有限状態遷移機械（FSM）設計

有限状態遷移機械（FSM）設計
© 渡部謹二, 小川清

2013/03/03

(c)watabe.kinji,
nagoya.kaizen@gmail.com

FSM設計はじめに
 

 

組み合わせ論理回路
  入力の組み合わせだけで出力が決まる
有限状態遷移機械（FSM : Finate State Machine）
  順序論理回路、状態機械(state machine)ともいう
  入力とその回路の状態で次の状態が決まる
  ミーリ（Mealy）型
  状態と入力の組み合わせで出力を決定する
  ムーア（Moore）型
  ひとつの状態につき一つの出力を決定する
2013/03/03

(c)watabe.kinji, nagoya.kaizen@gmail.com

FSM設計状態遷移図
 
 

FSM設計を示すのに状態遷移図をつかう
状態遷移図とは？
 
 

状態、入力、出力からなる図
同期式設計の場合は同期クロック1つごとに状態遷移する

xk/yl

Qi

2013/03/03

xk/yl

Qj


Qi

FSM設計状態遷移図からVerilog記述へ

INIT_STATE

module test_state(rst,clk,in_a,);
input rst,clk,in_a;
in_a
が0

A_STATE

B_STATE

2013/03/03

in_a
が1

parameter INIT_STATE = 3’b001;
parameter A_STATE = 3’b010;
parameter B_STATE = 3’b100;
reg[2:0] state;
always @(posedge clk or
posedge rst) begin
(省略）
end
endmodule


FSM設計状態遷移図からVerilog記述へ
 

書式はD-FFの記述と同じ
 

状態変数をreg宣言する
 

 

状態名を割り当てる
 
 

 

各状態に数値を割り当てる（2進数でよい）
状態名をparameter文で記述すると分かりやすい

always文中のcase文で各状態における動作と
状態遷移を記述する
 

 

状態変数でビット幅を多くとっても回路合成時に最適
化する

各状態は1クロックごとに遷移する

出力がないと結果が見えないのでoutputを指定

2013/03/03


FSMの回路合成について
 

エンコーディング方式によ
り合成する回路が異なる
 

 

 

コンパイラのオプションなど
でエンコーディング方式が
選択できる
エンコーディング方式によ
り回路規模や安定性に違
いがある
コンパイラによって得手不
得手がある。いろいろやっ
て回路で確かめ。
2013/03/03


状態遷移表の作成
 

状態から状態への遷移を表にする
 
 

図ではなぜ遷移が無いかを書き切れない
遷移の表記漏れを防げる
 

2013/03/03

リセット


状態遷移表に基づく設計
 

同時に多くの状態が遷移する条件を同時に処理
 
 
 
 
 
 
 
 
 

case(in_a)
in_0:begin
state <= A_STATE;
end
default:begin //default include in_1(これでいいか)
if (state == A_STATE) state <= B_STATE;
else state <= A_STATE;
end
endcase
2013/03/03


状態遷移表に基づいた設計の回路
 

論理が単純だ
と回路も単純
 

 

FPGAに配線
する時に合理
的かどうかは
別
設計条件の
間違いは見
つけられない

2013/03/03


状態遷移の鍵
 

電源投入時の過渡現象
 

 
 

電源投入時の状態遷移図（表）を作る

再設定(reset)時の過渡現象
同時に２つの事象が起きた場合に不定か
どうか

2013/03/03


実習
 
 
 

自動販売機のVerilog HDL回路記述を行う
状態遷移図、遷移表、ASMチャートを記述
記述が正しいかどうか検証を行う
 
 

テストベンチ記述方法の補足
グループ演習：
 
 
 

2013/03/03

テスト計画、テストベンチ記述、報告＆レビュー
仕様および回路記述の修正
周辺回路の設計

外形設計
 

clk
nickel_in
dime_in
quarter_in
reset

dispense

 

nickel_out

 

dime_out
collect

 
 
 
 
 
 

2013/03/03

clk:クロック
reset：リセット
nickel_in：５㌣投入
dime_in:１０㌣投入
quarter_in:２５㌣投入
dispense:ドリンク送出
nickel_out:５㌣返却
dime_out:１０㌣返却
collect:硬貨受け取り


dime_in

dime_in
nickel_in

FIFTEEN
quarter_in
dispense
nickel_out

nickel_in

dime_in

TEN
dime_in

quarter_in

nickel_in

TWENTY_FIVE

dime_in
dispense
dime_out

nickel_in

2013/03/03

IDLE

dime_in

quarter_in
dispense
dime_out
nickel_out

quarter_in
dispense
dime_out

quarter_in
dispense

nickel_in

FIVE

TWENTY

OWE_DIME

dime_in
dispense
nickel_out

quarter_in
dispense
dime_out

nickel_in
nickel_in
dispense

THIRTY

quarter_in (c)watabe.kinji, nagoya.kaizen@gmail.com

実習検証計画を立ててみよう
 
 
 
 
 

状態遷移図は正しいか？状態遷移表を書いたか?
ASMチャートとどちらがよいか?
状態遷移図を正しく設計記述しているか？
何を証拠にするか？
網羅率（coverage）
 
 

2013/03/03

すべての状態を網羅しているテストセットか？
すべての状態遷移を網羅しているテストセットか？


 

いろいろな視点を導入する
 

同時にボタンを押したら？
 

 
 
 

 

同時とはどれぐらいの時間精度か？

順番が逆になったら？
信号が連続でやってきたら
状態遷移が二順目になったら？（☆）

非同期部にエラーが隠れている場合が多い
 
 

2013/03/03

モジュールの接合部
リセットのタイミング、順番など


実習、中入り
 

検証は難しかったか？
 
 
 

 

どのような視点を取り入れたか？
どのようにすれば網羅率、効率が上がるか？
検証のしやすい設計だったか？

保守性、（拡張性、再利用性）はどうか？
 

 
 

（例）商品のバリエーションが増えたら、価格が上がっ
たら
状態間、状態経路の依存性が小さいか？
状態数を圧縮できないか？
 

2013/03/03

サブステート、サブカウンタなどを利用できないか？

検証、テスト計画
 

仕様検討時に検証・テスト方法も考えてお
くと良い
 

 

設計にも役に立つ

設計時の検討事項を利用する
 

2013/03/03

状態遷移図を構成するためのユースケース
（シナリオ）は検証・テストに利用でき、設計と
テスト設計の分業に役立つ


お疲れ様でした
 

本資料に関して不明な点は小川清
(nagoya.kaizen@gmail.com)までご連絡ください

2013/03/03


付録：流れ図(flow chart)による設計

2013/03/03


なぜ流れ図ではFSM（回路）記述し
辛いのか
 

流れ図には時間の概念があいまいになっ
ている
 

 

 

1クロックで行うことごとに処理を分けなければ
ならない
FSMでは並列度を上げれば一つのクロックで
どれだけの処理でも行うことができる
FSMはレジスタの操作に最低1クロックかかる
 

2013/03/03

レジスタ操作が一つの状態に相当する

ASM図の紹介
 

流れ図の一つでFSMの設計に用いる
 
 

2013/03/03

流れ図に時間の概念を導入したもの
FSMの振る舞い(behavior)を記述する


ASM図
 

Algorithmic
state machine
chart
 

2013/03/03

右図は自動車
速度コントロー
ラの例


ASM図の部品
 
 

状態箱(state box)
条件出力/レジスタ操作
箱(conditional output
or register operation
box)
 

 

決定箱(decision box)
 

2013/03/03

レジスタの値の操作に
相当する
条件分岐を示す


ASM図
 
 
 

データ構成を決定する
状態ボックスなしのASM図へ流
れ図を変換する
記述したASM図（状態箱なし）は
ASM箱にまとめる
 

ASM箱は一つの状態に対応する
 

 

2013/03/03

つまり条件出力/レジスタ操作箱を越
えると別の状態にする
決定箱はいくつ含んでも良い


補足：「条件出力/レジスタ操作箱」
について
 

money=0;
n_o=0;
d_o=0;
dispense =0
collect=0;

2013/03/03

この箱では1クロック
で行うレジスタ操作
（レジスタへの代入
を含む演算）を記述
する


 

「条件出力/レジスタ
操作箱を越えると別
の状態になる」、「並
列処理はいくつでも可
能」であるので左のよ
うな状態はOK
 
 

2013/03/03

もちろん分けてもOK
つまり縦列のレジスタ
操作はNG


フローチャートからASMチャートへ１

 
 

信号名、レジスタ名を決定する
流れ図を「信号」と「条件出力/レジスタ操
作ブロック」、「決定ボックス」で表現する

2013/03/03


流れ図からASM図へ２
Dispenc
e=0
Collect
=0

Dispenc
e=0
Collect
=0

Money>
0

Money>
0
Money>
=10
Money>
=5

 
 

Dispenc
e=0
Collect
=0

D_o=
1
N_o=
1

D_o=
0
N_o=
0

Money>
=10
Money>
=5

Money>
0
D_o=
1
N_o=
1

D_o=
0
N_o=
0

ASM図を状態に分ける
各状態の最初に状態箱をつける
2013/03/03


Money>
=10
Money>
=5

D_o=
1
N_o=
1

D_o=
0
N_o=
0

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