本文目錄

前言

狀態機簡介

狀態機分類
Mealy 型狀態機
Moore 型狀態機

狀態機描述
一段式狀態機
二段式狀態機
三段式狀態機

狀態機優缺點

總結

擴展-四段式狀態機

01. 前言

狀態機是FPGA設計中一種非常重要、非常根基的設計思想，堪稱FPGA的靈魂，貫穿FPGA設計的始終。

02. 狀態機簡介

什么是狀態機：狀態機通過不同的狀態遷移來完成特定的邏輯操作（時序操作）狀態機是許多數字系統的核心部件， 是一類重要的時序邏輯電路。通常包括三個部分：
下一個狀態的邏輯電路
存儲狀態機當前狀態的時序邏輯電路
輸出組合邏輯電路

03. 狀態機分類

通常， 狀態機的狀態數量有限， 稱為有限狀態機（FSM） 。由于狀態機所有觸發器的時鐘由同一脈沖邊沿觸發， 故也稱之為同步狀態機。

根據狀態機的輸出信號是否與電路的輸入有關分為 Mealy 型狀態機和 Moore 型狀態機

3.1，Mealy 型狀態機

電路的輸出信號不僅與電路當前狀態有關， 還與電路的輸入有關

3.2，Moore 型狀態機

電路的輸出僅僅與各觸發器的狀態， 不受電路輸入信號影響或無輸入

狀態機的狀態轉移圖， 通常也可根據輸入和內部條件畫出。一般來說， 狀態機的設計包含下列設計步驟：

根據需求和設計原則， 確定是 Moore 型還是 Mealy 型狀態機；

分析狀態機的所有狀態， 對每一狀態選擇合適的編碼方式， 進行編碼；

根據狀態轉移關系和輸出繪出狀態轉移圖；

構建合適的狀態機結構， 對狀態機進行硬件描述。

04. 狀態機描述

狀態機的描述通常有三種方法， 稱為一段式狀態機， 二段式狀態機和三段式狀態機。
狀態機的描述通常包含以下四部分：

利用參數定義語句 parameter 描述狀態機各個狀態名稱， 即狀態編碼。狀態編碼通常有很多方法包含自然二進制編碼， One-hot 編碼，格雷編碼碼等；

用時序的 always 塊描述狀態觸發器實現狀態存儲；

使用敏感表和 case 語句（也采用 if-else 等價語句） 描述狀態轉換邏輯；

描述狀態機的輸出邏輯。

下面根據狀態機的三種方法來具體說明

4.1，一段式狀態機

1moduledetect_1( 2inputclk_i, 3inputrst_n_i, 4outputout_o 5); 6regout_r; 7//狀態聲明和狀態編碼 8reg[1:0]state; 9parameter[1:0]S0=2'b00; 10parameter[1:0]S1=2'b01; 11parameter[1:0]S2=2'b10; 12parameter[1:0]S3=2'b11; 13always@(posedgeclk_i) 14begin 15if(!rst_n_i)begin 16state<=0; 17????out_r<=1'b0; 18??end 19??else 20????case(state) 21??????S0?: 22??????begin 23????????out_r<=1'b0; 24????????state<=?S1; 25??????end 26??????S1?: 27??????begin 28????????out_r<=1'b1; 29????????state<=?S2; 30??????end 31??????S2?: 32??????begin 33????????out_r<=1'b0; 34????????state<=?S3; 35??????end 36??????S3?: 37????????begin 38????????out_r<=1'b1; 39??????end 40????endcase 41end 42assign?out_o=out_r; 43endmodul 44

一段式狀態機是應該避免使用的， 該寫法僅僅適用于非常簡單的狀態機設計。

4.2，兩段式狀態機

1moduledetect_2( 2inputclk_i, 3inputrst_n_i, 4outputout_o 5); 6regout_r; 7//狀態聲明和狀態編碼 8reg[1:0]Current_state; 9reg[1:0]Next_state; 10parameter[1:0]S0=2'b00; 11parameter[1:0]S1=2'b01; 12parameter[1:0]S2=2'b10; 13parameter[1:0]S3=2'b11; 14//時序邏輯：描述狀態轉換 15always@(posedgeclk_i) 16begin 17if(!rst_n_i) 18Current_state<=0; 19????else 20??????Current_state<=Next_state; 21??end 22??//組合邏輯:描述下一狀態和輸出 23??always@(*) 24??begin 25????out_r=1'b0; 26????case(Current_state) 27??????S0?: 28????????begin 29??????????out_r=1'b0; 30??????????Next_state=?S1; 31????????end 32??????S1?: 33????????begin 34??????????out_r=1'b1; 35??????????Next_state=?S2; 36????????end 37??????S2?: 38????????begin 39??????????out_r=1'b0; 40??????????Next_state=?S3; 41????????end 42??????S3?: 43????????begin 44??????????out_r=1'b1; 45??????????Next_state=Next_state; 46????????end 47????endcase 48??end 49??assign?out_o?=?out_r; 50endmodule 51

兩段式狀態機采用兩個 always 模塊實現狀態機的功能， 其中一個 always 采用同步時序邏輯描述狀態轉移， 另一個 always 采用組合邏輯來判斷狀態條件轉移。

4.3，三段式狀態機

1moduledetect_3( 2inputclk_i, 3inputrst_n_i, 4outputout_o 5); 6regout_r; 7//狀態聲明和狀態編碼 8reg[1:0]Current_state; 9reg[1:0]Next_state; 10parameter[1:0]S0=2'b00; 11parameter[1:0]S1=2'b01; 12parameter[1:0]S2=2'b10; 13parameter[1:0]S3=2'b11; 14//時序邏輯：描述狀態轉換 15always@(posedgeclk_i) 16begin 17if(!rst_n_i) 18Current_state<=0; 19????else 20??????Current_state<=Next_state; 21??end 22??//組合邏輯：?描述下一狀態 23??always@(*) 24??begin 25????case(Current_state) 26??????S0: 27????????Next_state?=?S1; 28??????S1: 29????????Next_state?=?S2; 30??????S2: 31????????Next_state?=?S3; 32??????S3: 33????????begin 34??????????Next_state?=?Next_state; 35????????end 36??????default?: 37??????Next_state?=?S0; 38????endcase 39??end 40??//輸出邏輯：?讓輸出 out，?經過寄存器 out_r 鎖存后輸出，?消除毛刺 41??always@(posedge?clk_i) 42??begin 43????if(!rst_n_i) 44??????out_r<=1'b0; 45????else 46??????begin 47????????case(Current_state) 48??????????S0,S2: 49????????????out_r<=1'b0; 50??????????S1,S3: 51????????????out_r<=1'b1; 52??????????default?: 53????????????out_r<=out_r; 54????????endcase 55??????end 56??end 57 58??assign?out_o=out_r; 59endmodule 60

三段式狀態機在第一個 always 模塊采用同步時序邏輯方式描述狀態轉移， 第二個always 模塊采用組合邏輯方式描述狀態轉移規律， 第三個 always 描述電路的輸出。通常讓輸出信號經過寄存器緩存之后再輸出， 消除電路毛刺。

05. 狀態機優缺點

1、一段式狀態機

只涉及時序電路，沒有競爭與冒險，同時消耗邏輯比較少。

但是如果狀態非常多，一段式狀態機顯得比較臃腫，不利于維護。

2、兩段式狀態機

當一個模塊采用時序（狀態轉移），一個模塊采用組合時候（狀態機輸出），組合邏輯電路容易造成競爭與冒險；當兩個模塊都采用時序，可以避免競爭與冒險的存在，但是整個狀態機的時序上會延時一個周期。

兩段式狀態機是推薦的狀態機設計方法。

3、三段式狀態機

三段式狀態機在狀態轉移時采用組合邏輯電路+格雷碼，避免了組合邏輯的競爭與冒險；狀態機輸出采用了同步寄存器輸出，也可以避免組合邏輯電路的競爭與冒險；采用這兩種方法極大的降低了競爭冒險。并且在狀態機的采用這種組合邏輯電路+次態寄存器輸出，避免了兩段式狀態機的延時一個周期（三段式狀態機在上一狀態中根據輸入條件判斷當前狀態的輸出，從而在不插入額外時鐘節拍的前提下，實現寄存器的輸出）。

三段式狀態機也是比較推崇的，主要是由于維護方便， 組合邏輯與時序邏輯完全獨立。

06. 總結

靈活選擇狀態機，不一定要拘泥理論，怎樣方便怎樣來

07.擴展

四段式不是指三個always代碼，而是四段程序。使用四段式的寫法，可參照明德揚GVIM特色指令Ztj產生的狀態機模板。

明·德·揚四段式狀態機符合一次只考慮一個因素的設計理念。

第一段代碼，照抄格式，完全不用想其他的。

第二段代碼，只考慮狀態之間的跳轉，也就是說各個狀態機之間跳轉關系。

第三段代碼，只考慮跳轉條件。

第四段，每個信號逐個設計。

有興趣的話可以自己去學習一下，或者http://www.mdyedu.com/product/299.html自行看視頻。

責任編輯：xj

原文標題：FPGA 高手養成記-淺談狀態機

文章出處：【微信公眾號：FPGA開源工作室】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。