FPGA三段式描述狀態(tài)機(jī)是否完全正確？FPGA三段式描述有沒有思維陷阱呢？讓我們一起來解讀一下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,，國內(nèi)外各位大牛都已經(jīng)說的很多了，大致可歸為以下三點(diǎn):

　　1.將組合邏輯和時(shí)序邏輯分開,，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)更簡潔。

　　對于第一點(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,，他們對這種開發(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)面說明了,，對一部人來說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。

　　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)起來很簡單,，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

　　看似代碼好像沒有什么問題，但從輸出波形可以看出,，q沒有正確輸出,。

　　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沒有變化,，在將一段式改為三段式的過程中,，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)對三段式狀態(tài)機(jī)的認(rèn)知缺陷構(gòu)成。

　　1.書本網(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，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),，無法用同一個(gè)輸入信號即觸發(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)覺得這種方式?jīng)]有一段式直觀，數(shù)據(jù)手冊標(biāo)明的協(xié)議只有寫和讀兩個(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,；另一些人會(huì)覺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)問題延展開，目前網(wǎng)站書籍中講解狀態(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)劃分問題,，直接用moor型就ok了,，不過，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)的輸出都寫在同一個(gè)狀態(tài)里，這種習(xí)慣會(huì)傾向于寫成一段式或者mealy型,；

　　一幫人覺得如果一個(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,，分析能力也越來越強(qiáng),，越來越聰明，減少開發(fā)者的經(jīng)驗(yàn)門檻,，按這種趨勢,，前者和后者的性能差異也會(huì)逐年縮小。從維護(hù)升級的方面考慮,，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,，對代碼理解上面，本來就存在兩種不同的思維習(xí)慣,，只能智者見智了,。

　　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，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的簡寫語法減少代碼量,，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,，這就無法利用上述的case的簡寫語法了,，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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