MOORE型有限状态机的设计方案分析

1 、引言

随着微电子技术的迅速发展，人们对数字系统的需求也在提高。不仅要有完善的功能，而且对速度也提出了很高的要求。对于大部分数字系统，都可以划分为控制单元和数据单元两个组成部分。通常，控制单元的主体是一个有限状态机，它接收外部信号以及数据单元产生的状态信息，产生控制信号序列。MOORE型有限状态机的设计方法有多种，采用不同的设计方法，虽然可以得到相同功能的状态机，但它们的速度、时延特性、占用资源可能有较大的差异。在某些对速度要求很高的场合，如内存控制器，则需要针对速度进行优化设计。

2 、MOORE型有限状态机的几种设计方法

2.1 输出由状态位经组合译码得到

它的实现方案是：现态与输入信号经组合逻辑得到次态，在时钟的上升沿到来时，状态寄存器将次态锁存得到现态，现态经过输出组合逻辑译码得到输出信号。如图 1所示。由于输出必须由现态的状态位经过译码得到，这就需要在现态与输出之间增加一级组合译码逻辑，从而加大了从状态位到器件输出管脚的传输延迟，同样也增加了时钟-输出时延TCO。

假设一个简单的内存控制器的状态转换图如图2所示。一个完整的读写周期是从空闲状态idle开始。在ready信号有效之后的下一个时钟周期转移到判断状态decision，然后根据read_write信号再转移到read或write状态。则采用这种设计方法的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;

对此程序综合出的电路如图3所示。现态present_state与次态next_state均由两个触发器构成，输出wr和oe均由 present_state经组合译码得到，因此从时钟的上升沿到状态机输出的延迟为通过逻辑阵列的时钟-输出时延TCO2，而不是较短的时钟-输出时延 TCO，且输出信号wr，oe直接来自组合逻辑电路，因而可能有毛刺发生。

2.2 输出由并行输出寄存器译码得到

在第一种方法中，主要由于输出组合逻辑引入了延时，从而加大了时钟-输出时延。为了缩短状态机输出到达管脚的延时，可以在锁存状态位之前，先进行输出的组合逻辑译码并将其锁存到专用寄存器中，时钟上升沿到来时，专用寄存器中直接输出wr和oe而没有了组合逻辑引入的延时，从而使状态机输出的延迟为TCO。实现该方案的方框图如图4。采用这种设计方法的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，用到了两个新的信号oe_d和wr_d，对次态next_state进行锁存，不象第一种方案中将现态present_state进行译码从而得到在下一个时钟周期oe和wr的取值。对此程序综合出的电路如图5所示。oe_d和wr_d作为锁存器D1和D2的输入。因此D1、D2的输出为上一个次态（即现态）的值。clk的上升沿到来时，D1、D2即将oe_d和wr_d锁存，从而得输出oe和wr。因此从时钟的上升沿到状态机输出的延迟为时钟-输出时延TCO而不是通过逻辑阵列的时钟-输出时延TCO2。又由于时钟信号将输出加载到附加的D触发器中，因而消除了输出信号的毛刺。然而，这种方法存在两个缺点：（1）由于用到了输出寄存器，它比第一种设计需要多用两个寄存器；（2）虽然它的时钟-输出时延从TCO2减小到TCO，但从状态机的状态位到达oe和wr需要经过两级组合逻辑，这就影响了系统时钟的最高频率。

2.3 输出直接从状态位得到

为了能够把时钟-输出时延限制在TCO内，也可以将状态位本身作为输出信号。对于状态位不是很多的状态机而言，这种方法也许较前两种更为优越。某种情况下，可能会出现两种不同状态有相同的状态位，此时只需增加一位状态位加以区别即可。如此程序中，idle、decision、read、write四种状态可分别编码为000，001，100，010。采用这种方法所对应的程序如下：

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）;

对此程序综合出的电路如图6所示。从图中可知，输出信号未通过额外的逻辑对现态进行译码，而是直接来自状态寄存器，因而输出信号上没有毛刺，并且它所用的宏单元少于通过并行输出寄存器输出的方式。

3 、结论

从以上分析可知，普通MOORE型状态机时延最长，速度最慢，可应用于对速度要求不高的场合。同时，由于它的输出信号中有毛刺，更加限制了它的应用范围。后两种方案在相同的条件下，具有相同的时延，即速度是相同的，但第二 种方案所占用面积要比第三种大得多，且对时钟频率有一定限制。如果可能的话，选择“输出直接从状态位得到”类型状态机是一个理想的方案，因为其速度最快，面积最小，设计这种状态机时，必须在VHDL源码中对状态的编码加以明确的规定，使状态和输出信号的取值一致。所以只有在状态机的规模较小时，才能很好地实现这种类型的设计。