高速狀態(tài)下使用CPLD實現(xiàn)狀態(tài)機的辦法

本文給出了采用這些技術(shù)的高速環(huán)境狀態(tài)機設計的規(guī)范及分析方法和優(yōu)化方法，并給出了相應的示例。

為了使FPGA或CPLD中的狀態(tài)機設計滿足高速環(huán)境要求，設計工程師需要認識到以下幾點：寄存器資源和邏輯資源已經(jīng)不是問題的所在，狀態(tài)機本身所占用的FPGA或CPLD邏輯資源或寄存器資源非常??；狀態(tài)機對整體數(shù)據(jù)流的是串行操作，如果希望數(shù)據(jù)處理的延時非常小，就必須提高操作的并行程度，壓縮狀態(tài)機中狀態(tài)轉(zhuǎn)移的路徑長度；高速環(huán)境下應合理分配狀態(tài)機的狀態(tài)及轉(zhuǎn)移條件。本文將結(jié)合實際應用案例來說明。

狀態(tài)機設計規(guī)范

1. 使用一位有效的方式進行狀態(tài)編碼

狀態(tài)機中狀態(tài)編碼主要有三種：連續(xù)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5個狀態(tài)(State0～State4)的狀態(tài)機，連續(xù)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，這可能會增加設計難度。

使用一位有效編碼方式使邏輯實現(xiàn)更簡潔，因為一個狀態(tài)只需要用一位來指示，而為此增加的狀態(tài)寄存器數(shù)目相對于整個設計來說可以忽略。一位有效至少有兩個含義：對每個狀態(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(zhuǎn)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(zhuǎn)移條件

在狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖中，每個狀態(tài)都有對應的出線和入線，從不同狀態(tài)經(jīng)不同的轉(zhuǎn)移條件到該狀態(tài)的入線數(shù)目不能太多。以采用與或邏輯的CPLD設計來分析，如果這樣的入線太多則將會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實現(xiàn)相應的邏輯，同樣會增加延遲。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(shù)據(jù)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，類似于編寫一個軟件程序的分析，典型設計如讀寫操作和數(shù)據(jù)包字節(jié)分析；另一種方法是關(guān)鍵條件分析，即根據(jù)參考信號的邏輯條件來確定相應的狀態(tài)，這樣的參考信號如空或滿指示、起始或結(jié)束、握手應答信號等。這兩種分析方法并沒有嚴格的界限，在實際的狀態(tài)機設計分析時往往是這兩種方法結(jié)合使用。下面分別說明這兩種分析方法。

1． 流程處理分析

例如，在一個讀取ZBT SRAM中數(shù)據(jù)包的設計中，要根據(jù)讀出的數(shù)據(jù)中EOP(End of Packet)信號是否為1來決定一個包的讀操作是否結(jié)束，由于讀取數(shù)據(jù)的延后，這樣就會從ZBT SRAM中多讀取數(shù)據(jù)，為此可以設計一個信號VAL_out來過濾掉多讀的數(shù)據(jù)。

根據(jù)數(shù)據(jù)到達的先后及占用的時鐘周期數(shù)，可以設計如圖2所示的狀態(tài)機(本文設定：文字說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語言(或C語言)中的符號表示；#R表示需要經(jīng)過一級寄存器，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，則依次進入6個等待狀態(tài)，等待狀態(tài)下的數(shù)據(jù)無效，6個等待狀態(tài)結(jié)束后將正常處理數(shù)據(jù)。

2. 關(guān)鍵條件分析

圖3為一個路由器線卡高速數(shù)據(jù)包分發(fā)處理的框圖，較高速率的數(shù)據(jù)包經(jīng)過分發(fā)模塊以包為單位送往兩個較低速率數(shù)據(jù)通路(即寫入FIFO1或FIFO2)。

對于分發(fā)模塊設計，關(guān)鍵參考信號是EOP及快滿信號AF1、AF2，參考EOP可以實現(xiàn)每次處理一個包，參考AF1、AF2信號可以決定相應的包該往哪個FIFO中寫入。分發(fā)算法為：FIFO1未滿(AF1=0)，數(shù)據(jù)包將寫入FIFO1；如果FIFO1將滿且FIFO2未滿(AF1=1，且AF2=0)，則下一數(shù)據(jù)包將寫入FIFO2；如果FIFO1、FIFO2都將滿(AF1=1且AF2=1)，則進入丟包狀態(tài)。狀態(tài)機描述如圖4所示：UseFifo1狀態(tài)下數(shù)據(jù)包將寫入FIFO1，UseFifo2狀態(tài)下數(shù)據(jù)包將寫入FIFO2，丟包狀態(tài)下數(shù)據(jù)包被丟棄，提供丟包計數(shù)使能DropCountEnable。

狀態(tài)機的進一步優(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)機中各個狀態(tài)對應的不同轉(zhuǎn)移條件的入線數(shù)目有關(guān)。如果到一個狀態(tài)的轉(zhuǎn)移條件相同但入線數(shù)非常多，其邏輯實現(xiàn)很可能并不復雜。在一位有效編碼方式下，對于某個狀態(tài)，如果其他所有狀態(tài)經(jīng)相同的轉(zhuǎn)移條件到該狀態(tài)，那么其邏輯實現(xiàn)可以很好地化簡。

例4：一位有效編碼方式下狀態(tài)位s_State[n:0]中，

s_State[1] | s_State[2] | ... | s_State[n]=1與 s_State[0]=1等價，那么

next_State[0]=(s_State[0]&S) | (s_State[1]&T) | (s_State[2]&T) | ... | (s_State[n]) 可以化簡為：

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

2. 利用寄存器的使能信號

多數(shù)FPGA或CPLD寄存器提供使能端，如果所有的狀態(tài)機轉(zhuǎn)移必須至少滿足某個條件，那么這個條件可以通過使能信號連接實現(xiàn)，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(zhuǎn)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設計。

3. 結(jié)合所選FPGA或CPLD內(nèi)部邏輯單元結(jié)構(gòu)編寫代碼

以Xilinx FPGA為例，一個單元內(nèi)2個4輸入查找表及相關(guān)配置邏輯可以實現(xiàn)5個信號輸入的最復雜的邏輯，或8～9個信號的簡單邏輯(例如全與或者全或)，延時為一級查找表及配置邏輯延時；如果將相鄰單元的4個4輸入查找表輸出連接到一個4輸入查找表，那么可以實現(xiàn)最復雜的6輸入邏輯，此時需要兩級查找表延時及相關(guān)配置邏輯延時。更復雜的邏輯需要更多的級連來實現(xiàn)。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源控制在7個信號以內(nèi)，從而自主控制查找表的級連級數(shù)，提高設計的工作頻率。

4. 通過修改狀態(tài)機

如果一個狀態(tài)機達不到工作頻率要求，則必須根據(jù)延時最大路徑修改設計，通常的辦法有：改變狀態(tài)設置，添加新狀態(tài)或刪除某些狀態(tài)，簡化轉(zhuǎn)移條件及單個狀態(tài)連接的轉(zhuǎn)移數(shù)目；修改轉(zhuǎn)移條件設置，包括改變轉(zhuǎn)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，后者將會改變信號時序，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(jié)果可能很復雜，個別狀態(tài)的出線或入線將會非常多，因而將降低工作頻率?？梢钥紤]通過設計并行邏輯來提供狀態(tài)機的關(guān)鍵信號以及所需的中間結(jié)果，狀態(tài)機負責維護并行邏輯以及產(chǎn)生數(shù)據(jù)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。

一個使用并行邏輯的狀態(tài)機，該設計用于使用單一數(shù)據(jù)總線將FIFO1～4中的數(shù)據(jù)發(fā)送到4個數(shù)據(jù)通路上去，該設計中并行邏輯產(chǎn)生每次操作時的通路及FIFO選擇結(jié)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(shù)據(jù)包供讀取，則進入“Schedule”狀態(tài)；獲得調(diào)度結(jié)果后“Schedule”經(jīng)過一個“Wait”狀態(tài)，然后進入“ReadData”狀態(tài)讀取數(shù)據(jù)，同時開始計數(shù)，計數(shù)到達所指定數(shù)值或者讀到數(shù)據(jù)包尾時進入空閑狀態(tài)“Idle”，依次循環(huán)下去。

流水線設計

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

本文所強調(diào)的通過減少寄存器間的邏輯延時來提高狀態(tài)機的工作頻率，與流水線設計的出發(fā)點一樣，不同的是流水線所強調(diào)的是數(shù)據(jù)處理時的數(shù)據(jù)通路優(yōu)化，而本文所強調(diào)的是狀態(tài)機中控制邏輯的優(yōu)化。