原创 FPGA设计要点之二：FSM

很开心，终于有回复了！

工作一直很忙，只能时不时的抽空上来写点东西了。

关于上期的时钟树，可能说的不是很确切。这里的时钟树实际上泛指时钟方案，主要是时钟域和PLL等的规划，一般情况下不牵扯到走线时延的详细计算（一般都走全局时钟网络和局部时钟网络，时延固定），和ASIC中的时钟树不一样。对于ASIC，就必须对时钟网络的设计、布线、时延计算进行仔细的分析计算才行。

FSM：有限状态机。这个可以说时逻辑设计的基础。几乎稍微大一点的逻辑设计，几乎都能看得到FSM。

FSM分为moore型和merly型，moore型的状态迁移和变量无关，merly型则有关。实际使用中大部分都采用merly型。

FSM通常有2种写法：单进程、双进程。

初学者往往喜欢单进程写法，格式如下：

always  @( posedge clk or posedge rst )

    begin

         if  ( rst == 1'b1 )

             FSM_status <= ......;

         else

               case  ( FSM_status )

                    ......;

               endcase

     end

简单的说，单进程FSM就是把所有的同步、异步处理都放入一个always中。

优点：

1）看起来比较简单明了，写起来也不用在每个case分支或者if分支中写全对各个信号和状态信号的处理。也可以简单在其中加入一些计数器进行计数处理。

2）所有的输出信号都已经是经过D触发器锁存了。

缺点：

1）优化效果不佳。由于同步、异步放在一起，编译器一般对异步逻辑的优化效果最好。单进程FSM把同步、异步混杂在一起的结果就是导致编译器优化效果差，往往导致逻辑速度慢、资源消耗多。

2）某些时候需要更快的信号输出，不必经过D触发器锁存，这时单进程FSM的处理就比较麻烦了。

双进程FSM，格式如下：

always  @( posedge clk or posedge rst )

    begin

        if ( rst == 1'b1 )

            FSM_status_current <= ...;

        else

            FSM_status_current <= FSM_status_next;

always  @(*)

    begin

        case  ( FSM_status_current )

            FSM_status_next = ......;

        endcase

    end

从上面可以看到，同步处理和异步处理分别放到2个always中。其中FSM状态变量也采用2个来进行控制。双进程FSM的原理我这里就不多说了，在很多逻辑设计书中都有介绍。这里描述起来太费劲。

优点：

1）编译器优化效果明显，可以得到很理想的速度和资源占用率。

2）所有的输出信号（除了FSM_status_current）都是组合输出的，比单进程FSM快。

缺点：

1）所有的输出信号（除了FSM_status_current）都是组合输出的，在某些场合需要额外写代码来进行锁存。

2）在异步处理的always中，所有的if、case分支必须把所有的输出信号都赋值，而且不能出现在FSM中的输出信号回送赋值给本FSM中的其他信号的情况，否则会出现 latch。

latch会导致如下问题：

1）功能仿真结果和后仿不符；

2）出现无法测试的逻辑；

3）逻辑工作不稳定，特别是latch部分对毛刺异常敏感；

4）某些及其特殊的情况下，如果出现正反馈，可能会导致灾难性的后果。

这不是恐吓也不是开玩笑，我就亲眼见过一个小伙把他做的逻辑加载上去后，整个FPGA给炸飞了。后来怀疑可能是出现正反馈导致高频振荡，最后导致芯片过热炸掉（这个FPGA芯片没有安装散热片）。