Hardware-Entwurf mit VHDL

Hardware-Entwurf mit VHDL
Prof. Dr.-Ing. Stefan Wolter Elektrotechnik und Informatik
6.5.4 Zustandscodierung
In den bisherigen Modellen wurde für die Definition der Zustände ein Aufzählungstyp mit symbolischen
Namen verwendet. Abhängig von der gewählten Zustandscodierung wird bei der FSM-Synthese
den symbolischen Zuständen eine Bitrepräsentation zugeordnet, so dass die Zustände durch Bitkobinationen
codiert werden können und der Zustandsspeicher durch Flipflops realisiert werden kann.
Die Art der Zustandscodierung beeinflusst nicht das funktionale Verhalten des Automaten, wohl aber
den Hardwareverbrauch und die erreichbare Taktfrequenz. Wegen des Einflusses der Zustandscodierung
auf den Hardwareverbrauch und die Geschwindigkeit eines Automaten werden im folgenden gebräuchliche
Zustandscodierungen, deren VHDL-Modellierung und deren Auswirkungen auf das Synthesergebnis
näher behandelt.
Varianten der Zustandscodierung:
• Die binäre Zustandscodierung nummeriert die Zustände binär durch. Mit n Flipflops können 2 n
verschiedene Zustände gespeichert werden. Mit dieser Codierung erreicht man eine minimale
Anzahl an Flipflops. Für die Schaltnetze aber wird zusätzliche Logik benötigt.
• Bei der einschrittigen Zustandscodierung nach dem Gray-Code werden die Zustände den
Binärwerten so zugeordnet, dass sich bei Zustandsänderungen nur ein Zustandsbit ändert. Dies
begünstigt kleinere Übergangsschaltnetze, da weniger Logik für das Setzen und Rücksetzen
der Flipflops benötigt wird. Mit dieser Codierung erreicht man ebenfalls eine minimale Anzahl
an Flipflops.
• Die sog. One-Hot Codierung ordnet jedem Zustand ein eigenes Flipflop zu. Der Status eines
Automaten wird so durch nur jeweils ein gesetztes Flipflop bestimmt. Automaten, die mit diesem
Zustandscode generiert wurden, haben meistens die kleinsten Verzögerungszeiten, aber
auch den größten Flächenverbrauch, da jeder Zustand ein eigenes Flipflop benötigt.
Beispiel: Zustandscodierungen für vier Zustände
Umsetzung der Zustandscodierung:
Zustand Binär Gray One-Hot
S0 00 00 0001
S1 01 01 0010
S2 10 11 0100
S3 11 10 1000
Tabelle 6.1: Binäre, Gray und One-Hot Zustandscodierung
Die bisherigen VHDL-Modelle enthielten für die Zustandsdefinition etwa folgende Deklarationen:
TYPE State_type IS (SO, S1, S2, S3);
SIGNAL CurrentState : State_Type;
SIGNAL NextState : State_Type;
VHDL-SYNTHESE 170