【第一季】CH05_FPGA设计Verilog基础（二）
5.1状态机设计
状态机是许多数字系统的核心部件，是一类重要的时序逻辑电路。通常包括三个部分：一是下一个状态的逻辑电路，二是存储状态机当前状态的时序逻辑电路，三是输出组合逻辑电路。通常，状态机的状态数量有限，称为有限状态机（FSM）。由于状态机所有触发器的时钟由同一脉冲边沿触发，故也称之为同步状态机。
根据状态机的输出信号是否与电路的输入有关分为Mealy型状态机和Moore型状态机。
1、Moore型有限状态机：是指那些输出信号仅与当前状态有关的有限状态机，即可以把Moore型有限状态机的输出看成是当前状态的函数。
2、Mealy型有限状态机：是指那些输出信号不仅与当前状态有关，而且还与所有的输入信号有关的有限状态机，即可以把Mealy有限状态机的输出看成是当前状态和所有输入信号的函数。可见，Mealy有限状态机要比Moore型有限状态机复杂一些。
Moore型和Mealy型有限状态机的区别：Moore型有限状态机仅与当前状态有关，而与输入信号无关；Mealy型有限状态机不但与当前状态有关，而且还与状态机的输入信号有关。
状态机的状态转移图，通常也可根据输入和内部条件画出。一般来说，状态机的设计包含下列设计步骤：
• 根据需求和设计原则，确定是Moore型还是Mealy型状态机；
• 分析状态机的所有状态，对每一状态选择合适的编码方式，进行编码；
• 根据状态转移关系和输出绘出状态转移图；
• 构建合适的状态机结构，对状态机进行硬件描述。
状态机的描述通常有三种方法，称为一段式状态机，二段式状态机和三段式状态机。状态机的描述通常包含以下四部分：
1)利用参数定义语句parameter描述状态机各个状态名称，即状态编码。状态编码通常有很多方法包含自然二进制编码，One-hot编码，格雷编码码等；
2）用时序的always块描述状态触发器实现状态存储；
3）使用敏感表和case语句（也采用if-else等价语句）描述状态转换逻辑；
4）描述状态机的输出逻辑。
下面根据状态机的三种方法，来比较各种方法的优劣。
5.2一段式状态机
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module detect_1( input clk_i, input rst_n_i, output out_o ); reg out_r; //状态声明和状态编码 reg [1:0] state; parameter [1:0] S0=2'b00; parameter [1:0] S1=2'b01; parameter [1:0] S2=2'b10; parameter [1:0] S3=2'b11; always@(posedge clk_i) begin if(!rst_n_i)begin state<=0; out_r<=1'b0; end else case(state) S0 : begin out_r<=1'b0; state<= S1; end S1 : begin out_r<=1'b1; state<= S2; end S2 : begin out_r<=1'b0; state<= S3; end S3 : begin out_r<=1'b1; end endcase end assign out_o=out_r; endmodule |
一段式状态机是应该避免使用的，该写法仅仅适用于非常简单的状态机设计，不符合组合逻辑与时序逻辑分开的原则，整个结构代码也不清晰，不利用维护和修改。
5.3两段式状态机
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module detect_2( input clk_i, input rst_n_i, output out_o ); reg out_r; //状态声明和状态编码 reg [1:0] Current_state; reg [1:0] Next_state; parameter [1:0] S0=2'b00; parameter [1:0] S1=2'b01; parameter [1:0] S2=2'b10; parameter [1:0] S3=2'b11; //时序逻辑：描述状态转换 always@(posedge clk_i) begin if(!rst_n_i) Current_state<=0; else Current_state<=Next_state; end //组合逻辑:描述下一状态和输出 always@(*) begin out_r=1'b0; case(Current_state) S0 : begin out_r=1'b0; Next_state= S1; end S1 : begin out_r=1'b1; Next_state= S2; end S2 : begin out_r=1'b0; Next_state= S3; end S3 : begin out_r=1'b1; Next_state=Next_state; end endcase end assign out_o=out_r; endmodule |
两段式状态机采用两个always模块实现状态机的功能，其中一个always采用同步时序逻辑描述状态转移，另一个always采用组合逻辑来判断状态条件转移。两段式状态机是推荐的状态机设计方法。
5.4三段式状态机
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module detect_3( input clk_i, input rst_n_i, output out_o ); reg out_r; //状态声明和状态编码 reg [1:0] Current_state; reg [1:0] Next_state; parameter [1:0] S0=2'b00; parameter [1:0] S1=2'b01; parameter [1:0] S2=2'b10; parameter [1:0] S3=2'b11; //时序逻辑：描述状态转换 always@(posedge clk_i) begin if(!rst_n_i) Current_state<=0; else Current_state<=Next_state; end //组合逻辑：描述下一状态 always@(*) begin case(Current_state) S0: Next_state = S1; S1: Next_state = S2; S2: Next_state = S3; S3: begin Next_state = Next_state; end default : Next_state = S0; endcase end //输出逻辑：让输出out，经过寄存器out_r锁存后输出，消除毛刺 always@(posedge clk_i) begin if(!rst_n_i) out_r<=1'b0; else begin case(Current_state) S0,S2: out_r<=1'b0; S1,S3: out_r<=1'b1; default : out_r<=out_r; endcase end end assign out_o=out_r; |
三段式状态机在第一个always模块采用同步时序逻辑方式描述状态转移，第二个always模块采用组合逻辑方式描述状态转移规律，第三个always描述电路的输出。通常让输出信号经过寄存器缓存之后再输出，消除电路毛刺。这种状态机也是比较推崇的，主要是由于维护方便，组合逻辑与时序逻辑完全独立。