第五講-狀態(tài)機設計及其指導原則

第五講狀態(tài)機設計及其指導原則1狀態(tài)機是一種設計思想方法2

狀態(tài)機結構3

狀態(tài)機設計的其他技巧4

狀態(tài)機設計步驟

狀態(tài)機是一種設計思想方法原語描述modulenoconditional(clk,nrst,state,event);input clk,nrstinputstate;outputevent;regevent;reg[2:0]CS;//CurrentStatereg[2:0]NS;//NextStateparameter[2:0]//onehotwithzeroidle

idle =3’b000,dorm =3'b001,

diningroom =3'b010,classroom =3'b100;//sequentialstatetransitionalways@(posedge

clkornegedge

nrst)if(!nrst)CS<=idle;elseCS<=NS;//combinationalconditionjudgmentalways@(CS)begin case(CS) idle: idle_task;NS=dorm; dorm: dorm_task;NS=diningroom;

diningroom:diningroom_task;NS=classroom; classroom: classroom_task;NS=dorm; default: idle_task;NS=dorm;

endcaseendendmodule狀態(tài)機的本質--對具有邏輯順序或時序規(guī)律事件的一種描述方法

狀態(tài)機的兩個應用思路：從狀態(tài)變量入手明確電路的輸出的關系

對于邏輯電路而言，小到一個簡單的時序邏輯，大到復雜的微處理器，都適合用狀態(tài)機方法進行描述。不要僅僅局限于時序邏輯，發(fā)現(xiàn)電路的內在規(guī)律，確認電路的“狀態(tài)變量”，大膽使用狀態(tài)機描述電路模型。由于狀態(tài)機不僅僅是一種電路描述工具，它更是一種思想方法，而且狀態(tài)機的HDL語言表達方式比較規(guī)范，有章可循，所以很多有經(jīng)驗的設計者習慣用狀態(tài)機思想進行邏輯設計，對各種復雜設計都套用狀態(tài)機的設計理念，從而提高設計的效率和穩(wěn)定性?？偨Y：

狀態(tài)機結構

摩爾(MOORE)狀態(tài)機

輸出只是當前狀態(tài)值的函數(shù)，并且僅在時鐘邊沿到來時才發(fā)生變化米立(MEALY)狀態(tài)機

輸出則是當前狀態(tài)值、當前輸出值和當前輸入值的函數(shù)注：這兩種狀態(tài)機都是同步的時序電路Moore狀態(tài)機

下一個狀態(tài)=F(當前狀態(tài)，輸入信號)；

輸出信號=G(當前狀態(tài))；狀態(tài)譯碼器

F輸出譯碼器

G狀態(tài)寄存器時鐘信號clk

clk

輸入輸入輸出當前狀態(tài)激勵信號時序邏輯組合邏輯組合邏輯Mealy狀態(tài)機

下一個狀態(tài)=F(當前狀態(tài)，輸入信號)；

輸出信號=G(當前狀態(tài)，輸入信號)；狀態(tài)譯碼器

F輸出譯碼器

G狀態(tài)寄存器時鐘信號clk

clk

輸入輸入輸出當前狀態(tài)激勵信號時序邏輯組合邏輯組合邏輯

帶流水線的Mealy狀態(tài)機

下一個狀態(tài)=F(當前狀態(tài)，輸入信號)；

輸出信號=G(當前狀態(tài)，輸入信號)；狀態(tài)譯碼器

F輸出譯碼器

G狀態(tài)寄存器時鐘信號clk

clk

輸入輸入當前狀態(tài)激勵信號輸出流水線寄存器

clk

輸入時序邏輯組合邏輯組合邏輯時序邏輯基本要素——狀態(tài)、輸出和輸入

狀態(tài):也叫狀態(tài)變量。在邏輯設計中，使用狀態(tài)劃分邏輯順序和時序規(guī)律。比如設計偽隨機碼發(fā)生器時，可以用移位寄存器序列作為狀態(tài);在設計電機控制電路時，可以將電機的不同轉速作為狀態(tài);在設計通信系統(tǒng)時，可以將信令的狀態(tài)作為狀態(tài)變量等。

輸出:輸出指在某一個狀態(tài)時特定發(fā)生的事件。如設計電機控制電路時，如果電機轉速過高，則輸出為轉速過高報警，也可以伴隨減速指令或降溫措施等。

輸入:指狀態(tài)機中進入每個狀態(tài)的條件，有的狀態(tài)機沒有輸入條件，其中的狀態(tài)轉移較為簡單，有的狀態(tài)機有輸入條件，當某個輸入條件存在時才能轉移到相應的狀態(tài)。組成部分

組合邏輯部分：分為狀態(tài)譯碼器和輸出譯碼器：狀態(tài)譯碼器確定狀態(tài)機的下一個狀態(tài)，即確定狀態(tài)機的激勵方程；輸出譯碼器確定狀態(tài)機的輸出，即確定狀態(tài)機的輸出方程。

時序邏輯部分：用于存儲狀態(tài)機的內部狀態(tài)基本操作

狀態(tài)機內部狀態(tài)轉換：狀態(tài)機經(jīng)歷一系列狀態(tài)，下一狀態(tài)由狀態(tài)譯碼器根據(jù)當前狀態(tài)和輸入條件決定。

產(chǎn)生輸出信號序列：輸出信號由輸出譯碼器根據(jù)當前狀態(tài)和輸入條件決定。

基本描述方式

狀態(tài)轉移圖是狀態(tài)機描述中最自然的方式。狀態(tài)轉移圖經(jīng)常在設計規(guī)劃階段定義邏輯功能時使用，也可以在分析已有源代碼中的狀態(tài)機時使用，這種圖形化的描述方式非常有助于理解設計意圖。

狀態(tài)轉移列表是用列表的方式描述狀態(tài)機，是數(shù)字邏輯電路常用的設計方法之一，經(jīng)常被用于狀態(tài)化簡，對于可編程邏輯設計而言，由于可用邏輯資源比較豐富，而且狀態(tài)編碼要考慮設計的穩(wěn)定性、安全性等因素，所以并不經(jīng)常使用狀態(tài)轉移列表優(yōu)化狀態(tài)。

使用HDL語言描述狀態(tài)機應具有一定的靈活性，但是決不是天馬行空，而是有章可循的.通過使用一些規(guī)范的描述方法，可以使HDL語言描述狀態(tài)機更安全、更穩(wěn)定、更高效、更易于維護。狀態(tài)機設計常用語法

變量聲明（wire,reg等）

狀態(tài)編碼一般都要使用reg

寄存器型向量。

parameter

描述狀態(tài)名稱，增強源代碼的可讀性，簡化描述。

例：

reg[3:0]NS,CS; parameter[3:0]//onehotwithzeroinitial IDLE 3'b0000, S1 3'b0001, S2 3'b0010, S3 3'b0100, ERROR3'b1000;

always——三種使用方法

根據(jù)主時鐘沿完成同步時序的狀態(tài)遷移。例： //sequentialstatetransition always@(posedge

clkornegedge

nrst) if(!nrst) CS<=IDLE; else CS<=NS;

根據(jù)信號敏感表完成組合邏輯的輸出。

根據(jù)時鐘沿完成同步時序邏輯的輸出。

case……endcase

語法格式： case(case_expression) case_item1：case_item_statement1; case_item2：case_item_statement2; case_item3：case_item_statement3; case_item4：case_item_statement4; default：case_item_statement5;

endcase

使用default關鍵字來描述FSM所需狀態(tài)的補集狀態(tài)下的操作，避免FSM進入死循環(huán)。

建議初學者使用完整的case結構，而不使用casex

或casez。

task……endtask

將不同狀態(tài)所對應的輸出用task……endtask

封裝，增強了代碼的可維護性和可讀性。 taskIDLE_out; begin {w_o1,w_o2,w_err}=3'b000; end

狀態(tài)機的描述方式

一段式

將整個狀態(tài)機寫到一個always模塊里面，在該模塊中即描述狀態(tài)轉移，又描述狀態(tài)的輸入和輸出。

兩段式

使用兩個always模塊，其中一個always模塊采用同步時序的方式描述狀態(tài)轉移，而另一個模塊采用組合邏輯的方式判斷狀態(tài)轉移條件，描述狀態(tài)轉移規(guī)律。

三段式

使用3個always模塊，一個always模塊采用同步時序的方式描述狀態(tài)轉移，一個采用組合邏輯的方式判斷狀態(tài)轉移條件，描述狀態(tài)轉移規(guī)律，第三個always模塊使用同步時序電路描述每個狀態(tài)的輸出。例一個非常典型的Melay型狀態(tài)機，共有4種狀態(tài)，即IDEL、S1、S2和ERROR，輸入信號包括時鐘“clk”，低電平異步復位信號“nrst”和信號“i1”、“i2”，輸出信號為“o1”、“o2”和“err”，狀態(tài)轉移圖如下。狀態(tài)的輸出如下：IDLE狀態(tài)的輸出為{o1，o2，err}=3'b000;S1狀態(tài)的輸出為{o1，o2，err}=3'b100;S2狀態(tài)的輸出為{o1，o2，err}=3'b010;ERROR狀態(tài)的輸出為{o1，o2，err}=3'b111。S1

RRORS2IDLEi2&!i1

!i2&!i1

i2&i1

i2&i1!i2&i1i1i2!i2!i1!i2&i1基本部分modulestate1(nrst,clk,i1,i2,o1,o2,err);inputnrst,clk;inputi1,i2;outputo1,o2,err;rego1,o2,err;reg[2:0]NS;//NextStateparameter[2:0]//onehotwithzeroidleIDLE=3'b000,S1=3'b001,S2=3'b010,ERROR=3'b100;一段式always@(posedge

clkornegedge

nrst)if(!nrst)beginNS<=IDLE;{o1,o2,err}<=3'b000;endelsebegincase(NS)IDLE:beginif(~i1)begin{o1,o2,err}<=3'b000;NS<=IDLE;endif(i1&&i2)begin{o1,o2,err}<=3'b100;NS<=S1;endif(i1&&~i2)begin{o1,o2,err}<=3'b111;NS<=ERROR;endendS1:beginif(~i2)begin{o1,o2,err}<=3'b100;NS<=S1;endif(i2&&i1)begin{o1,o2,err}<=3'b010;NS<=S2;endif(i2&&(~i1))begin{o1,o2,err}<=3'b111;NS<=ERROR;endendS2:beginif(i2)begin{o1,o2,err}<=3'b010;NS<=S2;endif(~i2&&i1)begin{o1,o2,err}<=3'b000;NS<=IDLE;endif(~i2&&(~i1))begin{o1,o2,err}<=3'b111;NS<=ERROR;endendERROR:beginif(i1)begin{o1,o2,err}<=3'b111;NS<=ERROR;endif(~i1)begin{o1,o2,err}<=3'b000;NS<=IDLE;endenddefault: begin{o1,o2,err}<=3'b000;NS<=IDLE;end

endcaseendendmodule兩段式//outputtasktaskIDLE_out;{o1,o2,err}=3'b000;endtasktaskS1_out;{o1,o2,err}=3'b100;endtasktaskS2_out;{o1,o2,err}=3'b010;endtasktaskERROR_out;{o1,o2,err}=3'b111;endtask//sequentialstatetransitionalways@(posedge

clkornegedge

nrst)if(!nrst)CS<=IDLE;elseCS<=NS;//combinationalconditionjudgmentalways@(CSori1ori2)begincase(CS)IDLE:begin

IDLE_out;if(~i1)NS=IDLE;if(i1&&i2)NS=S1;if(i1&&~i2)NS=ERROR;end S1:beginS1_out;if(~i2)NS=S1;if(i2&&i1)NS=S2;if(i2&&(~i1))NS=ERROR;endS2:beginS2_out;if(i2)NS=S2; if(~i2&&i1)NS=IDLE;if(~i2&&(~i1))NS=ERROR;endERROR:begin

ERROR_out;if(i1)NS=ERROR;if(~i1)NS=IDLE;end default:begin

IDLE_out;NS=IDLE; end

endcaseendendmodule三段式//1stalwaysblock,sequentialstatetransitionalways@(posedge

clkornegedge

nrst)if(!nrst)CS<=IDLE;elseCS<=NS;//2ndalwaysblock,combinationalconditionjudgmentalways@(CSori1ori2)begincase(CS)IDLE:beginif(~i1)NS=IDLE;if(i1&&i2)NS=S1;if(i1&&~i2)NS=ERROR;end S1:beginif(~i2)NS=S1;if(i2&&i1)NS=S2;if(i2&&(~i1))NS=ERROR;endS2:beginif(i2)NS=S2; if(~i2&&i1)NS=IDLE;if(~i2&&(~i1))NS=ERROR;endERROR:beginif(i1)NS=ERROR;if(~i1)NS=IDLE;end default:NS=IDLE;

endcaseend//3rdalwaysblock,thesequentialFSM