FPGA研發(fā)之道(23)-控制（上）

　　本質(zhì)上說，FPGA的模塊設(shè)計(jì)就是將輸入轉(zhuǎn)化成想要得到的輸出結(jié)果。而除了某些簡(jiǎn)單模塊，即在當(dāng)拍內(nèi)完成，即將輸入進(jìn)行邏輯操作后，再輸出。(如簡(jiǎn)單加法器等)。其余大部分的設(shè)計(jì)需要通過時(shí)序邏輯和組合邏輯混合實(shí)現(xiàn)，時(shí)序邏輯帶來就是延遲起效的問題，舉例說，如實(shí)現(xiàn)某個(gè)信號(hào)(start)起效后，接下來五個(gè)周期需要分別進(jìn)行五種操作，分別是op0,op1,op2,op3,op4 等等。如何進(jìn)行控制，這就是每個(gè)工程師要面對(duì)的問題。

　　對(duì)于簡(jiǎn)單控制，分別可以采用計(jì)數(shù)和移位寄存器的方式來解決問題。而對(duì)于較為復(fù)雜的控制，則需要設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)來解決。下面將分別介紹

　　計(jì)數(shù)器： 對(duì)于上述操作來說，start起效后，可以通過計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)，設(shè)置寄存器count[2:0]，有效信號(hào)開始時(shí)計(jì)數(shù)自加。 計(jì)數(shù)的方式帶來的問題就是，計(jì)數(shù)從零開始還是從1開始，假如計(jì)數(shù)器初始化為0，則從0-4狀態(tài)可以分別輸出op0,op1,op2,op3,op4，但是在無有效信號(hào)時(shí)，計(jì)數(shù)會(huì)保持0，從而造成op0的輸出。 上述舉例雖然簡(jiǎn)單，但是確實(shí)很多初學(xué)者或者工程師在仿真時(shí)會(huì)經(jīng)常會(huì)犯的錯(cuò)誤。從設(shè)計(jì)來說，計(jì)數(shù)需要考慮初始值對(duì)于輸出的影響。同樣計(jì)數(shù)帶來的另一個(gè)問題就是，從零開始的計(jì)數(shù)會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)與實(shí)際不一致，例如，一個(gè)信號(hào)9拍后拉低，但從零計(jì)數(shù)到8時(shí)，已經(jīng)到9拍了(0-8)，這種設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致命名count==8 與9拍存在不一致的現(xiàn)象。當(dāng)然也可以從1計(jì)數(shù)到9，這樣狀態(tài)在count==9時(shí)觸發(fā)。這樣就會(huì)初始化需要復(fù)位寄存器為1。當(dāng)然這個(gè)問題大端和小端的爭(zhēng)斗一樣，沒有終點(diǎn)。一個(gè)設(shè)計(jì)中如果多種計(jì)數(shù)來驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)的話，就需要特別小心這個(gè)問題計(jì)數(shù)。當(dāng)然也可把問題交給仿真器，仿真時(shí)根據(jù)波形調(diào)整，計(jì)數(shù)的狀態(tài)。

　　移位寄存器：如采用移位寄存器，根據(jù)上述例子，則start信號(hào)有效后，設(shè)計(jì)5bit的移位寄存器flag[4:0]分別利用寄存器的某BIT來控制輸出，從而在每BIT有效時(shí)，分別輸出op0,op1,op2,op3,op4。假設(shè)此種狀態(tài)較少，FPGA寄存器資源較為豐富，因此利用移位寄存器是一個(gè)不錯(cuò)的注意。

　　assign op4 = ( count == 3’b100) ;

　　assign op4 = flag[4] ;

　　比較上述兩種輸出，則可以看出，通過計(jì)數(shù)的方式占用輸出資源較多，而移位寄存器在此種應(yīng)用下，占用邏輯就相對(duì)簡(jiǎn)單。(僅針對(duì)小規(guī)模的計(jì)數(shù)來說，對(duì)于超過16的計(jì)數(shù)，則使用計(jì)數(shù)器更優(yōu))。另外，通過移位寄存器可以方便的進(jìn)行時(shí)序控制，不用糾結(jié)從零開始還是從1開始的問題，在某些簡(jiǎn)單的處理下能夠達(dá)到更小的面積和更快的時(shí)序。

　　對(duì)于復(fù)雜的控制，則狀態(tài)機(jī)，就是必須的。對(duì)于FPGA實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)，其實(shí)并不需要那么多的設(shè)計(jì)的方法。主要就是兩個(gè)要點(diǎn)。(1)獨(dú)熱碼。(2)三段式。

　　對(duì)于第一點(diǎn)來說，獨(dú)熱碼，因?yàn)镕PGA內(nèi)部寄存器資源較多，另外獨(dú)熱碼將會(huì)帶來額外的面積和時(shí)序優(yōu)化的好處。則以上述例子為例，增加狀態(tài)轉(zhuǎn)移的觸發(fā)信號(hào)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下所示：

　　狀態(tài)獨(dú)熱碼(也可以用define localparam)建議使用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;

　　三段式結(jié)構(gòu)如下

　　//(1)當(dāng)前狀態(tài)

　　always@(posedge sys_clk or negedge rst_n)

　　if(!rst_n)

　　cs_state <= idle;

　　else

　　cs_state <= ns_state;

　　//(2)下一狀態(tài)的賦值

　　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)輸出狀態(tài)

　　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，介紹獨(dú)熱碼和三段式。三段式的好處不用說，就是邏輯清楚。可以看出out1輸出為組合輸出。out_2_reg為寄存輸出。那么獨(dú)熱碼在FPGA內(nèi)部的優(yōu)勢(shì)又有哪些?

　　(1)綜合后，邏輯簡(jiǎn)單

　　例如assign out1 = (cs_state == op0_state); 綜合后的電路等同于

　　assign out1= cs_state(0) ;//可以看出無邏輯消耗

　　而 out2_reg 的電路等同于 將cs_state(2)寄存一拍，只需一個(gè)寄存器的消耗

　　(2)時(shí)序優(yōu)化。

　　從上述同樣得出結(jié)論，如果是使用某狀態(tài)cs_state(n)作為其他信號(hào)的輸入來說，其本身為寄存器信號(hào)，因此關(guān)鍵路徑就會(huì)減少一級(jí)?？赡苓\(yùn)行較快的頻率就會(huì)增加。如不是獨(dú)**，對(duì)比這兩條語句cs_state = 3 與cs_state(3) 一個(gè)是組合輸出，一個(gè)寄存器輸出。其不同也就是上述計(jì)數(shù)與移位寄存器的區(qū)別一致。

　　那么一般狀態(tài)機(jī)會(huì)產(chǎn)生的錯(cuò)誤會(huì)有哪些那?

　　首先;就是狀態(tài)不全產(chǎn)生LATCH，前文已述，這是FPGA設(shè)計(jì)的大敵，解決這個(gè)問題的方法可以通過所有分支都設(shè)定確定狀態(tài)，如上例中。有沒有更簡(jiǎn)單的方式?

　　其此：狀態(tài)機(jī)上述描述，并不直觀的顯現(xiàn)綜合后電路的描述，有沒有更直接的rtl的描述，一眼就能看出獨(dú)熱碼的特征和好處?

　　最后：狀態(tài)機(jī)是一個(gè)較為成熟技術(shù)，還會(huì)有哪些值得關(guān)注的地方?

　　這些問題，下節(jié)再述。