FPGA研发之道(23)-控制（上）

作者：阿昏豆

本质上说，FPGA的模块设计就是将输入转化成想要得到的输出结果。而除了某些简单模块，即在当拍内完成，即将输入进行逻辑操作后，再输出。（如简单加法器等）。其余大部分的设计需要通过时序逻辑和组合逻辑混合实现，时序逻辑带来就是延迟起效的问题，举例说，如实现某个信号（start）起效后，接下来五个周期需要分别进行五种操作，分别是op0,op1,op2,op3,op4 等等。如何进行控制，这就是每个工程师要面对的问题。

   对于简单控制，分别可以采用计数和移位寄存器的方式来解决问题。而对于较为复杂的控制，则需要设计状态机来解决。下面将分别介绍

  计数器： 对于上述操作来说，start起效后，可以通过计数实现，设置寄存器count[2:0]，有效信号开始时计数自加。 计数的方式带来的问题就是，计数从零开始还是从1开始，假如计数器初始化为0，则从0-4状态可以分别输出op0,op1,op2,op3,op4，但是在无有效信号时，计数会保持0，从而造成op0的输出。 上述举例虽然简单，但是确实很多初学者或者工程师在仿真时会经常会犯的错误。从设计来说，计数需要考虑初始值对于输出的影响。同样计数带来的另一个问题就是，从零开始的计数会导致设计与实际不一致，例如，一个信号9拍后拉低，但从零计数到8时，已经到9拍了（0-8），这种设计会导致命名count==8 与9拍存在不一致的现象。当然也可以从1计数到9，这样状态在count==9时触发。这样就会初始化需要复位寄存器为1。当然这个问题大端和小端的争斗一样，没有终点。一个设计中如果多种计数来驱动计数的话，就需要特别小心这个问题计数。当然也可把问题交给仿真器，仿真时根据波形调整，计数的状态。

    移位寄存器：如采用移位寄存器，根据上述例子，则start信号有效后，设计5bit的移位寄存器flag[4:0]分别利用寄存器的某BIT来控制输出，从而在每BIT有效时，分别输出op0,op1,op2,op3,op4。假设此种状态较少，FPGA寄存器资源较为丰富，因此利用移位寄存器是一个不错的注意。

   assign op4 = ( count == 3’b100) ;

   assign op4 = flag[4] ；

  比较上述两种输出，则可以看出，通过计数的方式占用输出资源较多，而移位寄存器在此种应用下，占用逻辑就相对简单。（仅针对小规模的计数来说，对于超过16的计数，则使用计数器更优）。另外，通过移位寄存器可以方便的进行时序控制，不用纠结从零开始还是从1开始的问题，在某些简单的处理下能够达到更小的面积和更快的时序。

   对于复杂的控制，则状态机，就是必须的。对于FPGA实现状态机，其实并不需要那么多的设计的方法。主要就是两个要点。（1）独热码。（2）三段式。

   对于第一点来说，独热码，因为FPGA内部寄存器资源较多，另外独热码将会带来额外的面积和时序优化的好处。则以上述例子为例，增加状态转移的触发信号，状态转移图如下所示：

   

状态独热码（也可以用define  localparam）建议使用parameter或者localparam

parameter     idle == 6’b000001,

             op0_state == 6’b000010,

             op1_state == 6’b000100,

             op2_state == 6’b001000,

             op3_state == 6’b010000,

             op4_state == 6’b100000;

三段式结构如下

//（1）当前状态

always@(posedge sys_clk or negedge rst_n)

       if(!rst_n)

         cs_state <= idle;

       else

         cs_state <= ns_state;

        

//（2）下一状态的赋值

always@(*)

      case(cs_state)     

         idle : if(start)

                  ns_state =  op0_state;

                else

                  ns_state =  idle;

                  

         op0_state :

                if(op0_over)

                  ns_state =  op1_state;

                else

                  ns_state =  op0_state;

                 

         op1_state :

                if(op1_over)

                  ns_state =  op2_state;

                else

                  ns_state =  op1_state;

         op2_state :

                if(op2_over)

                  ns_state =  op3_state;

                else

                  ns_state =  op2_state;

         op3_state :

                if(op3_over)

                  ns_state =  op4_state;

                else

                  ns_state =  op3_state;

         op4_state :

                if(op4_over)

                  ns_state =  op4_state;

                else

                  ns_state =  idle;

         default ns_state = idle;

        

       endcase

      

//（3）输出状态

assign out1 = (cs_state ==  op0_state);

always@(posedge sys_clk or negedge rst_n)

       if(!rst_n)

         out2_reg <= 1'b0;

       else if (cs_state ==  op2_state)

         out2_reg <= 1'b1;

       else

         out2_reg <= 1'b0;

   上述例子，介绍独热码和三段式。三段式的好处不用说，就是逻辑清楚。可以看出out1输出为组合输出。out_2_reg为寄存输出。那么独热码在FPGA内部的优势又有哪些？

（1）综合后，逻辑简单

         例如assign out1 = (cs_state ==  op0_state); 综合后的电路等同于

assign out1= cs_state(0) ;//可以看出无逻辑消耗

             而 out2_reg 的电路等同于 将cs_state（2）寄存一拍，只需一个寄存器的消耗

     （2）时序优化。

          从上述同样得出结论，如果是使用某状态cs_state(n)作为其他信号的输入来说，其本身为寄存器信号，因此关键路径就会减少一级。可能运行较快的频率就会增加。如不是独**，对比这两条语句cs_state = 3 与cs_state(3) 一个是组合输出，一个寄存器输出。其不同也就是上述计数与移位寄存器的区别一致。

  那么一般状态机会产生的错误会有哪些那？

    首先；就是状态不全产生LATCH，前文已述，这是FPGA设计的大敌，解决这个问题的方法可以通过所有分支都设定确定状态，如上例中。有没有更简单的方式？

    其此：状态机上述描述，并不直观的显现综合后电路的描述，有没有更直接的rtl的描述，一眼就能看出独热码的特征和好处？

    最后：状态机是一个较为成熟技术，还会有哪些值得关注的地方？

     这些问题，下节再述。