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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