1 、引言

隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對數(shù)字系統(tǒng)的需求也在提高。不僅要有完善的功能，而且對速度也提出了很高的要求。對于大部分?jǐn)?shù)字系統(tǒng)，都可以劃分為控制單元和數(shù)據(jù)單元兩個組成部分。通常，控制單元的主體是一個有限狀態(tài)機(jī)，它接收外部信號以及數(shù)據(jù)單元產(chǎn)生的狀態(tài)信息，產(chǎn)生控制信號序列。MOORE型有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法有多種，采用不同的設(shè)計(jì)方法，雖然可以得到相同功能的狀態(tài)機(jī)，但它們的速度、時(shí)延特性、占用資源可能有較大的差異。在某些對速度要求很高的場合，如內(nèi)存控制器，則需要針對速度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 、MOORE型有限狀態(tài)機(jī)的幾種設(shè)計(jì)方法

2.1 輸出由狀態(tài)位經(jīng)組合譯碼得到

它的實(shí)現(xiàn)方案是：現(xiàn)態(tài)與輸入信號經(jīng)組合邏輯得到次態(tài)，在時(shí)鐘的上升沿到來時(shí)，狀態(tài)寄存器將次態(tài)鎖存得到現(xiàn)態(tài)，現(xiàn)態(tài)經(jīng)過輸出組合邏輯譯碼得到輸出信號。如圖 1所示。由于輸出必須由現(xiàn)態(tài)的狀態(tài)位經(jīng)過譯碼得到，這就需要在現(xiàn)態(tài)與輸出之間增加一級組合譯碼邏輯，從而加大了從狀態(tài)位到器件輸出管腳的傳輸延遲，同樣也增加了時(shí)鐘-輸出時(shí)延TCO。

假設(shè)一個簡單的內(nèi)存控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。一個完整的讀寫周期是從空閑狀態(tài)idle開始。在ready信號有效之后的下一個時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)移到判斷狀態(tài)decision，然后根據(jù)read_write信號再轉(zhuǎn)移到read或write狀態(tài)。則采用這種設(shè)計(jì)方法的VHDL源程序如下：

signalpresent_state，next_state:std_logic_vector（1 downto 0）;

process（clk，ready，read_write，present_state）

begin

if（clk‘eventandclk=’1‘）then

casepresent_stateis

when idle=＞oe＜=’0‘;wr＜=’0‘;

if ready=’1‘ then

next_state＜=decision;

else next_state＜=idle;

endif;

when decision=＞oe＜=’0‘;wr＜=’0‘;

if（read_write=’1‘）then

next_state＜=read;

else next_state＜=write;

endif;

when read=＞oe＜=’1‘;wr＜=’0‘;

if（ready=’1‘）then

next_state＜=idle;

else next_state＜=read;

endif;

when others=＞oe＜=’0‘;wr＜=’1‘;

if（ready=’1‘）then next_state＜=idle;

else next_state＜=write;

endif;

endcase;endif;

endprocess;

state_clock:process（clk）begin

if（clk’eventandclk=‘1’）then

present_state＜=next_state;

endif;

endprocess;

對此程序綜合出的電路如圖3所示。現(xiàn)態(tài)present_state與次態(tài)next_state均由兩個觸發(fā)器構(gòu)成，輸出wr和oe均由 present_state經(jīng)組合譯碼得到，因此從時(shí)鐘的上升沿到狀態(tài)機(jī)輸出的延遲為通過邏輯陣列的時(shí)鐘-輸出時(shí)延TCO2，而不是較短的時(shí)鐘-輸出時(shí)延 TCO，且輸出信號wr，oe直接來自組合邏輯電路，因而可能有毛刺發(fā)生。

2.2 輸出由并行輸出寄存器譯碼得到

在第一種方法中，主要由于輸出組合邏輯引入了延時(shí)，從而加大了時(shí)鐘-輸出時(shí)延。為了縮短狀態(tài)機(jī)輸出到達(dá)管腳的延時(shí)，可以在鎖存狀態(tài)位之前，先進(jìn)行輸出的組合邏輯譯碼并將其鎖存到專用寄存器中，時(shí)鐘上升沿到來時(shí)，專用寄存器中直接輸出wr和oe而沒有了組合邏輯引入的延時(shí)，從而使?fàn)顟B(tài)機(jī)輸出的延遲為TCO。實(shí)現(xiàn)該方案的方框圖如圖4。采用這種設(shè)計(jì)方法的VHDL源程序如下：

signalpresent_state:std_logic_vector（1 downto 0）;

signalnext_state:std_logic_vector（1 downto 0）;

signalwr_d，oe_d:std_logic;

begin

process（clk，ready，read_write）

begin

if（clk‘event and clk=’1‘）then

case present_stateis

when idle=＞

if ready=’1‘thennext_state＜=decision;

else next_state＜=idle;

endif ;

when decision=＞

if（read_write=’1‘） then next_state＜=read;

else next_state＜=write;

endif;

when read=＞

if（ready=’1‘）then

next_state＜=idle;

else next_state＜=read;

endif;

when others=＞

if（ready=’1‘）then

next_state＜=idle;

else next_state＜=write;

endif;

endcase;

endif;

endprocess;

withnext_stateselect

oe_d＜=’0‘ whenidle|decision|write，’1‘when others;

withnext_stateselect

wr_d＜=’0‘whenidle|decision|read，’1‘when others;

state_clock:process（clk）

begin

if（clk’eventandclk=‘1’）then

present_state＜=next_state;

oe＜=oe_d;

wr＜=wr_d;

endif;

endprocess;

在此程序中，用到了兩個新的信號oe_d和wr_d，對次態(tài)next_state進(jìn)行鎖存，不象第一種方案中將現(xiàn)態(tài)present_state進(jìn)行譯碼從而得到在下一個時(shí)鐘周期oe和wr的取值。對此程序綜合出的電路如圖5所示。oe_d和wr_d作為鎖存器D1和D2的輸入。因此D1、D2的輸出為上一個次態(tài)（即現(xiàn)態(tài)）的值。clk的上升沿到來時(shí)，D1、D2即將oe_d和wr_d鎖存，從而得輸出oe和wr。因此從時(shí)鐘的上升沿到狀態(tài)機(jī)輸出的延遲為時(shí)鐘-輸出時(shí)延TCO而不是通過邏輯陣列的時(shí)鐘-輸出時(shí)延TCO2。又由于時(shí)鐘信號將輸出加載到附加的D觸發(fā)器中，因而消除了輸出信號的毛刺。然而，這種方法存在兩個缺點(diǎn)：（1）由于用到了輸出寄存器，它比第一種設(shè)計(jì)需要多用兩個寄存器；（2）雖然它的時(shí)鐘-輸出時(shí)延從TCO2減小到TCO，但從狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)位到達(dá)oe和wr需要經(jīng)過兩級組合邏輯，這就影響了系統(tǒng)時(shí)鐘的最高頻率。

2.3 輸出直接從狀態(tài)位得到

為了能夠把時(shí)鐘-輸出時(shí)延限制在TCO內(nèi)，也可以將狀態(tài)位本身作為輸出信號。對于狀態(tài)位不是很多的狀態(tài)機(jī)而言，這種方法也許較前兩種更為優(yōu)越。某種情況下，可能會出現(xiàn)兩種不同狀態(tài)有相同的狀態(tài)位，此時(shí)只需增加一位狀態(tài)位加以區(qū)別即可。如此程序中，idle、decision、read、write四種狀態(tài)可分別編碼為000，001，100，010。采用這種方法所對應(yīng)的程序如下：

signalpresent_state:std_logic_vector（2downto0）;

state:process（clk，ready，read_write）；

begin

if（clk‘eventandclk=’1‘）then

case present_stateis

when “000”=＞ifready=’1‘ then present_state＜=“001”;

else present_state＜=“000”;

endif;

when “001”=＞if（read_write=’1‘） then

present_state＜=“100”;

else present_state＜=“001”;

endif;

when “100”=＞if（ready=’1‘）then

present_state＜=“000”;

elsepresent_state＜=“100”;

endif;

when “010”=＞if（ready=’1‘） then present_state＜=“000”;

else present_state＜=“010”;

endif;

when others=＞present_state＜=“---”;

endcase;

endif;

endprocess;

oe＜=present_state（2）;

wr＜=present_state（1）;

對此程序綜合出的電路如圖6所示。從圖中可知，輸出信號未通過額外的邏輯對現(xiàn)態(tài)進(jìn)行譯碼，而是直接來自狀態(tài)寄存器，因而輸出信號上沒有毛刺，并且它所用的宏單元少于通過并行輸出寄存器輸出的方式。

3 、結(jié)論

從以上分析可知，普通MOORE型狀態(tài)機(jī)時(shí)延最長，速度最慢，可應(yīng)用于對速度要求不高的場合。同時(shí)，由于它的輸出信號中有毛刺，更加限制了它的應(yīng)用范圍。后兩種方案在相同的條件下，具有相同的時(shí)延，即速度是相同的，但第二 種方案所占用面積要比第三種大得多，且對時(shí)鐘頻率有一定限制。如果可能的話，選擇“輸出直接從狀態(tài)位得到”類型狀態(tài)機(jī)是一個理想的方案，因?yàn)槠渌俣茸羁?，面積最小，設(shè)計(jì)這種狀態(tài)機(jī)時(shí)，必須在VHDL源碼中對狀態(tài)的編碼加以明確的規(guī)定，使?fàn)顟B(tài)和輸出信號的取值一致。所以只有在狀態(tài)機(jī)的規(guī)模較小時(shí)，才能很好地實(shí)現(xiàn)這種類型的設(shè)計(jì)。