狀態(tài)機(jī)的可監(jiān)控維度該如何考慮

》狀態(tài)機(jī)該怎么監(jiān)控

最近遇到一個(gè)關(guān)于狀態(tài)機(jī)的問題，具體的業(yè)務(wù)就不講了。關(guān)于FSM怎么寫這種初級(jí)問題在這里也不講了。這里我們只關(guān)注下在真實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景里，從監(jiān)控的角度來看，該如何去看待FSM。 FPGA設(shè)計(jì)里，除了功能實(shí)現(xiàn)之外，最重要的一部分就是DFX的設(shè)計(jì)。畢竟燒錄完之后我們也只能通過DFX來去觀測(cè)內(nèi)部的狀態(tài)(說JTAG的請(qǐng)繞過，那頂多是開發(fā)階段)。在考慮資源允許的情況下，我們要做的應(yīng)當(dāng)是有充分的DFX能夠幫助我們?nèi)ビ^測(cè)內(nèi)部的狀態(tài)。一個(gè)工程做下來往往是在補(bǔ)DFX時(shí)覺得要添加的太多了，而到真實(shí)需要定位問題的時(shí)候則又會(huì)感嘆“當(dāng)初怎么不多添加些DFX”～ 回到對(duì)FSM的處理，一開始想到的可能是：

把FSM的當(dāng)前狀態(tài)添加到DFX中。

沒毛病，我們能夠清楚的觀察到當(dāng)前狀態(tài)機(jī)處于什么狀態(tài)。但當(dāng)狀態(tài)機(jī)如果處于卡死不動(dòng)的狀態(tài)，那我們所需要的就是導(dǎo)致當(dāng)前狀態(tài)卡住的信號(hào)的狀態(tài)：

把FSM各條件跳轉(zhuǎn)的判斷信號(hào)添加到DFX中。

上面兩條也基本是我們之前設(shè)計(jì)常常會(huì)做的內(nèi)容。然而這里面只是對(duì)下面的場(chǎng)景做了監(jiān)控：

狀態(tài)機(jī)卡住的場(chǎng)景——通過狀態(tài)跳轉(zhuǎn)條件的DFX信號(hào)去判斷卡住的原因

對(duì)于DFX信號(hào)，像我們通過PCIe寄存器鏈路去讀取DFX信號(hào)時(shí)不可能獲取到每拍的結(jié)果，因而上面的DFX信號(hào)添加方式也就只能針對(duì)FSM卡死的情況進(jìn)行定位判斷。然而很不幸，這一次我遇到了一個(gè)狀態(tài)機(jī)在跳轉(zhuǎn)，只是沒有跳轉(zhuǎn)到一個(gè)需要響應(yīng)某個(gè)動(dòng)作的狀態(tài)。由于代碼從別人那里接手過來的，看代碼也能對(duì)case場(chǎng)景進(jìn)行一個(gè)判斷。但回到監(jiān)控的角度，只是沒有跳轉(zhuǎn)到一個(gè)需要響應(yīng)某個(gè)動(dòng)作的狀態(tài)這個(gè)判斷是我針對(duì)看到的DFX抓取信號(hào)來判斷得到的結(jié)論，然而我并不能自證(當(dāng)然可以通過仿真構(gòu)造類似Case來進(jìn)行驗(yàn)證，這不提了)，畢竟DFX不是每拍的結(jié)果都能看得到的，針對(duì)線上的問題，所有的判斷應(yīng)當(dāng)都是有充足的證據(jù)的，而不是結(jié)合觀測(cè)加推斷。那么針對(duì)這種場(chǎng)景，有必要再增加一種監(jiān)控手段：

記錄各狀態(tài)之間是否有過跳轉(zhuǎn)發(fā)生，軟件可清零。

通過記錄各狀態(tài)之間是否發(fā)生過跳轉(zhuǎn)，那么我們可以結(jié)合DFX當(dāng)前狀態(tài)來充分說明某個(gè)狀態(tài)沒有到達(dá)。而記錄各狀態(tài)之間是否有過跳轉(zhuǎn)發(fā)生，所消耗的資源也非常少。 》example

來看一個(gè)簡(jiǎn)單的狀態(tài)機(jī)：

import spinal.lib.fsm._

classTopLevelextendsComponent{
val io = newBundle {
val result = out Bool()
}

val fsm = newStateMachine {
val counter = Reg(UInt(8bits)) init(0)
io.result := False

val stateA : State = newState with EntryPoint {
whenIsActive(goto(stateB))
}
val stateB : State = newState {
onEntry(counter := 0)
whenIsActive {
counter := counter + 1
when(counter === 4) {
goto(stateC)
}
}
onExit(io.result := True)
}
val stateC : State = newState {
whenIsActive(goto(stateA))
}
}
}

這里面會(huì)存在三個(gè)狀態(tài)StateA、StateB、StateC：

StateA——>StateB

StateB——>StateC

StateC——>StateA

那么我們需要記錄的就是：

StateA_to_fsm_stateB_change

StateB_to_fsm_stateC_change

StateC_to_fsm_stateA_change

在SpinalHDL里，這種活兒還是不要手動(dòng)的好，當(dāng)然是自動(dòng)化的處理好。下面給一個(gè)Demo，可能有大神有更加優(yōu)雅的解決方式，歡迎交流。

定義StateExtend：

class StateExtend(implicit stateMachineAccessor: StateMachineAccessor) extends State {
val nextStateBuffer=Set[StateExtend]()
def goto(state:StateExtend)={
nextStateBuffer.add(state)
stateMachineAccessor.goto(state)
}
}

主要是在原有State的基礎(chǔ)上重定義了goto函數(shù)，記錄了每個(gè)狀態(tài)會(huì)跳轉(zhuǎn)的下一狀態(tài)。

然后定義FsmMonitor:

caseclassFsmState(monReg:Bool,curState:State,nextState:State)

caseclassFsmMonitor(implicitstateMachineAccessor: StateMachine) extendsArea{
val stateMonMap=Map[State,ArrayBuffer[FsmState]]()
val state_mon_clear=RegInit(False) simPublic()

defgenerateFsmMonitor()={
val current_state_dly=RegNext(stateMachineAccessor.stateReg)
val next_state_dly=RegNext(stateMachineAccessor.stateNext)
for(state<-stateMachineAccessor.states){
??????if(state.isInstanceOf[StateExtend]){
????????for?(nextState <- state.asInstanceOf[StateExtend].nextStateBuffer){
??????????val state_change=RegInit(False) setName (s"${state.getName()}_to_${nextState.getName()}_change")
??????????when(state_mon_clear){
????????????state_change.clear()
??????????}elsewhen((current_state_dly===stateMachineAccessor.enumOf(state))){
????????????when(next_state_dly===stateMachineAccessor.enumOf(nextState)){
??????????????state_change.set()
????????????}
??????????}
??????????stateMonMap.getOrElse(state,ArrayBuffer[FsmState]()).append(FsmState(state_change,state,nextState))
????????}
??????}
????}
??}
}

在generateFsmMonitor中，會(huì)針對(duì)每個(gè)狀態(tài)來分別創(chuàng)建跳轉(zhuǎn)相應(yīng)的跳轉(zhuǎn)監(jiān)控信號(hào)，并記錄到stateMonMap中去。state_mon_clear可用于清零狀態(tài)所有監(jiān)控信號(hào)。通過regif可講state_mon_clear及stateMonMap中的所有元素添加到寄存器總線中去(也可以直接用regif聲明創(chuàng)建寄存器)。

最終，在使用時(shí)如下即可：

case classfsmTest() extendsComponent{
val counter = out(Reg(UInt(8bits)) init (0))

val fsm = newStateMachine {
val stateA = newStateExtend() with EntryPoint setName("StateA")
val stateB, stateC = newStateExtend()
stateA.whenIsActive {
stateA.goto(stateB)
}
stateB.whenIsActive {
stateB.goto(stateC)
}
stateC.onEntry(counter := 0)
stateC.whenIsActive {
counter := counter + 1
when(counter === 3) {
stateC.goto(stateA)
}
}

val fsm_mon=FsmMonitor()
addPrePopTask(()=>{
fsm_mon.generateFsmMonitor()
})
}
}

差別點(diǎn)在于goto換成對(duì)應(yīng)的StateA.goto等顯示調(diào)用的形式。通過例化FsmMonitor調(diào)用generateFsmMonitor即可注冊(cè)所有的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)信號(hào)：

審核編輯：黃飛