Verilog设计过程中状态机的设计方法

“本文主要分享了在Verilog设计过程中状态机的一些设计方法。

关于状态机

状态机本质是对具有逻辑顺序或时序顺序事件的一种描述方法，也就是说具有逻辑顺序和时序规律的事情都适用状态机描述。状态机的基本要素有三个：状态、输出和输入。

根据状态机的输出是否与输入条件有关，可将状态机分为：

摩尔（Moore）型和米里（Mealy）型。

摩尔型状态机：输出仅与当前状态有关，而与输入条件无关。

米里型状态机：输出不仅依赖于当前状态，还取决于输入条件。

状态机的逻辑通常用“case”语句或者“if-else”语句来描述，枚举当前状态和输入的所有可能组合，并为下一个状态和输出制定适当的值。

RTL级状态机描述常用语法：

wire、reg；

parameter，用于描述状态名称，增强代码可读性；

always，根据主时钟沿，完成同步时序的状态迁移；根据信号敏感表，完成组合逻辑输出。

case/endcase：其中default是可选的关键字，用于指明当所列的所有条件都不匹配时的操作；一般的FSM设计都会加上default关键字描述FSM所需的补集状态。

task/endtask。

几种状态机的描述方法

一段式FSM描述方法：一个always块里面，即描述状态转移，又描述状态的输入和输出。

两段式FSM描述方法：两个always块，一个采用同步时序描述状态转移；另一个模块采用组合逻辑判断状态转移条件，描述状态转移规律。

三段式FSM描述方法：第一个always模块采用同步时序描述状态转移；第二个采用组合逻辑判断状态转移条件，描述状态转移规律；第三个always模块使用同步时序电路，描述每个状态的输出。

一段式：

reg ［2:0］ Next_State;//下一个状态 parameter IDLE = 3‘b000; parameter S1 = 3’b001; parameter S2 = 3‘b010; parameter CLEAR = 3’b100;

//--------------------------------------------------------------------------------//------ 在一个always中包含状态、输入和输出。 always@（posedge clk or posedge rst） begin if（rst） begin Next_State 《= IDLE; out 《= 2‘b00; end else begin case（Next_State） IDLE ： begin if（key_in == 1’b1） begin Next_State 《= S1; out 《= 2‘b01;

end else begin Next_State 《= IDLE; out 《= 2’b00; end end S1 ： begin if（key_in == 1‘b1） begin Next_State 《= S2; out 《= 2’b10; end else begin Next_State 《= S1; out 《= 2‘b01;

end end S2 ： begin if（key_in == 1’b1） begin Next_State 《= CLEAR; out 《= 2‘b11; end else begin Next_State 《= S2; out 《= 2’b10; end end CLEAR ： begin if（key_in == 1‘b1） begin Next_State 《= IDLE; out 《= 2’b00;

end else begin Next_State 《= CLEAR; out 《= 2‘b11; end end endcase end end

两段式：

reg ［2:0］ Next_State;//下一个状态 reg ［2:0］ Current_State;//当前状态

parameter IDLE = 3’b000; parameter S1 = 3‘b001; parameter S2 = 3’b010; parameter CLEAR = 3‘b100;

//-------------------------------------------------------------------------------- always@（posedge clk or posedge rst） begin if（rst） Current_State 《= IDLE; else Current_State 《= Next_State; end always@（*）

// always@（rst or Current_State or key_in） begin case（Current_State） IDLE ： begin idle_out;// out = 2’b00; if（key_in == 1‘b1） Next_State = S1; else Next_State = IDLE; end S1 ： begin s1_out;// out = 2’b01; if（key_in == 1‘b1） Next_State = S2; else Next_State = S1; end S2 ： begin s2_out;// out = 2’b10; if（key_in == 1‘b1） Next_State = CLEAR; else Next_State = S2; end CLEAR ： begin clear_out;

// out = 2’b11; if（key_in == 1‘b1） Next_State = IDLE; else Next_State = CLEAR; end endcase end

//-------------------------------------------------------------------------------- task idle_out; out = 2’b00; endtask task s1_out; out = 2‘b01; endtask

task s2_out; out = 2’b10; endtask

task clear_out; out = 2‘b11; endtask

三段式：

//-------------------------------------------------------------------------------- reg ［2:0］ Next_State;//下一个状态 reg ［2:0］ Current_State;//当前状态 parameter IDLE = 3’b000; parameter S1 = 3‘b001; parameter S2 = 3’b010; parameter CLEAR = 3‘b100;

//-------------------------------------------------------------------------------- always@（posedge clk or posedge rst） begin if（rst） Current_State 《= IDLE; else Current_State 《= Next_State; end

//--------------------------------------------------------------------------------// always@（rst or Current_State or key_in） always@（*） begin case（Current_State） IDLE ： begin if（key_in == 1’b1） Next_State = S1; else Next_State = IDLE; end S1 ： begin if（key_in == 1‘b1） Next_State = S2; else Next_State = S1; end S2 ： begin if（key_in == 1’b1） Next_State = CLEAR; else Next_State = S2; end CLEAR ： begin if（key_in == 1‘b1） Next_State = IDLE; else Next_State = CLEAR; end endcase end

//-------------------------------------------------------------------------------- always@（posedge clk or posedge rst） begin if（rst） begin out 《= 2’b00; end else begin case（Next_State） IDLE ： begin out 《= 2‘b00; end S1 ： begin out 《= 2’b01; end S2 ： begin out 《= 2‘b10; end CLEAR ： begin out 《= 2’b11; end endcase end end

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结论：

一段式状态机比较适合在状态较少的情况下使用，因为所有的状态、输入和输出都在一起，可能不是很适合阅读、理解、维护；

二段式状态机比一段式要容易理解，但是由于输出是组合逻辑，容易存在不稳定与毛刺隐患；

三段式状态机比一段式更容易理解，用时序逻辑代替组合逻辑消除了不稳定与毛刺的隐患，但是代码量会稍微多一点；

责任编辑：haq