FPGA的设计艺术(27)状态机简易实现(HDL描述)
前言
状态机是逻辑设计中接触最多的内容,可谓是各种场合的热点,本文从基础讲起,直接触及最核心的几个要素,更多内容,请参考更多英文网站及文献。
状态机介绍
基本上,FSM由组合,顺序和输出逻辑组成。组合逻辑用于确定FSM的下一个状态,顺序逻辑用于存储FSM的当前状态。输出逻辑是组合逻辑和顺序逻辑的混合,如下图所示。
状态机的描述方式
有限状态机的描述方式很多,但是最流行的两个是状态图和状态表。两种表示形式的示例如图所示。
而就这两种而言,最最常用也最直观的还是状态转移图。
状态机的类型
状态机有两种类型:
-
Mealy状态机:其输出取决于当前状态和当前输入。在上图中,整体上就是一个Mealy型状态机。
-
Moore状态机:其输出仅取决于当前状态。在上图中,当蓝色方框内电路去除时,电路变为Moore状态机。
根据需要,我们可以选择状态机的类型。但总的来说,大多数情况下,我们都会使用Mealy型状态机。
同样,使用上图的例子:
输出y不仅取决于当前状态,还取决于输入x,因此这是一个Mealy状态机。
状态机的编码方式
由于我们需要在数字电路中表示状态机,我们可以选择以下几种方式的一种来对我们的状态进行编码:
二进制编码:每个状态都用二进制代码表示(即000、001、010 ....)
格雷编码:每个状态都用格雷码表示(即000、001、011等)
独热码:只有一位为高,其余位为低(即0001、0010、0100、1000)
独冷码:只有一位是低的,其余的都是高的(即1110,1101,1011,0111)
我们可以在逻辑编码时,使用任意一种编码,但有时候综合结果并非所想,这时我们需要使用综合属性来选择使用哪种编码方式。
推荐阅读:
Vivado 随笔(3) 其他综合属性 dont_touch、fsm_encoding?
状态机的实现示例
拿这个例子而言,我们直接知道了状态转移图,根据状态转移图可以使用HDL语言描述这个状态转移图,描述方式灵活多变,简洁易懂,容易实现即可:
状态机的一个很好的构造是Case 语句。每种情况的主体都应检查状态变量及其期望的行为。以下代码显示了此结构。
case (state)
STATE_0: // Code for State 0
STATE_1: // Code for State 1
// ...
STATE_N: // Code for State N
endcase
实际实现为:
module MyFSM(
input clk,
input x,
output y);
reg [1:0] state;
assign y = state[1] & state[0] & x;
always @ (posedge clk)
case (state)
2'b00: state <= x?2'b01:2'b00;
2'b01: state <= x?2'b10:2'b00;
2'b10: state <= x?2'b11:2'b00;
2'b11: state <= 2'b00;
endcase
endmodule
注意,这里的输出使用了组合逻辑实现,也可以使用时序逻辑来实现,看自己期待哪种结果,如果使用时序逻辑,其结果也就是多一个时钟的问题,后续的设计可适当匹配, 这都不是事。
例如:
module MyFSM(
input clk,
input x,
output reg y);
reg [1:0] state;
always@(posedge clk) begin
y <= state[1] & state[0] & x;
end
// assign y = state[1] & state[0] & x;
always @ (posedge clk)
case (state)
2'b00: state <= x?2'b01:2'b00;
2'b01: state <= x?2'b10:2'b00;
2'b10: state <= x?2'b11:2'b00;
2'b11: state <= 2'b00;
endcase
endmodule
这也相当于对组合逻辑输出结果打一拍。这样其实对于逻辑设计来说更常见,不会出现非预期的结果,大家其实心里都默认时序输出。仿真时,也是这样预期的。
参考资料
https://inst.eecs.berkeley.edu/~cs150/sp12/resources/FSM.pdf
https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/creating-finite-state-machines-in-verilog/
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