextstate = erase_st

  else     nextstate = rd_st;

  ...

  end

  endcase

  always @(posedge clk)

  begin

  case(nextstate)

  wr_st: if(end) q <= 1;

  else    q<= 0;

  rd_st:  if(end) p <= 0;

  else   p <= 1;

  ...

  endcase

  end

  狀態(tài)機(jī)二

  看似代碼好像沒(méi)有什么問(wèn)題,但從輸出波形可以看出,q沒(méi)有正確輸出。

  圖二

  上圖中狀態(tài)轉(zhuǎn)移正確,但是q輸出錯(cuò)誤,nextstate由組合邏輯輸出,當(dāng)end有效后,nextstate立刻變?yōu)閞d_st,導(dǎo)致A時(shí)刻q沒(méi)有變化,在將一段式改為三段式的過(guò)程中,我們?nèi)员A袅艘欢问降乃季S習(xí)慣,想當(dāng)然的利用了end信號(hào)去控制狀態(tài)跳轉(zhuǎn),同時(shí)又控制了q的輸出,這種思維誤區(qū)由以下兩點(diǎn)對(duì)三段式狀態(tài)機(jī)的認(rèn)知缺陷構(gòu)成。

  1.書(shū)本網(wǎng)上大部分狀態(tài)機(jī)例程的第三段都是基于nextstate輸出的,很少看到有基于state輸出的,這就形成了一種思維定勢(shì),認(rèn)為三段式的第三段只能基于nextstate描述。

  2.當(dāng)三段式狀態(tài)機(jī)的輸出基于nextstate描述時(shí),無(wú)法用同一個(gè)輸入信號(hào)即觸發(fā)當(dāng)前狀態(tài)跳轉(zhuǎn),又控制當(dāng)前狀態(tài)輸出正確邏輯,上述例子中A時(shí)刻q的錯(cuò)誤輸出印證了這一點(diǎn),end可以觸發(fā)狀態(tài)從wr_st跳轉(zhuǎn)到rd_st,但無(wú)法同時(shí)讓q輸出1。

  有兩種解決辦法。

  第一種解決辦法是增加狀態(tài),將wr_st拆分為wr_st0和wr_st1兩個(gè)狀態(tài),end信號(hào)只控制狀態(tài)跳轉(zhuǎn),q的輸出跟隨wr_st0和wr_st1變化,第一段不變,如下所示

  always @(*)

  begin

  case(state)

  wr_st0: if(end)  nextstate = wr_st1;

  else     nextstate = wr_st0;

  wr_st1:             nextstate= rd_st;

  rd_st:  if(jump) nextstate = erase_st;

  else      nextstate = rd_st;

  ...

  end

  endcase

  always @(posedge clk)

  begin

  case(nextstate)

  wr_st0:          q<= 0;

  wr_st1:          q<= 1;

  rd_st: if(end) p <= 0;

  else   p <= 1;

  ...

  endcase

  end

  狀態(tài)機(jī)三

  更改后波形輸出正確,如圖一所示。有些人會(huì)覺(jué)得這種方式?jīng)]有一段式直觀,數(shù)據(jù)手冊(cè)標(biāo)明的協(xié)議只有寫(xiě)和讀兩個(gè)狀態(tài),為什么用三段式狀態(tài)機(jī)描述時(shí)還要增加一個(gè)狀態(tài)呢?反而有一種拼湊時(shí)序的感覺(jué);另一些人會(huì)覺(jué)得這種思維方式很自然,協(xié)議里只有兩個(gè)狀態(tài),但是每個(gè)狀態(tài)里又會(huì)有不同的輸出,根據(jù)輸入和輸出的不同可以將一個(gè)狀態(tài)解剖為多個(gè)細(xì)分狀態(tài),狀態(tài)分的越細(xì),越利于綜合工具分析優(yōu)化,但是狀態(tài)太多了也不利于人員的查看維護(hù)。將這個(gè)問(wèn)題延展開(kāi),目前網(wǎng)站書(shū)籍中講解狀態(tài)機(jī)的例子都以"狀態(tài)多,輸出少"為主,這種類(lèi)型的狀態(tài)機(jī),不用太多考慮狀態(tài)劃分問(wèn)題,直接用moor型就ok了,不過(guò),現(xiàn)實(shí)工作中我們還會(huì)遇到很多"狀態(tài)少,輸出多"的情況,那該如何劃分狀態(tài)呢?

  一幫人會(huì)覺(jué)得狀態(tài)少更直觀,使用盡量少的狀態(tài),把所有跟當(dāng)前狀態(tài)相關(guān)的輸出都寫(xiě)在同一個(gè)狀態(tài)里,這種習(xí)慣會(huì)傾向于寫(xiě)成一段式或者mealy型;

  一幫人覺(jué)得如果一個(gè)狀態(tài)里的輸出太多了不利于理解,會(huì)使用盡量多的狀態(tài),每一個(gè)狀態(tài)只對(duì)應(yīng)一種輸出,這種習(xí)慣會(huì)將狀態(tài)機(jī)傾向?qū)懗蒻oor型。

  如換用上文的例程,主張狀態(tài)少的幫派會(huì)寫(xiě)成一段式的狀態(tài)機(jī)一,或?qū)懗慑e(cuò)誤的狀態(tài)機(jī)二,主張多狀態(tài)的幫派會(huì)寫(xiě)成狀態(tài)機(jī)三,從性能方面考慮,后者將狀態(tài)細(xì)分的更清楚,綜合工具會(huì)更容易優(yōu)化分析,獲得更好的性能,但是綜合工具altera和xilinx每年都在更新,分析能力也越來(lái)越強(qiáng),越來(lái)越聰明,減少開(kāi)發(fā)者的經(jīng)驗(yàn)門(mén)檻,按這種趨勢(shì),前者和后者的性能差異也會(huì)逐年縮小。從維護(hù)升級(jí)的方面考慮,前者和后者的輸出都一樣,但是前者的狀態(tài)少,代碼會(huì)更少些,更利于查看,對(duì)代碼理解上面,本來(lái)就存在兩種不同的思維習(xí)慣,只能智者見(jiàn)智了。

  回到本例中,第二種解決辦法是,僅將狀態(tài)機(jī)二的第三段的nextstate換成state,其他兩段不變,如下所示。

  always @(posedge clk)

  begin

  case(state)

  wr_st: if(end) q <= 1;

  else       q<= 0;

  rd_st: if(end)  p <= 0;

  else       p<= 1;

  ...

  endcase

  end

  輸出波形和一段式相同,如圖一所示,三段式狀態(tài)機(jī)的第三段并沒(méi)有規(guī)定一定要基于nextstate輸出,只是主流資料在介紹三段式狀態(tài)機(jī)時(shí),多用moor型為例,moor型的特點(diǎn)是輸出僅由狀態(tài)決定,當(dāng)狀態(tài)變化時(shí),輸出立刻變化,如要實(shí)現(xiàn)輸出緊跟著狀態(tài)變化,第三段中就必須要基于nextstate輸出才可以,對(duì)比圖一和圖二B時(shí)刻,使用state時(shí),當(dāng)前狀態(tài)已經(jīng)變?yōu)閞d_st,輸出p滯后了一個(gè)時(shí)鐘才輸出,而使用nextstate時(shí),當(dāng)前狀態(tài)變?yōu)?rd_st的同時(shí)輸出p就變化了,再比較圖一和圖二的C時(shí)刻,在同一個(gè)狀態(tài)下,end有效后,兩者的p輸出都一樣,所以可得出,第三段使用nextstate和state的區(qū)別在于,當(dāng)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)時(shí),基于nextstate的輸出是立刻變化的,而基于state輸出會(huì)延遲一個(gè)周期,其他情況都一樣,應(yīng)該根據(jù)自己的時(shí)序要求,選擇用nextstate還是state。

  這里提到的三段式的思維陷阱,特權(quán)同學(xué)曾經(jīng)也不小心犯過(guò),所著的《深入淺出玩轉(zhuǎn)FPGA》的p40,漫談狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)一節(jié)中舉了sram的例子比較一段式和三段式的區(qū)別,一段式是可以按照程序正常運(yùn)行的,但是三段式的輸出在讀取的狀態(tài)下會(huì)和一段式略有不同,當(dāng)cstate進(jìn)入RD_S1時(shí),如果此時(shí)wr_req有效,cmd不會(huì)輸出3`b101,而是3`b111,問(wèn)題在于使用了 wr_req同時(shí)控制了RD_S1的跳轉(zhuǎn)和cmd輸出,RD_S2也存在同樣的問(wèn)題,如下所示。

  case(cstate)

  ...

  RD_S1: if(wr_req) nstate <=WR_S2;

  else         nstate <= RD_S2;

  RD_S2: if(wr_req) nstate <=WR_S1;

  else         nstate <= IDLE;

  ...

  endcase

  ...

  case(nstate)

  ...

  WR_S2: cmd <= 3'b111;

  RD_S1: if(wr_req)  cmd <=3'b101;

  else          cmd <= 3'b110;

  RD_S2: if(wr_req)  cmd <=3'b011;

  else         cmd <= 3'b111;

  ...

  endcase

  再回到開(kāi)篇,談?wù)劦谌c(diǎn)關(guān)于代碼量,Clifford E. Cummings在文中提到一段式狀態(tài)機(jī)會(huì)比三段式狀態(tài)機(jī)會(huì)多20%到80%的代碼量,并舉例證明。但是舉得例子都有一個(gè)特點(diǎn)"狀態(tài)多,輸出少",比如有 10種狀態(tài),但是輸出種類(lèi)只有5種,很多的狀態(tài)都是相同的輸出,這在第三段式描述時(shí)就可以利用case的簡(jiǎn)寫(xiě)語(yǔ)法減少代碼量,如下所示

  case (next)

  S0, S2, S4, S5 : ; // defaultoutputs

  S7             :   y3<= 1'b1;

  S1             :   y2<= 1'b1;

  S3             :begin

  y1<= 1'b1;

  y2<= 1'b1;

  end

  S8             :begin

  y2<= 1'b1;

  y3<= 1'b1;

  end

  S6,S9         : begin

  y1<= 1'b1;

  y2<= 1'b1;

  y3<= 1'b1;

  end

  endcase

  但是實(shí)際的狀態(tài)機(jī)中,還有很多是“狀態(tài)少,輸出多”的情況,每種狀態(tài)都會(huì)有不同的輸出,這就無(wú)法利用上述的case的簡(jiǎn)寫(xiě)語(yǔ)法了,再試著比較一下,一段式和三段式的輸出邏輯代碼量幾乎一樣,狀態(tài)轉(zhuǎn)移部分也差不多,但是在輸入判斷代碼量方面,一段式只用判斷一次可完成狀態(tài)轉(zhuǎn)移和輸出,對(duì)于mealy型,第二段和第三段都要判斷,這就肯定比一段式多了,對(duì)于moor型,第二段需要判斷一次,第三段雖然不用判斷但是為了實(shí)現(xiàn)相同的功能肯定要將狀態(tài)擴(kuò)展,相比一段式增加了不少的代碼量。所以不能一概而論一段式的代碼量就一定比三段式多,要視具體情況而定。

  


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