針對狀態(tài)機的綜合優(yōu)化策略

有限狀態(tài)機及其設計技術是數(shù)字系統(tǒng)設計中的重要組成部分，是實現(xiàn)高效率、高可靠性邏輯控制的重要途徑。大部分數(shù)字系統(tǒng)都可以劃分為控制單元和數(shù)據單元兩個組成部分。通常，控制單元的主體是一個狀態(tài)機，它接收外部信號以及數(shù)據單元產生的狀態(tài)信息，產生控制信號序列。狀態(tài)機性能的好壞對系統(tǒng)性能有較大的影響。良好的狀態(tài)機的實現(xiàn)不僅與狀態(tài)機的設計有關，而且與采用的綜合策略密切相關，不同的綜合策略對最終實現(xiàn)的狀態(tài)機的性能有很大的影響。

　　Synopsys公司的DC （Design Compiler，設計編譯程序）提供了針對狀態(tài)機的綜合優(yōu)化策略，這個過程既可以完全自動進行，也可以手工進行。本文論述了兩種綜合策略的實現(xiàn)。

　　1　狀態(tài)機的基礎描述

　　從數(shù)學的角度看，有限狀態(tài)機可以表示為一個五元組M = （I， O， S，δ，λ） 。其中： I和O 分別表示輸入、輸出量; S 為狀態(tài)向量;δ為次態(tài)方程（δ： S ×I） ;λ為輸出方程（λ： S ×I） 。

　　從實際狀態(tài)機的實現(xiàn)角度出發(fā)，根據輸出方程，有限狀態(tài)機可以分為3類：

　　a） 輸出是狀態(tài)向量和輸入的函數(shù)———Mealy型狀態(tài)機（λ： S ×I →O ） ;

　　b） 輸出僅是狀態(tài)向量的函數(shù)———Moore 型狀態(tài)機（λ： S →O ） ;

　　c） 輸出等于狀態(tài)向量———狀態(tài)輸出型狀態(tài)機（λ： S = O ） 。

　　在實際中最常用的狀態(tài)機是Mealy型和Moore型狀態(tài)機。

　　從電路的角度看，有限狀態(tài)機是由觸發(fā)器、寄存器和組合邏輯組合成的系統(tǒng)，圖1展示了有限狀態(tài)機的一般結構：一組保存狀態(tài)向量的觸發(fā)器，產生次狀態(tài)和輸出的組合邏輯。

圖1　有限狀態(tài)機一般結構

　　1.1　狀態(tài)表

　　為了采用DC的有限狀態(tài)機優(yōu)化策略，必須首先把原始的狀態(tài)機轉換為用DC狀態(tài)表描述的格式，這種轉換可以自動完成，也可以手動完成。Synopsys的狀態(tài)表提供了一種簡單的、獨立于工藝的有限狀態(tài)機描述方式。下面是一個狀態(tài)表的例子

　　# State table body

　　Input PresentNextOutput

　　Value State State Values

　　0 RESET RESET 00

　　1 RESET STATE1 01

　　0 STATE1 RESET 10

　　1 STATE1 STATE1 11

　　# Preferred state encoding

　　.encoding

　　RESET 2#00

　　STATE1 2#01

　　狀態(tài)表的主體由行組成，每一行描述狀態(tài)機的一個特定的狀態(tài)轉換。每行有4列：輸入值，當前態(tài)，次態(tài)，輸出值。有的輸入可以引發(fā)狀態(tài)轉換，有的則不會。從狀態(tài)表可以很容易看出狀態(tài)機的轉換行為。狀態(tài)表還可以包含一個可選的部分，用于給出首選的狀態(tài)編碼，這些狀態(tài)編碼可以以十進制、二進制或者十六進制給出。

　　例子中的狀態(tài)表包括： 1個輸入; 2個狀態(tài)，即RESET和STATE1; 4種輸出，即RESET和STATE1分別編碼為0 和1。RESET態(tài)只在輸入為1 時轉換到STATE1態(tài)，輸出變?yōu)?1，而STATE1態(tài)只在輸入為0時轉換到RESET態(tài)，輸出變?yōu)?0。

　　例子中所有可能的輸入輸出和狀態(tài)組合都被用到了，如果狀態(tài)機用到的狀態(tài)少于可用的編碼，便可以創(chuàng)建只包含所需要使用的狀態(tài)轉換的狀態(tài)表，其他未指明的狀態(tài)則按不關心態(tài)處理。

　　1.2　狀態(tài)向量

　　狀態(tài)向量是描述狀態(tài)機的元素之一，是通過觸發(fā)器實例名稱的有序列表來指定的。指定的觸發(fā)器存儲了有序的位模式，這些位模式定義了有限狀態(tài)機在任何給定時刻的當前狀態(tài)。一個特定的觸發(fā)器位模式與一個狀態(tài)相對應。例如， ff1、ff2、ff3是觸發(fā)器的實例名稱，則列表{ ff1 ff2 ff3}定義了一個3位的狀態(tài)向量，這個狀態(tài)向量可以表示不多于8個狀態(tài)的有限狀態(tài)機。

　　1.3　狀態(tài)編碼

　　狀態(tài)編碼是描述狀態(tài)機的另一個元素。有限狀態(tài)機的狀態(tài)編碼用符號定義了狀態(tài)機的所有合法狀態(tài)的位編碼。編碼確定哪些狀態(tài)向量的位模式代表合法狀態(tài)，哪些位模式可以當作不關心態(tài)。不關心態(tài)提高了工具達到好的優(yōu)化結果的可能性。大多數(shù)以HDL （硬件描述語言）或狀態(tài)表給出的設計，DC可以直接從代碼中提取出狀態(tài)編碼。在工具不能得到狀態(tài)編碼時要使用命令set_fsm_encoding來手動建立狀態(tài)編碼。對于以其他形式給出的設計，必須使用命令set_fsm_encoding手工建立狀態(tài)編碼。

　　1.4　編碼風格

　　DC在優(yōu)化中可以使用one2hot （單狀態(tài)） 、二進制、格雷碼和自動編碼4種類型中的一種來分派狀態(tài)機的狀態(tài)。不同的編碼風格可以導致具有很大差異的優(yōu)化結果。

　　One2hot風格編碼使用與狀態(tài)機狀態(tài)數(shù)相等的位來編碼狀態(tài)，每一個狀態(tài)的編碼只有1位是1，其余各位都是0，所以這種編碼方式需要與狀態(tài)數(shù)相等數(shù)目的觸發(fā)器。這種編碼方式簡化了組合邏輯，可以獲得最快的速度，但同時會大大增加設計的面積。二進制和格雷碼編碼方式按照一定的順序用二進制序列或者格雷碼序列來表示狀態(tài)機的狀態(tài)，這兩種編碼方式可以降低所需的觸發(fā)器的數(shù)目，但速度不及one2hot編碼方式。自動編碼方式使用一種隨機的風格產生狀態(tài)編碼，這種編碼能在使用最短編碼長度的情況下最大限度地降低組合邏輯的復雜度。采用什么樣的編碼風格，要根據設計需要進行選擇。

　　2　狀態(tài)機優(yōu)化策略及實施

　　狀態(tài)機的優(yōu)化包括兩步，首先是提取狀態(tài)機邏輯，然后是優(yōu)化基于內部狀態(tài)表表示的狀態(tài)機。這個過程既可以完全自動進行，也可以手工進行。自動優(yōu)化策略需要DC2Ultra的許可證（license） ，手動優(yōu)化策略需要DC2Expert的許可證。

　　2.1　基于DC Ultra的自動優(yōu)化策略

　　自動優(yōu)化策略由讀和編譯兩個階段組成。

　　a） 讀階段：讀進HDL或者以狀態(tài)表描述的設計;自動偵測狀態(tài)機的觸發(fā)器;標明狀態(tài)機的狀態(tài)向量和狀態(tài)編碼特性。

　　b） 編譯階段：重新劃分包含狀態(tài)機的設計層次;從劃分后的設計中提取狀態(tài)機;確定編碼風格;如果可能，減小轉態(tài)數(shù);分派狀態(tài);基于狀態(tài)機的邏輯網表產生DC內部數(shù)據結構的狀態(tài)分派;展平新創(chuàng)建的設計層次;繼續(xù)其他DC優(yōu)化步驟。

　　圖2是自動優(yōu)化的流程，其中列出了不同的可選命令，可以根據不同的設計進行取舍。

圖2　基于DC Ultra的有限狀態(tài)機自動優(yōu)化流程

　　2.2　基于DC2Expert的手動優(yōu)化策略

　　當輸入設計文件不是以HDL描述的，或者DC不能從HDL文件中自動識別出狀態(tài)機時，就要采用手動優(yōu)化策略。

　　圖3為手動優(yōu)化策略的基本流程，其中展示了使用的命令、描述狀態(tài)機的狀態(tài)表和網表之間的關系。

圖3　FSM 手機優(yōu)化命令算法

　　從圖3中可以看出，手動優(yōu)化包括網表生成、狀態(tài)表提取、基于狀態(tài)表的優(yōu)化和網表映射4 個階段。Compile命令基于輸入的HDL 文件生成網表， Extract命令基于網表生成狀態(tài)表， Compile命令再基于狀態(tài)機優(yōu)化的狀態(tài)表生成映射的網表。可選命令reduce_fsm和minimize_fsm基于狀態(tài)表操作， reduce _fsm試圖降低狀態(tài)機相關的組合邏輯的復雜度， minimize_fsm則試圖減少狀態(tài)數(shù)目。

　　手動優(yōu)化包含如下步驟：

　　（b）將設計讀入DC。

　　如果設計不是以狀態(tài)表格式給出的，按如下步驟提取狀態(tài)表：

　　運行comp ile2map_effort low得到一個輸入文件的網表;

　　根據需要使用set_fsm_state_vector指定狀態(tài)向量;

　　使用group2fsm 將狀態(tài)機邏輯劃分到一個單獨的模塊，并將該模塊設為當前設計;

　　使用set_fsm_encoding分派狀態(tài)機狀態(tài);

　　使用extract從設計中提取狀態(tài)機邏輯;

　　根據需要使用reduce_fsm降低狀態(tài)機相關的組合邏輯的復雜度;

　　根據需要使用minimize_fsm，則試圖減少狀態(tài)數(shù)目;使用minimize_fsm，則試圖減少狀態(tài)數(shù)目。

　　c） 根據需要選用適當?shù)拿睿薷幕跔顟B(tài)表的狀態(tài)機的屬性，如狀態(tài)向量、狀態(tài)編碼、編碼風格等。

　　d） 指定電路級約束條件和屬性。

　　e） 編譯整個設計。

圖4是提取狀態(tài)機的流程。

圖5是基于狀態(tài)表的優(yōu)化流程。　　

　　3　應注意的問題

　　并非所有的有限狀態(tài)機都可以使用本文所介紹的優(yōu)化策略，原始的設計文件應該滿足下列條件：

　　a） 所有的端口應該僅為輸入或者輸出端口，不支持輸入輸出端口。

　　b） 當一個模塊中有多個狀態(tài)機時，每次編譯時只能提取出1個狀態(tài)機，而提取哪個狀態(tài)機是隨機的，所以推薦每個模塊僅包含1個有限狀態(tài)機。

　　c） 狀態(tài)機只能包含1個時鐘。

　　4　結束語

　　采用本文介紹的優(yōu)化策略，在不改變源代碼的前提下，較之標準編譯過程可以有效地提高狀態(tài)機的性能。但因為在優(yōu)化過程中特別是手動優(yōu)化過程中對狀態(tài)重新進行了編碼，如果新的編碼與原來的編碼不一致，會導致邏輯錯誤，所以在使用這一策略時還要輔以其他手段進行邏輯驗證。