FPGA之道（56）状态的编码方式

文章目录

• 前言
• 状态的编码方式
• • binary
  • one-hot
  • gray
  • johnson
  • auto
  • compact
  • sequential
  • user
  • speed
  • none
  • safe mode

前言

据我说知，并非在代码设计时，状态编码写成什么样子就会综合成什么样子，还需要对综合属性进行操作，那具体是什么样子呢？一起看看《FPGA之道》对这一问题是怎么描述的。

本文摘选自《FPGA之道》。

状态的编码方式

状态编码是使用特定数量的寄存器，通过特定形式的取值集合，将状态集合表示出来的过程。这一工作通常是由编译器完成的，我们可以通过修改编译选项或者添加综合约束的方式来影响状态编码的结果。下面就以相关的编译选项为线索，对各种不同的状态编码方式做一些介绍。

binary选项表示采用二进制的编码方式来进行状态编码，它的特点是编码简单，非常符合人们通常的计数规则。例如，状态集合为{S0、S1、S2、S3}，那么若采用binary的编码方式，结果应该为：

S0 = 00；

S1 = 01；

S2 = 10；

S3 = 11。

one-hot选项表示采用one-hot（又叫独热码）的编码方式来进行状态编码，它的特点是状态寄存器在任何状态时的取值都仅有一位有效。例如，状态集合为{S0、S1、S2、S3}，那么若采用one-hot的编码方式，结果应该为：

S0 = 0001；

S1 = 0010；

S2 = 0100；

S3 = 1000。

由此可见，one-hot编码方式的结果其实就是二-四译码器的输出，因此在状态选择时需要的译码电路也最简单，译码速度也最快，而且还能够避免译码时引起毛刺，因此对FPGA设计的速度性能和功耗非常有利，在一些大型电路中使用的较多。

不过one-hot编码方式占用的寄存器资源较多，因此适合在寄存器富裕时使用，而且由于任意两个状态之间所对应的寄存器取值都有两位不同，因此在状态切换时会产生不稳定态，而这会对组合形式的输出信号产生不好的影响。

gray选项表示采用格雷码的方式来进行状态编码，它的特点是相邻两个状态的寄存器表示仅有一位变化，更多关于格雷码的概念和具体编码公式请参考【本篇->编程思路->数字电路中的隐患->寄存器输出的不稳定态->特定情况下去除不稳定态的方法】小节。例如，状态集合为{S0、S1、S2、S3}，那么若采用binary的编码方式，结果应该为：

S2 = 11；

S3 = 10。

由于两个状态之间仅有1位不同，因此非常有利于消除当状态机在相邻状态间跳转时所产生的毛刺，不过上述优势的前提是必须保证状态机的状态迁移是顺序或逆序变化的，所以gray编码方式仅适用于分支较少的状态机，而当状态机的规模较为庞大时，gray码的优势便很难得到发挥。

johnson选项表示采用约翰逊码的方式来进行状态编码，它与gray编码方式的效果类似，仅适用于分支较少的状态机。不过与gray编码方式通常采用N位寄存器可表示个状态不同，johnson编码方式通常采用N位寄存器表示2N个不同的状态。它码字生成原则为：初始时N位寄存器取值均为0；然后取最高位（左边）的寄存器，在对其值取反后将其放在最低位（右边）的寄存器后，形成新的最低位；如此往复2N+1次，便得所有johnson码字。例如，状态集合为{S0、S1、S2、S3、S4、S5}，共6个状态，那么若采用johnson的编码方式，寄存器位宽应为3，编码结果应该为：

S0 = 000；

S1 = 001；

S2 = 011；

S3 = 111；

S4 = 110；

S5 = 100。

通过上例可见，johnson编码后的两个相邻状态之间也仅有1位不同。

auto选项表示自动选择的意思，它是编译器在进行状态编码时的默认选项，此时编译器将会根据它的判断选择它认为合适的状态编码方式。

compact选项表示采用最精简、节省的方式来进行状态编码，即采用最少的寄存器来表示整个状态集合。compact选项关注的是资源上面的节省，这点和one-hot恰恰相反，通过前面的介绍，binary等编码方式都可能在compact选项下被使用。

sequential选项表示采用尽最大努力优化当前状态到下一状态的等式处理，使得产生次态的逻辑最简。

user选项表示采用自定义的方式进行编码，它沿用用户在HDL代码中为状态集合所赋予的编码方式，正如我们在【状态机的HDL模板->状态集合的HDL定义->实现层级的定义】小节中所描述的那样 。如果该选项未被使能，那么编译器将无视我们在HDL代码中为状态集合显示赋予的那些编码值。