高速環(huán)境下的狀態(tài)機設計策略

狀態(tài)機設計規范

1. 使用一位有效的方式進(jìn)行狀態(tài)編碼

狀態(tài)機中狀態(tài)編碼主要有三種：連續編碼(sequential encoding)、一位有效(one-hot encoding)方式編碼以及不屬于這兩種的編碼。例如，對于一個(gè)5個(gè)狀態(tài)(State0～State4)的狀態(tài)機，連續編碼方式狀態(tài)編碼為：State0－000、State1－001、State2－010、State3－011、State4－100。一位有效方式為下為：State0－00001、State1－00010、State2－00100、State3－01000、State4－10000。對于自行定義的編碼則差別很大，例如試圖將狀態(tài)機的狀態(tài)位直接作為輸出所需信號，這可能會(huì )增加設計難度。

使用一位有效編碼方式使邏輯實(shí)現更簡(jiǎn)潔，因為一個(gè)狀態(tài)只需要用一位來(lái)指示，而為此增加的狀態(tài)寄存器數目相對于整個(gè)設計來(lái)說(shuō)可以忽略。一位有效至少有兩個(gè)含義：對每個(gè)狀態(tài)位，該位為1對應唯一的狀態(tài)，判斷當前狀態(tài)是否為該狀態(tài)，只需判斷該狀態(tài)位是否為1；如果狀態(tài)寄存器輸入端該位為1，則下一狀態(tài)將轉移為該狀態(tài)，判斷下一狀態(tài)是否為該狀態(tài)，只需判斷表示下一狀態(tài)的信號中該位是否為1。

2. 合理分配狀態(tài)轉移條件

在狀態(tài)轉移圖中，每個(gè)狀態(tài)都有對應的出線(xiàn)和入線(xiàn)，從不同狀態(tài)經(jīng)不同的轉移條件到該狀態(tài)的入線(xiàn)數目不能太多。以采用與或邏輯的CPLD設計來(lái)分析，如果這樣的入線(xiàn)太多則將會(huì )需要較多的乘積項及或邏輯，這就需要更多級的邏輯級聯(lián)來(lái)完成，從而增加了寄存器間的延遲；對于FPGA則需要多級查找表來(lái)實(shí)現相應的邏輯，同樣會(huì )增加延遲。狀態(tài)機的應用模型如圖1所示。

狀態(tài)機設計的分析方法

狀態(tài)機設計的分析方法可以分為兩種：一種是流程處理分析，即分析數據如何分步處理，將相應處理的步驟依次定為不同狀態(tài)，該方法能夠分析非常復雜的狀態(tài)機，類(lèi)似于編寫(xiě)一個(gè)軟件程序的分析，典型設計如讀寫(xiě)操作和數據包字節分析；另一種方法是關(guān)鍵條件分析，即根據參考信號的邏輯條件來(lái)確定相應的狀態(tài)，這樣的參考信號如空或滿(mǎn)指示、起始或結束、握手應答信號等。這兩種分析方法并沒(méi)有嚴格的界限，在實(shí)際的狀態(tài)機設計分析時(shí)往往是這兩種方法結合使用。下面分別說(shuō)明這兩種分析方法。

1． 流程處理分析

例如，在一個(gè)讀取ZBT SRAM中數據包的設計中，要根據讀出的數據中EOP(End of Packet)信號是否為1來(lái)決定一個(gè)包的讀操作是否結束，由于讀取數據的延后，這樣就會(huì )從ZBT SRAM中多讀取數據，為此可以設計一個(gè)信號VAL_out來(lái)過(guò)濾掉多讀的數據。

根據數據到達的先后及占用的時(shí)鐘周期數，可以設計如圖2所示的狀態(tài)機(本文設定：文字說(shuō)明及插圖中當前狀態(tài)表示為s_State[n:0]，為狀態(tài)寄存器的輸出；下一狀態(tài)next_State[n:0]，為狀態(tài)寄存器的輸入；信號之間的邏輯關(guān)系采用Verilog語(yǔ)言(或C語(yǔ)言)中的符號表示；#R表示需要經(jīng)過(guò)一級寄存器，輸出信號對應寄存器的輸出端)。該狀態(tài)機首先判斷是否已經(jīng)到達包尾，如果是，則依次進(jìn)入6個(gè)等待狀態(tài)，等待狀態(tài)下的數據無(wú)效，6個(gè)等待狀態(tài)結束后將正常處理數據。

2. 關(guān)鍵條件分析

圖3為一個(gè)路由器線(xiàn)卡高速數據包分發(fā)處理的框圖，較高速率的數據包經(jīng)過(guò)分發(fā)模塊以包為單位送往兩個(gè)較低速率數據通路(即寫(xiě)入FIFO1或FIFO2)。

對于分發(fā)模塊設計，關(guān)鍵參考信號是EOP及快滿(mǎn)信號AF1、AF2，參考EOP可以實(shí)現每次處理一個(gè)包，參考AF1、AF2信號可以決定相應的包該往哪個(gè)FIFO中寫(xiě)入。分發(fā)算法為：FIFO1未滿(mǎn)(AF1=0)，數據包將寫(xiě)入FIFO1；如果FIFO1將滿(mǎn)且FIFO2未滿(mǎn)(AF1=1，且AF2=0)，則下一數據包將寫(xiě)入FIFO2；如果FIFO1、FIFO2都將滿(mǎn)(AF1=1且AF2=1)，則進(jìn)入丟包狀態(tài)。狀態(tài)機描述如圖4所示：UseFifo1狀態(tài)下數據包將寫(xiě)入FIFO1，UseFifo2狀態(tài)下數據包將寫(xiě)入FIFO2，丟包狀態(tài)下數據包被丟棄，提供丟包計數使能DropCountEnable。

狀態(tài)機的進(jìn)一步優(yōu)化

1. 利用一位有效編碼方式

如前所述，狀態(tài)機的工作頻率跟狀態(tài)機中各個(gè)狀態(tài)對應的不同轉移條件的入線(xiàn)數目有關(guān)。如果到一個(gè)狀態(tài)的轉移條件相同但入線(xiàn)數非常多，其邏輯實(shí)現很可能并不復雜。在一位有效編碼方式下，對于某個(gè)狀態(tài)，如果其他所有狀態(tài)經(jīng)相同的轉移條件到該狀態(tài)，那么其邏輯實(shí)現可以很好地化簡(jiǎn)。

例4：一位有效編碼方式下?tīng)顟B(tài)位s_State[n:0]中， s_State[1] | s_State[2] | ... | s_State[n]=1與 s_State[0]=1等價(jià)，那么 next_State[0]=(s_State[0]S) | (s_State[1]T) | (s_State[2]T) | ... | (s_State[n]) 可以化簡(jiǎn)為：

next_State[0]=(s_State[0]S) | ((~s_State[0])T)，右端輸入信號數目大大減少。

2. 利用寄存器的使能信號

多數FPGA或CPLD寄存器提供使能端，如果所有的狀態(tài)機轉移必須至少滿(mǎn)足某個(gè)條件，那么這個(gè)條件可以通過(guò)使能信號連接實(shí)現，從而可以降低寄存器輸入端的邏輯復雜度。如上例中不同狀態(tài)間轉移必須以EOP為1作為前提，因而可以將該信號作為使能信號來(lái)設計。

3. 結合所選FPGA或CPLD內部邏輯單元結構編寫(xiě)代碼

以Xilinx FPGA為例，一個(gè)單元內2個(gè)4輸入查找表及相關(guān)配置邏輯可以實(shí)現5個(gè)信號輸入的最復雜的邏輯，或8～9個(gè)信號的簡(jiǎn)單邏輯(例如全與或者全或)，延時(shí)為一級查找表及配置邏輯延時(shí)；如果將相鄰單元的4個(gè)4輸入查找表輸出連接到一個(gè)4輸入查找表，那么可以實(shí)現最復雜的6輸入邏輯，此時(shí)需要兩級查找表延時(shí)及相關(guān)配置邏輯延時(shí)。更復雜的邏輯需要更多的級連來(lái)實(shí)現。針對高速狀態(tài)機的情況，可以盡量將狀態(tài)寄存器輸入端的邏輯來(lái)源控制在7個(gè)信號以?xún)?，從而自主控制查找表的級連級數，提高設計的工作頻率。

4. 通過(guò)修改狀態(tài)機

如果一個(gè)狀態(tài)機達不到工作頻率要求，則必須根據延時(shí)最大路徑修改設計，通常的辦法有：改變狀態(tài)設置，添加新?tīng)顟B(tài)或刪除某些狀態(tài)，簡(jiǎn)化轉移條件及單個(gè)狀態(tài)連接的轉移數目；修改轉移條件設置，包括改變轉移條件的組合，以及將復雜的邏輯改為分級經(jīng)寄存器輸出由寄存器信號再形成的邏輯，后者將會(huì )改變信號時(shí)序，因而可能需要改變狀態(tài)設置。

5. 使用并行邏輯

很多情況下要參考的關(guān)鍵信號可能非常多，如果參考這些關(guān)鍵信號直接設計狀態(tài)機所得到的結果可能很復雜，個(gè)別狀態(tài)的出線(xiàn)或入線(xiàn)將會(huì )非常多，因而將降低工作頻率?？梢钥紤]通過(guò)設計并行邏輯來(lái)提供狀態(tài)機的關(guān)鍵信號以及所需的中間結果，狀態(tài)機負責維護并行邏輯以及產(chǎn)生數據處理的流程。并行邏輯應分級設計，級間為寄存器，從而減少寄存器到寄存器的延時(shí)。

圖5為一個(gè)使用并行邏輯的狀態(tài)機，該設計用于使用單一數據總線(xiàn)將FIFO1～4中的數據發(fā)送到4個(gè)數據通路上去，該設計中并行邏輯產(chǎn)生每次操作時(shí)的通路及FIFO選擇結果，狀態(tài)機負責控制每次操作的流程：在“Idle”狀態(tài)下，如果FIFO1～4中有數據包供讀取，則進(jìn)入“Schedule”狀態(tài)；獲得調度結果后“Schedule”經(jīng)過(guò)一個(gè)“Wait”狀態(tài)，然后進(jìn)入“ReadData”狀態(tài)讀取數據，同時(shí)開(kāi)始計數，計數到達所指定數值或者讀到數據包尾時(shí)進(jìn)入空閑狀態(tài)“Idle”，依次循環(huán)下去。

流水線(xiàn)設計

流水線(xiàn)(Pipelining)設計是將一個(gè)時(shí)鐘周期內執行的邏輯操作分成幾步較小的操作，并在較高速時(shí)鐘下完成。圖6a中邏輯被分為圖6b中三小部分，如果它的Tpd為T(mén)，則該電路最高時(shí)鐘頻率為1/T，而在圖6b中假設每部分的Tpd為T(mén)/3，則其時(shí)鐘頻率可提高到原來(lái)的3倍，因而單位時(shí)間內的數據流量可以達到原來(lái)的三倍。代價(jià)是輸出信號相對于輸入滯后3個(gè)周期，時(shí)序有所改變(圖6b中輸出信號的總延時(shí)與圖6a中一樣，但數據吞吐量提高了)，同時(shí)增加了寄存器資源，而FPGA具有豐富的寄存器資源。

本文所強調的通過(guò)減少寄存器間的邏輯延時(shí)來(lái)提高狀態(tài)機的工作頻率，與流水線(xiàn)設計的出發(fā)點(diǎn)一樣，不同的是流水線(xiàn)所強調的是數據處理時(shí)的數據通路優(yōu)化，而本文所強調的是狀態(tài)機中控制邏輯的優(yōu)化。