高速环境下的状态机设计和优化方法

通过减少寄存器间的逻辑延时来提高工作频率，或通过流水线设计来优化数据处理时的数据通路来满足高速环境下FPGA或CPLD中的状态机设计要求。本文给出了采用这些技术的高速环境状态机设计的规范及分析方法和优化方法，并给出了相应的示例。

为了使FPGA或CPLD中的状态机设计满足高速环境要求，设计工程师需要认识到以下几点：寄存器资源和逻辑资源已经不是问题的所在，状态机本身所占用的FPGA或CPLD逻辑资源或寄存器资源非常小；状态机对整体数据流的是串行操作，如果希望数据处理的延时非常小，就必须提高操作的并行程度，压缩状态机中状态转移的路径长度；高速环境下应合理分配状态机的状态及转移条件。本文将结合实际应用案例来说明。

状态机设计规范



图一

1. 使用一位有效的方式进行状态编码

状态机中状态编码主要有三种：连续编码(sequential encoding)、一位有效(one-hot encoding)方式编码以及不属于这两种的编码。例如，对于一个5个状态(State0～State4)的状态机，连续编码方式状态编码为：State0－000、State1－001、State2－010、State3－011、State4－100。一位有效方式为下为：State0－00001、State1－00010、State2－00100、State3－01000、State4－10000。对于自行定义的编码则差别很大，例如试图将状态机的状态位直接作为输出所需信号，这可能会增加设计难度。

使用一位有效编码方式使逻辑实现更简洁，因为一个状态只需要用一位来指示，而为此增加的状态寄存器数目相对于整个设计来说可以忽略。一位有效至少有两个含义：对每个状态位，该位为1对应唯一的状态，判断当前状态是否为该状态，只需判断该状态位是否为1；如果状态寄存器输入端该位为1，则下一状态将转移为该状态，判断下一状态是否为该状态，只需判断表示下一状态的信号中该位是否为1。

2. 合理分配状态转移条件

在状态转移图中，每个状态都有对应的出线和入线，从不同状态经不同的转移条件到该状态的入线数目不能太多。以采用与或逻辑的CPLD设计来分析，如果这样的入线太多则将会需要较多的乘积项及或逻辑，这就需要更多级的逻辑级联来完成，从而增加了寄存器间的延迟；对于FPGA则需要多级查找表来实现相应的逻辑，同样会增加延迟。状态机的应用模型如图1所示。                     

状态机设计的分析方法

状态机设计的分析方法可以分为两种：一种是流程处理分析，即分析数据如何分步处理，将相应处理的步骤依次定为不同状态，该方法能够分析非常复杂的状态机，类似于编写一个软件程序的分析，典型设计如读写操作和数据包字节分析；另一种方法是关键条件分析，即根据参考信号的逻辑条件来确定相应的状态，这样的参考信号如空或满指示、起始或结束、握手应答信号等。这两种分析方法并没有严格的界限，在实际的状态机设计分析时往往是这两种方法结合使用。下面分别说明这两种分析方法。

1． 流程处理分析

例如，在一个读取ZBT SRAM中数据包的设计中，要根据读出的数据中EOP(End of Packet)信号是否为1来决定一个包的读操作是否结束，由于读取数据的延后，这样就会从ZBT SRAM中多读取数据，为此可以设计一个信号VAL_out来过滤掉多读的数据。

根据数据到达的先后及占用的时钟周期数，可以设计如图2所示的状态机(本文设定：文字说明及插图中当前状态表示为s_State[n:0]，为状态寄存器的输出；下一状态next_State[n:0]，为状态寄存器的输入；信号之间的逻辑关系采用Verilog语言(或C语言)中的符号表示；#R表示需要经过一级寄存器，输出信号对应寄存器的输出端)。该状态机首先判断是否已经到达包尾，如果是，则依次进入6个等待状态，等待状态下的数据无效，6个等待状态结束后将正常处理数据。

2. 关键条件分析

图3为一个路由器线卡高速数据包分发处理的框图，较高速率的数据包经过分发模块以包为单位送往两个较低速率数据通路(即写入FIFO1或FIFO2)。

对于分发模块设计，关键参考信号是EOP及快满信号AF1、AF2，参考EOP可以实现每次处理一个包，参考AF1、AF2信号可以决定相应的包该往哪个FIFO中写入。分发算法为：FIFO1未满(AF1=0)，数据包将写入FIFO1；如果FIFO1将满且FIFO2未满(AF1=1，且AF2=0)，则下一数据包将写入FIFO2；如果FIFO1、FIFO2都将满(AF1=1且AF2=1)，则进入丢包状态。状态机描述如图4所示：UseFifo1状态下数据包将写入FIFO1，UseFifo2状态下数据包将写入FIFO2，丢包状态下数据包被丢弃，提供丢包计数使能DropCountEnable。