SNUG论文巡礼系列二：FSM Coding styles for Synthesis

来自微信公众号 “数字芯片实验室”

本文详细介绍了可综合有限状态机的Verilog coding styles，以及one-always FSMs和two-always FSMs的优缺点。

State Machine Classification

根据状态机输出生成的方式有两种类型状态机，

Moore State Machine，输出仅是当前状态（present state）的函数。

Mealy State Machine，输出是当前状态和输入的函数。可以看到下图中的虚线标注了Mealy State Machine Only

除了根据状态输出的生成方式分类，还可以根据状态编码的方式进行分类， binary-encode,gray-encode, Johnson-encode, one-hot-encode。

FSM Verilog Modules

Guideline:使用一个单独的模块（module）编码状态机，方便状态机定义（definition）、修改（modification）和调试（debug）。

State Assignments

Guideline:使用symbolic parameters进行状态赋值，增加可读性，简化状态的修改

下面是相应的binary encoding和one-hot encoding

Parameter definitions for binary encoding

parameter [2:0] // synopsys enum code
IDLE = 3'd0,
S1 = 3'd1,
S2 = 3'd2,
S3 = 3'd3,
ERROR = 3'd4;

Parameter definitions for verbose one-hotencoding

parameter [4:0] IDLE = 5'b00001,
S1 = 5'b00010,
S2 = 5'b00100,
S3 = 5'b01000,
ERROR = 5'b10000;

Theone-hot encoding can yield very efficient FSMs for state machines that have many interconnections with complex equations, including a large number of connections to one particular state.

也可以使用宏定义（\`define）定义状态名称， \`define会创建一个全局定义（global definition），parameters会创建一个局部定义（local definition），从而parameters定义允许设计在不同的模块具有多个同名的之间状态定义，例如IDLE。

Two-Always Block State Machine

Two-Always状态机包含生成下一状态的组合逻辑（next state combinational logic）、生成输出的组合逻辑（output combinational logic）和更新当前状态的时序逻辑（clocked present state logic）。

Sequential Always Block

Guideline:在建模时序逻辑时，仅使用Verilog非阻塞赋值。（当然，这也不全对，参考使用阻塞赋值和非阻塞赋值建模的分频时钟）

always @(posedge clk or posedge rst)
if (rst) state <= IDLE;
else state <= next;

Combinational Always Block

Guideline:在建模组合逻辑always语句块中仅使用阻塞赋值。

该always语句块用于获得需要被更新的下一个状态值，其被一个敏感列表（当前状态和输入）。

应该在always语句块之后编码一个默认的下一个状态赋值语句。默认赋值可以是X（综合工具don't cares）、IDLE和任意状态。因为存在组合逻辑综合出锁存器问题，这在实例解析Verilog综合出锁存器的问题中曾经探讨过。

always @(state or i1 or i2 or i3 or i4) begin
next = IDLE;
case (state)
IDLE: begin
  next = ERROR;
  if (!i1) next = IDLE;
  if (i1 & i2) next = S1;
  if (i1 & !i2 & i3) next = S2;
end
S1: ...

FSM Output Generation

输出逻辑可在编码在连续赋值assign中

assign rd_out = (state == READ) & !rd_strobe_n;

也可以编码在组合逻辑always语句块中。

case(state)
  ...
  READ: if (!rd_strobe_n) rd_out = 1'b1;

One-Always Block State Machine

one-always状态机比two always的仿真效率更高，但是难以修改和调试。

Reference paper ：

State Machine Coding styles for Synthesis

本文转载自公众号：芯片数字实验室
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/mqVPlEWbIq\_VquySiKD9MQ
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