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Verilog5_有限状态机
2025/01/05
Verilog5_有限状态机
一、有限状态机（Finite State Machine, FSM）基本概念
有限状态机是由寄存器组和组合逻辑构成的硬件时序电路；
其状态只能在同一时钟跳变沿从一个状态转向另一个状态；状态的选择不仅取决于各个输入值，还取决于当前状态，可用于产生在时钟跳变沿时刻开关的复杂的控制逻辑，是数字逻辑的控制核心
1.有限状态机的优势
- 高效的顺序控制逻辑
克服了纯硬件数字系统顺序方式控制不灵活的缺点，在其运行方式上类似于控制灵活和方便的CPU，是高速高效控制的首选 - 容易利用现成的EDA工具进行优化设计
状态机构建简单，设计方案相对固定，使用HDL综合其可以发挥其强大的优化功能；
性能良好的综合器都具有许多可控或自动优化状态机的功能 - 稳定性能
状态机容易构成良好的同步时序逻辑模块，可用于解决大规模逻辑电路设计中的竞争和冒险现象 - 高速性能
在高速通信和高速控制方面，状态机更有其巨大的优势，一个状态机的功能类似于CPU的功能 - 高可靠性能
状态机是由纯硬件电路构成，不存在CPU运行软件过程中许多固有的缺陷；
状态机的设计中能够使用各种容错技术；
当状态机进入非法状态并从中跳出进入正常状态的时间短暂，对系统的危害不大。
2.有限状态机的分类
一般来说，状态机的基本操作主要有：状态机的内部状态转换和产生输出信号序列
根据电路的输出信号是否与电路的输入有关，可以将状态机划分为：Moore型状态机（输出只与当前电路状态有关，保持输出的稳定性和可预测性）；Mealy型状态机（输出与当前电路状态和当前电路输入有关，来快速响应输入变化）
3.有限状态机的描述方法
- 状态转移图：紧凑，适合描述较为简单的系统
- 算法状态机（ASM）图
算法状态机图更像是流程图，能较好地描述复杂系统中状态的转换和动作
这两种表示方法包含了相同的信息，都包含了状态机的输入、输出、状态和转换。
二、有限状态机的设计
1.状态机的设计步骤
- 依据具体的设计原则，确定采用Moore型状态机还是Mealy型状态机
- 分析设计要求，列出状态机的所有状态，并对每一个状态进行状态编码
- 依据状态转移关系和输出函数，画出状态图
- 依据所画的状态图，采用硬件描述语言对状态机进行描述
2.状态图的完备性和互斥性检查
- 完备性： 对于每一个状态，将所有脱离这一状态的条件表达式进行逻辑或运算，如果结果为1就是完备的，否则不完备，也就是说状态图进入某状态后，却不能跳出该状态；
- 互斥性： 对于每一个状态，将所有脱离这一状态的条件表达式找出，然后任意两个表达式进行逻辑与运算，如果结果为0就是互斥的。也就是要保证在任何时候不会激活两个脱离状态的转换，即从一个状态跳到两个状态
3.安全状态机设计
- 状态引导法：对于未使用的状态，也给予次态赋值，避免状态机处于未知状态；
- 状态编码检测法：判断被触发的触发器的个数，当数量大于1时，说明出现问题；
- 借助EDA工具自动生成安全状态机
三、有限状态机的Verilog HDL描述
考虑如下图所示的状态转移图
1.描述状态机中各个状态的名称，并指定状态编码
- 状态定义/声明与编码
- 状态必须是常量parameter或者 `define
IDLE=2'b00; START=2'b01; STOP=2'b10; CLEAR=2'B11;
- 状态必须是常量parameter或者 `define
- 状态寄存器（位宽必须与parameter变量一致）
- cur_state:存储现态
- next_state:存储次态
- reg [1:0] state:定义状态寄存器
- 状态编码
module fsm #(parameter IDLE=2'b00, parameter START=2'b01, parameter STOP=2'b10, parameter CLEAR=2'b11) ( input clk, rstn, a, output reg k1, k2);reg [1:0] cur_state, next_state;//定义状态寄存器
2.状态机设计
2.1 设计步骤
- 用时序的always块描述状态触发器实现的状态存储；
- 使用敏感表和case语句（或if-else等价语句）描述的状态转换逻辑
- 描述状态机的输出逻辑
2.2 状态机的三种RTL描述方法
- 一段式：现态、次态与输出逻辑在同一个always块中
- 两段式：现态在一个always块中，次态与输出逻辑在一个always块中
- 三段式：现态、次态与输出逻辑分别在一个always块中
//一段式
always @(posedge clk) begin
if(!rstn) begin
cur_state<=IDLE;
k2<=1'b0;
k1<=1'b0;
end
else
case(cur_state)
IDLE:
if(a) begin
cur_state<=START;
k1<=1'b0;
end
else
cur_state<=IDLE;
START:
if(!a)
cur_state <= STOP;
else
cur_state <=START;
STOP:
if(a) begin
cur_state <= CLEAR;
k2<=1'b1;
end
else
cur_state <= STOP;
CLEAR:
if(!a) begin
cur_state <= IDLE;
k2<=1'b0;
k1<=1'b1;
end
else
cur_state <= CLEAR;
endcase
end
//两段式
always @(posedge clk) begin
if(!rstn)
cur_state <= IDLE;
else
cur_state <= next_state;
end
always @(cur_state, a) begin
case(cur_state)
IDLE:
if(a) begin
next_state=START;
k1=1'b0;
end
else
next_state=IDLE;
START:
if(!a)
next_state = STOP;
else
next_state =START;
STOP:
if(a) begin
next_state = CLEAR;
k2=1'b1;
end
else
next_state = STOP;
CLEAR:
if(!a) begin
next_state = IDLE;
k2=1'b0;
k1=1'b1;
end
else
next_state = CLEAR;
endcase
end
//三段式
always@(posedge clk) begin
if(!rstn)
cur_state <= IDLE;
else
cur_state <= next_state;
end
always@(cur_state, a) begin
case(cur_state)
IDLE:
if(a) next_state = START;
else next_state = IDLE;
START:
if(!a) next_state = STOP;
else next_state = START;
STOP:
if(a) next_state = CLEAR;
else next_state = STOP;
CLEAR:
if(!a) next_state = IDLE;
else next_state = CLEAR;
endcase
end
always@(cur_state, a) begin
k2=1'b0;
k1=1'b0;
if(!rstn) begin
k2=1'b0;
k1=1'b0;
end
else begin
if(cur_state == CLEAR && !a)
k1=1'b1;
else
k1=1'b0;
if(cur_state == STOP && a)
k2=1'b1;
else
k2=1'b0;
end
end
四、有限状态机设计实例
实例1：Moore型序列检测器：
要求描述：
序列检测器可用于检测一组或多组由二进制码组成的脉冲序列信号，当序列检测器连续收到一组串行二进制码后，如果这组码与检测器中预先设置的码相同，则输出1，否则输出0
设计一个“1101”的序列检测器，设din为数字码流输入，sout为检出标记输出，高电平表示发现指定序列，低电平表示没有发现指令序列。
Step1.状态定义
- s0:未检测到“1”
- s1:检测到输入序列“1”
- s2:检测到输入序列“11”
- s3:检测到输入序列“110”
- s4:检测到输入序列“1101”
共五个状态，需要声明位宽为3的状态寄存器reg [2:0] cur_state, next_state;
Step2.状态转移表和状态转移图
无可简化状态,对应的Moore型状态转移图如下：
Step3.HDL语言描述状态转换
//实现代码
module seqdet#(
parameter s0=3'b000,
parameter s1=3'b001,
parameter s2=3'b010,
parameter s3=3'b011,
parameter s4=3'b100)(
input clk, rstn, din,
output reg sout);
reg [2:0] cur_state, next_state;
always @(posedge clk) begin
if(!rstn) cur_state <= s0;
else cur_state <= next_state;
end
always @(cur_state, din) begin
sout=0;
case(cur_state)
s0: begin
if(din == 1) next_state=s1;
else next_state=s0;
end
s1: begin
if(din == 1) next_state=s2;
else next_state=s0;
end
s2: begin
if(din == 0) next_state=s3;
else next_state=s2;
end
s3: begin
if(din == 1) next_state=s4;
else next_state=s0;
end
s4: begin
if(din == 0) begin next_state=s0; sout=1; end
else begin next_state=s1; sout=1; end
end
default next_state=s0;
endcase
end
endmodule
//仿真代码
module seqdet_tb();
reg clk, rstn, din;
wire sout;
seqdet U1(clk, rstn, din, sout);
always #1 clk=~clk;
initial begin
clk=0; rstn=0; din=0;
#5 rstn=1;
#2 din=1;
#2 din=1;
#2 din=0;
#2 din=1;
#2 din=1;
#2 din=0;
#2 din=0;
#3 rstn=0;
#5 $finish;
end
endmodule
仿真得到的波形图如下：
综合出的电路结构图如下：
电路状态转移图如下：
实例2：Mealy型序列检测器：
Step2.状态转移表和状态转换图
状态定义与实例1相同，可以得到状态转移表如下：
对应的Mealy型状态转换图如下：
//实现代码
module seqdet_mealy#(
parameter s0=3'b000,
parameter s1=3'b001,
parameter s2=3'b010,
parameter s3=3'b011,
parameter s4=3'b100)(
input clk, rstn, din,
output reg sout);
reg [2:0] cur_state, next_state;
always @(posedge clk) begin
if(!rstn) cur_state <= s0;
else cur_state <= next_state;
end
always @(cur_state, din) begin
sout = 1'b0;
case(cur_state)
s0: if(din==1) next_state=s1;
else next_state=s0;
s1: if(din==1) next_state=s2;
else next_state=s0;
s2: if(din==0) next_state=s3;
else next_state=s2;
s3: if(din==1) begin next_state=s4; sout=1; end
else next_state=s0;
s4: if(din==1) next_state=s2;
else next_state=s0;
default: next_state=s0;
endcase
end
endmodule
//仿真代码
module seqdet_mealy_tb();
reg clk, rstn, din;
wire sout;
seqdet_mealy U1(clk, rstn, din, sout);
always #1 clk=~clk;
initial begin
clk=0; rstn=0; din=0;
#5 rstn=1;
#2 din=1;
#2 din=1;
#2 din=0;
#2 din=1;
#2 din=1;
#2 din=0;
#2 din=0;
#3 rstn=0;
#5 $finish;
end
endmodule
仿真得到的波形图如下：
综合出的电路结构图如下：
电路状态转移图如下：
