verilog一些學習狀態(tài)機的兩種寫法

1、狀態(tài)機的兩種寫法有限狀態(tài)機 FSM廣泛應用于硬件控制電路設計，也是上常用的一種處理方法(上稱為 FMM-有限消息機)。它把復雜的控制邏輯分解成有限個穩(wěn)定狀態(tài)，在每個狀態(tài)上判斷事件，變連續(xù)處理為離散數(shù)字處理，符合計算機的工作特點。同時，因為有限狀態(tài)機具有有限個狀態(tài)，所以可以在實際的工程上實現(xiàn)。但這并不意味著其只能進行有限次的處理，相反，有限狀態(tài)機是閉環(huán)系統(tǒng)，有限無窮，可以用有限的狀態(tài)，處理無窮的事務。有限狀態(tài)機的工作原理如圖 1 所示，發(fā)生事件(event)后，根據(jù)當前狀態(tài)(cur_s定執(zhí)行的動作(action)，并設置下一個狀態(tài)號(nxt_s e)。e)，決|發(fā)生事件 event| cur_s

2、|執(zhí)行動作 actione |設置下一狀態(tài)號 nxt_se當前狀態(tài)圖 1 有限狀態(tài)機工作原理e0/a0-|e0/a0 |S0|-| e1/a1 V|-| e2/a2|S2|-|S1|-e2/a2-圖 2 一個有限狀態(tài)機實例當前狀態(tài)s0s1s2| 事件a0/s0-a0/s0|e0a1/s1-|e1a2/s2a2/s2-|e2表 1 圖 2 狀態(tài)機實例的二維表格表示(動作/下一狀態(tài))圖 2 為一個狀態(tài)機實例的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，它的含義是：在 s0 狀態(tài)，如果發(fā)生 e0 事件，那么就執(zhí)行 a0 動作，并保持狀態(tài)不變；如果發(fā)生 e1 事件，那么就執(zhí)行 a1 動作，并將狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s1 態(tài)；如果發(fā)生 e2 事

3、件，那么就執(zhí)行 a2 動作，并將狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s2 態(tài)；在 s1 狀態(tài)，如果發(fā)生 e2 事件，那么就執(zhí)行 a2 動作，并將狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s2 態(tài)；在 s2 狀態(tài)，如果發(fā)生 e0 事件，那么就執(zhí)行 a0 動作，并將狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s0 態(tài)；有限狀態(tài)機不僅能夠用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖表示，還可以用二維的表格代表。一般將當前狀態(tài)號寫在橫行上，將事件寫在縱列上，如表 1 所示。其中“-”表示空 (不執(zhí)行動作，也不進行狀態(tài)轉(zhuǎn)移)，“an/sn”表示執(zhí)行動作 an,同時將下一狀態(tài)設置為 sn。表 1 和圖 2 表示的含義是完全相同的。觀察表 1 可知，狀態(tài)機可以用兩種方法實現(xiàn)：豎著寫(在狀態(tài)中判斷事件)和橫著寫(在事件中判斷

4、狀態(tài))。這兩種實現(xiàn)在本質(zhì)上是完全等效的，但在實際操作中，效果卻截然不同。=豎著寫(在狀態(tài)中判斷事件)C 代碼片段=cur_s e = nxt_s e; switch(cur_s e)case s0:if(e0_event)保持狀態(tài)不變；執(zhí)行 a0 動作;/在當前狀態(tài)中判斷事件/在 s0 狀態(tài)/如果發(fā)生 e0 事件，那么就執(zhí)行 a0 動作，并/nxt_s e = s0;/因為狀態(tài)號是自身，所以可以刪除此句，以提高運行速度。else if(e1_event)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s1 態(tài)；執(zhí)行 a1 動作; nxt_s e = s1;else if(e2_event)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s2 態(tài)；執(zhí)行 a2 動作;

5、 nxt_s e = s2;break; case s1:if(e2_event)將狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s2 態(tài)；執(zhí)行 a2 動作; nxt_s e = s2;/如果發(fā)生 e1 事件，那么就執(zhí)行 a1 動作，并將/如果發(fā)生 e2 事件，那么就執(zhí)行 a2 動作，并將/在 s1 狀態(tài)/如果發(fā)生 e2 事件，那么就執(zhí)行 a2 動作，并break; case s2:if(e0_event)將狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s0 態(tài)；執(zhí)行 a0 動作; nxt_s e = s0;/在 s2 狀態(tài)/如果發(fā)生 e0 事件，那么就執(zhí)行 a0 動作，并=橫著寫(在事件中判斷狀態(tài))C 代碼片段=/e0 事件發(fā)生時，執(zhí)行的函數(shù)void e0_

6、event_function(cur_s e;* nxt_se)cur_s e = *nxt_s switch(cur_s e) case s0:case s2:e;/觀察表 1，在 e0 事件發(fā)生時，s1 處為空執(zhí)行 a0 動作;*nxt_s e = s0;/e1 事件發(fā)生時，執(zhí)行的函數(shù)void e1_event_function(cur_s e;* nxt_se)cur_s e = *nxt_s switch(cur_s e)case s0:e;/觀察表 1，在 e1 事件發(fā)生時，s1 和 s2 處為空執(zhí)行 a1 動作;*nxt_s e = s1;/e2 事件發(fā)生時，執(zhí)行的函數(shù)void e

7、2_event_function(* nxt_se)cur_s e;cur_s e = *nxt_s e; switch(cur_s e)case s0:case s1:執(zhí)行 a2 動作;*nxt_s e = s2;/觀察表 1，在 e2 事件發(fā)生時，s2 處為空上面橫豎兩種寫法的代碼片段，實現(xiàn)的功能完全相同，但是，橫著寫的效果明顯好于豎著寫的效果。理由如下：1、豎著寫隱含了優(yōu)先級排序(其實各個事件是同優(yōu)先級的)，排面的事件判斷將毫無疑問地優(yōu)先于排在后面的事件判斷。這種 if/else if 寫法上的限制將破壞事件間原有的關(guān)系。而橫著寫不存在此問題。2、由于處在每個狀態(tài)時的事件數(shù)目不一致，而且

8、事件發(fā)生的時間是隨機的，無法預先確定，導致豎著寫淪落為順序查詢方式，結(jié)構(gòu)上的缺陷使得大量時間被浪費。對于橫著寫，在某個時間點，狀態(tài)是唯一確定的，在事件里查找狀態(tài)只要使用 switch 語句，就能一步定位到相應的狀態(tài)，延遲時間可以預先準確估算。而且在事件發(fā)生時，調(diào)用事件函數(shù)，在函數(shù)里查找唯一確定的狀態(tài)，并根據(jù)其執(zhí)行動作和狀態(tài)轉(zhuǎn)移的思路清晰簡潔，效率高，富有美感?？傊?，我個人認為，在里寫狀態(tài)機，使用橫著寫的方法比較妥帖。豎著寫的方法也不是完全不能使用，在一些小項目里，邏輯不太復雜，功能精簡，同時為了節(jié)約內(nèi)存耗費，豎著寫的方法也不失為一種合適的選擇。在 FPGA 類硬件設計中，以狀態(tài)為中心實現(xiàn)控制電

9、路狀態(tài)機(豎著寫)似乎是唯一的選擇，因為硬件不太可能靠事件驅(qū)動(橫著寫)。不過，在 FPGA 里有一個全局時鐘，在每次上升沿時進行狀態(tài)切換，使得豎著寫的效率并不低。雖然在硬件里豎著寫也要使用 IF/ELSIF這類查詢語句(用 VHDL 開發(fā))，但他們到硬件上是組合邏輯，查詢只會引起門級延遲(ns量級)，而且硬件是真正并行工作的，這樣豎著寫在硬件里就沒有影響。因此，在硬件設計里，使用豎著寫的方式成為必然的選擇。這也是為什么很多搞硬件的工程師在設計狀態(tài)機時下意識地只使用豎著寫方式的原因，蓋思維定勢使然也。TCP 和PPP 框架協(xié)議里都使用了有限狀態(tài)機，這類狀態(tài)機最好使用橫著寫的方式實現(xiàn)。以某 TC

10、P 協(xié)議為例，見圖 3，有三種類型的事件：上層下達令事件；下層到達的標志和數(shù)據(jù)的收包事件；超時定時器超件。上層命令(open,close)事件|TCP|超件timeoutRST/SYN/FIN/ACK/DATA 等收包事件圖 3 三大類 TCP 狀態(tài)機事件由圖 3 可知，此 TCP 協(xié)議棧采用橫著寫方式實現(xiàn)，有 3 種事件處理函數(shù)，上層命令處理函數(shù)(如tcp_close)；超件處理函數(shù) (tmr_slow)；下層收包事件處理函數(shù)(tcp_pros)。值得一提的是，在收包事件函數(shù)里，在各個狀態(tài)里判斷 RST/SYN/FIN/ACK/DATA 等標志(這些標志類似于事件)，看起來象豎著寫方式，其實，如果把包頭和數(shù)據(jù)看成一個整體，那么， RST/SYN/FIN/ACK/DA