The Fundamentals of Efficient Synthesizable Finite State Machine
This paper details proven RTL coding styles for efficient and synthesizable Finite State Machine (FSM) design using IEEE-compliant Verilog simulators. Important techniques related to one and two always block styles to code FSMs with combinational outputs are given to show why using a two always block style is preferred. An efficient Verilog-unique onehot FSM coding style is also shown. Reasons and techniques for registering FSM outputs are also detailed. Myths surrounding erroneous state encodings, full-case and parallel-case usage are also discussed. Compliance and enhancements related to the IEEE 1364-2001 Verilog Standard, the proposed IEEE 1364.1 Verilog Synthesis Interoperability Standard and the proposed Accellera SystemVerilog Standard are also discussed ### 高效可综合有限状态机的基础 #### 概述 本文主要探讨了高效且可综合的有限状态机(Finite State Machine, FSM)设计方法,特别关注使用符合IEEE标准的Verilog模拟器进行RTL级编码的技术。论文由Clifford E. Cummings撰写,并在2002年国际Cadence用户组会议上被评为最佳论文第二名。文中详细介绍了多种FSM编码风格及其优缺点,并提供了高效编码、仿真及综合FSM设计的指导原则。 #### 一与二个always块风格对比 ##### 一个always块风格 - **定义**:在单个always块中同时处理组合逻辑输出和状态转移。 - **问题**: - 维护性较差,尤其是在复杂的FSM设计中。 - 不利于时序分析,可能导致综合工具难以优化路径。 ##### 两个always块风格 - **定义**:采用两个always块分别处理状态转移(通常使用非阻塞赋值)和组合逻辑输出(通常使用阻塞赋值)。 - **优点**: - 提高代码的可读性和维护性。 - 更易于时序分析和优化。 - 有助于避免竞争条件,确保更稳定的系统行为。 #### Verilog独特的One-Hot FSM编码风格 - **定义**:每个状态只使用一个寄存器位来表示,而非传统的编码方式(如二进制编码)。 - **优点**: - 减少状态之间的转换次数,从而提高性能。 - 简化状态检测逻辑,减少组合逻辑的复杂度。 - 自然地避免了非法状态的发生,提高了系统的稳定性。 - **应用场景**:适用于状态数量不多的情况,因为需要消耗更多的寄存器资源。 #### FSM输出的注册技术 - **必要性**:在某些情况下,需要对FSM的输出进行注册,以避免毛刺或时序问题。 - **实现方法**: - 使用额外的寄存器来保存输出信号。 - 在输出路径中添加适当的同步机制。 - **注意事项**:注册输出可能会影响时序性能,因此需要根据具体情况进行权衡。 #### 关于错误的状态编码和case语句的讨论 - **错误的状态编码**:不恰当的状态编码会导致非法状态或不可预测的行为,例如使用非最优的二进制编码。 - **全case和并行case的使用**: - **全case**:每个状态都必须有一个对应的case项,以确保所有可能的情况都被覆盖。 - **并行case**:多个case项可以并行执行,但这可能导致竞争条件或非法状态,因此应谨慎使用。 #### IEEE标准及相关规范的遵守与增强 - **IEEE 1364-2001 Verilog标准**:规定了Verilog语言的基本语法和功能。 - **IEEE 1364.1 Verilog综合互操作性标准**:旨在改善不同综合工具间的兼容性和一致性。 - **Accellera SystemVerilog标准**:提供了一系列增强特性,包括类型安全、模块化等,以支持更高级的设计和验证需求。 通过上述讨论,我们可以看到,在设计FSM时,选择合适的编码风格和技术至关重要。采用正确的编码技巧不仅可以提高设计的效率和可维护性,还可以显著提升最终产品的性能和可靠性。此外,了解并遵守相关标准对于确保设计的一致性和互操作性也具有重要意义。































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