FPGA 33专题状态机的的设计及工作流程、设计标准

傷城~ 2022-08-31 11:05 174阅读 0赞

# FPGA 33专题 状态机的的设计及工作流程、设计标准 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xqMTk4NjgxNzkwMg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

### 基本概念： ###

状态机（FSM : Finite State Machine) : 现在我们工程中使用到的只有 有限状态机，即不论状态有多少个，总是有限的。理论上说是有无限的状态机，但是，在实际的工程中，这个是不存在的。

状态机定义 ： 指的是，一系列数量有限的状态组成的循环机制。它是由寄存器和组合逻辑构成的硬件时序电路。状态机通过控制各个状态的跳转来控制流程，使得整个代码看上去更加清晰易懂，在控制复杂流程的时候，状态机优势明显，因此基本上都会用到状态机。

首先，介绍两个比较简单的状态机图：

第一个 ：“Hello” 数据流判断的状态机

状态转移图：

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-nezcYawd-1627121003158)(img/blog\_img/fpga/image-20210724144938097.png)\]][img-nezcYawd-1627121003158_img_blog_img_fpga_image-20210724144938097.png]

状态条件转移表：

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-yqFaqo70-1627121003160)(img/blog\_img/fpga/image-20210724145240714.png)\]][img-yqFaqo70-1627121003160_img_blog_img_fpga_image-20210724145240714.png]

分析： 在第一个图里面，我们可以很清晰的看到状态到其它状态之间的转换。总的来说，我们在图上可以直观的看到，设计的状态机中，无论在那一个状态，都是可以实现自启动的情况。也就是我们说的闭环，这样就不会出现死机或者不工作的情况。

在第二个图中，有一个状态转移条件判断表，每个状态跳转到下一个状态，只有满足跳转条件，才会进入下一个状态。图二中有3列，Source State , Destination State , Condition(跳转条件)。我们可以看到这个的判断条件看着特别复杂（注：这个是经过综合以后给出的最优布局布线的判断条件，实际我们在设计的时候是根据自己的条件来进行判断的）。

我们再看另外一个按键滤波的状态转移图：

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ehIAUeKD-1627121003162)(img/blog\_img/fpga/image-20210724150742375.png)\]][img-ehIAUeKD-1627121003162_img_blog_img_fpga_image-20210724150742375.png]

状态条件转移图：

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-clbCAi9n-1627121003163)(img/blog\_img/fpga/image-20210724150812684.png)\]][img-clbCAi9n-1627121003163_img_blog_img_fpga_image-20210724150812684.png]

分析 ：我们在按键滤波状态转移图中，也可以看到，整个状态机是内部闭环的，即不论在什么条件下，都可以实现循环或者自启动。也就是我们说的不会出现死循环或者死机状态。

在按键滤波状态条件转移中，我们可以看到，这个条件转移图的条件明显比第一个简单，这个也是综合（优化）后的逻辑判断条件后的结果。

总结：在每一个状态转移图的条件转移图的时候，我们使用的是if----else if —else 来作为状态转移的判断。另外，在每个状态到下一个状态的时候，有多少个线就有多少个 if…elseif…else 的条件（刚开始写Verilog的时候建议是把所有的 else 都给补齐，不然很容易把自己给绕晕）。

另外： 在每一个状态里面我们可能要执行不同的功能（操作），在这上面两个图里面是没有的，这个是根据实际我们在执行的时候来进行的。所以在这里，我们开始引入一段、二段、三段式状态机这三种在fpga里面用的状态机编写过程。

## 状态机分类和编写方式： ##

## Moore状态机和Mealy状态机： [两种状态机的区别][Link 1] ##

##### Moore状态机：输出只和状态有关 #####

原作者代码参考：https://blog.csdn.net/Reborn\_Lee/article/details/85763185

eg:序列检测，如 ’1101 ‘状态检测，就是一个典型的Moore 状态机（或者我们上面的那个字符串检测，也是同样的Moore 状态机）

代码中可以看到，使用了 3个always块，在第3个always块中，可以看到，我们输出的结果只和状态机有关，和输入之间没有关系（或者说，不会收到输入信号的影响）。

`timescale 1ns / 1ps
     
     
    module seq_det_moore(
        input clk,
        input reset,
        input din,
        output reg dout
        );
        //状态声明
        localparam [2:0]
        s0 = 3'b000,
        s1 = 3'b001,
        s2 = 3'b010,
        s3 = 3'b011,
        s4 = 3'b100;
        
        reg [2:0] current_state,next_state;
        
        always @(posedge clk, posedge reset)
        begin
            if(reset)
                current_state <= s0;
            else
                current_state <= next_state;
        end
        
        always @ *
        begin
            case(current_state)
            s0:
                if(din == 1'b1) next_state = s1;
                else next_state = s0;
            s1:
                if(din == 1'b1) next_state = s2;
                else next_state = s0;
            s2:
                if(din == 1'b0) next_state = s3;
                else next_state = s2;
            s3:
                if(din == 1'b1) next_state = s4;
                else next_state = s0;
            s4:
                if(din == 1'b1) next_state = s1;
                else next_state = s0;
            default: next_state = s0;
            
            endcase
        
        end
        
        always @*
        begin
            if(current_state == s4) dout = 1;
            else dout = 0;
        end
        
        
    endmodule

#### Mealy状态机 ： 不仅仅和状态有关，也和输入有关 ####

eg: 同样是序列状态的检测，我们使用Mealy 状态机也可以实现.

原作者代码参考： https://blog.csdn.net/Reborn\_Lee/article/details/85798105

代码中可以看到，使用了 3个always块，在第3个always块中，可以看到，我们输出的结果不仅和状态机有关，还和输入之间有关系（或者说，输入信号也会决定输出信号的结果）。

`timescale 1ns / 1ps
    
    module seq_det_mealy(
        input clk,
        input reset,
        input din,
        output reg dout
        );
    	
    	localparam [1:0]
    	s0 = 2'b00,
    	s1 = 2'b01,
    	s2 = 2'b10,
    	s3 = 2'b11;
    	
    	reg [1:0] current_state,next_state;
    	
    	always @(posedge clk, posedge reset)
    	begin
    		if(reset)
    			current_state <= s0;
    		else
    			current_state <= next_state;
    	
    	end
    	
    	always @ *
    	begin
    		case(current_state)
    		s0:
    			if(din == 1'b1) next_state = s1;
    			else next_state = s0;
    		s1: 
    			if(din == 1'b1) next_state = s2;
    			else next_state = s1;
    		s2:
    			if(din == 1'b0) next_state = s3;
    			else next_state = s2;
    		s3: next_state = s0;
    		default: next_state = s0;
    		endcase
    	
    	end
    	
    	always @ *
    	begin
    		if(reset) dout = 1'b0;
    		else if( (current_state == s3)&&(din == 1'b1) ) dout = 1'b1;
    		else dout = 1'b0;
    	
    	end
    	
    	
    endmodule

##### Moore 和 Mealy 的对比分析： #####

①功能上，两种状态机都可以实现相同的功能。所以，两种状态机是可以进行相互转换的。  
 ② 实现相同的情况下，Mealy 形的状态机所需要的状态数比Moore少，***但是需增加输入信号在输出组合逻辑电路描述模块中对于输出信号的直接影响***,Moore状态机的输出就仅仅由状态决定，输出组合逻辑电路的结构更加简单Moore需要待状态稳定以后才能输出。

③ 输出状态上，Melay形的比Moore 的输出快一个时钟周期。（我们可以看到，一个（Melay）是在状态 S3 一个（Moore）是在 S4 才输出结果）

④ Moore状态机同步输出，Mealy状态机异步输出；解释（原因），Mealy机器中，输入更改（输入信号并不是同步的）可能会在逻辑完成后立即导致输出更改, 当两台机器互连时出现大问题 ，如果不小心，可能会发生`异步反馈`。\*\*解决方案：个人理解（不知道对不对） \*\*，如果非要使用Mealy状态机，可以在输入端口接几级寄存器，来消除亚稳态，在判断的时候根据寄存器的输入信号，也可以基本上实现是同步输出.

### Verilog 编写状态机的三种方式： ###

一般来讲，状态机分为三种方式，分别是 一段、二段三段式状态机：

原作者代码参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/362740453

eg: 功能描述： 这里写了一个自动售水机，设置了0.5 和 1 元的两种硬币，每瓶水的售出价格是 2元，往售货机投币，投币到2元或者超过2元以后，输出 矿泉水出售信号(water )，并且根据投入的价格，退还多余的钱(coin\_back).

###### 一段式状态机： ######

整个状态机写到一个always模块里面，在该模块中既描述状态转移，又描述状态的输入和输出.

// 自动售水机 verilog的一段式状态机
    module  auto_sell(
        input   clk,
        input       rst_n,
        input       coin_one,
        input       coin_half,
         
        output  reg     water,
        output  reg     coin_back
    );
     
        parameter   ZERO        = 3'b000;
        parameter   HALF        = 3'b001;
        parameter   ONE         = 3'b010;
        parameter   ONE_HALF    = 3'b011;
        parameter   TWO         = 3'b100;
         
        //一段式状态机
        reg [2:0]       status;
         
        always@(posedge clk,negedge rst_n)begin
            if(!rst_n)
                begin
                    status   <= ZERO;
                    water    <= 0;
                    coin_back <= 0;
                end
            else
                case(status)
                    ZERO :
                            begin  
                                water    <= 0;
                                coin_back <= 0;
                                if(coin_half)
                                    status <= HALF;
                                else if(coin_one)
                                    status <= ONE;
                                else
                                    status <= status;
                            end
                    HALF :
                            begin  
                                water    <= 0;
                                coin_back <= 0; 
                                if(coin_half)
                                    status <= ONE;
                                else if(coin_one)
                                    status <= ONE_HALF;
                                else
                                    status <= status;   
                            end
                    ONE :  
                            begin  
                                water    <= 0;
                                coin_back <= 0;
                                if(coin_half)
                                    status <= ONE_HALF;
                                else if(coin_one)
                                    status <= TWO;
                                else
                                    status <= status;               
                            end
                    ONE_HALF :
                                begin  
                                    if(coin_half)
                                        begin
                                            status <= TWO;
                                            water    <= 1'b0;
                                            coin_back <= 1'b0;
                                        end
                                    else if(coin_one)
                                        begin
                                            status <= ZERO;
                                            water    <= 1'b1;
                                            coin_back <= 1'b0;
                                        end
                                    else
                                        begin
                                            status <= status;   
                                            water    <= 1'b0;
                                            coin_back <= 1'b0;                                      
                                        end
                                end
                    TWO :  
                            begin  
                                if(coin_half)
                                        begin
                                            status <= ZERO;
                                            water    <= 1'b1;
                                            coin_back <= 1'b0;
                                        end
                                else if(coin_one)
                                        begin
                                            status <= ZERO;
                                            water    <= 1'b1;
                                            coin_back <= 1'b1;
                                        end
                                else
                                        begin
                                            status <= status;   
                                            water    <= 1'b0;
                                            coin_back <= 1'b0;                                      
                                        end    
                            end
                    default:
                                begin
                                    status <= ZERO; 
                                    water    <= 1'b0;
                                    coin_back <= 1'b0;                                      
                                end
                endcase        
        end
     
    endmodule

可以看到：使用一段式状态机，可以实现改功能, 但是阅读性很不友好（实际上，看到第一眼有点看不下去，太长了），而且里面描述了转移图，输入和输出.

###### 二段式状态机 ： ######

两个always模块来描述状态机，其中一个always模块采用**同步时序**描述状态转移；另一个模块采用**组合逻辑**判断状态转移条件，描述状态转移规律以及输出

// 售货机 二段式状态机 方式1
    module  auto_sell(
        input   clk,
        input       rst_n,
        input       coin_one,
        input       coin_half,
         
        output  reg     water,
        output  reg     coin_back
    );
     
        parameter   ZERO        = 3'b000;
        parameter   HALF        = 3'b001;
        parameter   ONE         = 3'b010;
        parameter   ONE_HALF = 3'b011;
        parameter   TWO         = 3'b100;
     
        //--------------------二段式 1 ok--------------------------
        //二段式状态机
        reg [2:0]   c_status;
        reg [2:0]   n_status;
         
        //状态转移
        always@(posedge clk,negedge rst_n)begin
            if(!rst_n)
                c_status <= ZERO;
            else
                c_status <= n_status;
        end
         
        //描述状态转移规律以及输出
        always@(posedge clk,negedge rst_n)begin
            if(!rst_n)
                begin
                    n_status <= ZERO;
                    water <= 1'b0;
                    coin_back <= 1'b0;  
                end
            else
                case(c_status)
                    ZERO :
                            begin  
                                water <= 1'b0;
                                coin_back <= 1'b0;                          
                                if(coin_half)
                                    n_status <= HALF;
                                else if(coin_one)
                                    n_status <= ONE;
                                else
                                    n_status <= ZERO;
                            end
                    HALF :
                            begin  
                                water <= 1'b0;
                                coin_back <= 1'b0;                          
                                if(coin_half)
                                    n_status <= ONE;
                                else if(coin_one)
                                    n_status <= ONE_HALF;
                                else
                                    n_status <= HALF;   
                            end
                    ONE :  
                            begin  
                                water <= 1'b0;
                                coin_back <= 1'b0;                          
                                if(coin_half)
                                    n_status <= ONE_HALF;
                                else if(coin_one)
                                    n_status <= TWO;
                                else
                                    n_status <= ONE;            
                            end
                    ONE_HALF :
                                begin  
                                    water <= 1'b0;
                                    coin_back <= 1'b0;                              
                                    if(coin_half)
                                            n_status <= TWO;
                                    else if(coin_one)
                                        begin
                                            n_status <= ZERO;
                                            water <= 1'b1;
                                            coin_back <= 1'b0;  
                                        end
                                    else
                                            n_status <= ONE_HALF;   
                                end
                    TWO :  
                            begin  
                                water <= 1'b0;
                                coin_back <= 1'b0;                          
                                if(coin_half)
                                    begin
                                        n_status <= ZERO;
                                        water <= 1'b1;
                                        coin_back <= 1'b0;                                      
                                    end
                                else if(coin_one)
                                    begin
                                        n_status <= ZERO;
                                        water <= 1'b1;
                                        coin_back <= 1'b1;                                          
                                    end
                                else
                                    n_status <= TWO;                                        
                            end
                    default:
                                n_status <= ZERO;                                   
                endcase
        end
         
     
    endmodule

上面这种二段式有点类似与，一端=段式状态机，只是把状态机状态给寄存了一下，保证信号输出的稳定性，阅读方面和一段式比较类似。

第二种方式：

// 售货机 二段式状态机 方式2
    module  auto_sell(
        input   clk,
        input       rst_n,
        input       coin_one,
        input       coin_half,
         
        output  reg     water,
        output  reg     coin_back
    );
     
        parameter   ZERO        = 3'b000;
        parameter   HALF        = 3'b001;
        parameter   ONE         = 3'b010;
        parameter   ONE_HALF = 3'b011;
        parameter   TWO         = 3'b100;
     
    //---------------------二段式 2 ok--------------------------------------
     
        //二段式状态机
        reg [2:0]   status;
         
        //状态转移
        always@(posedge clk,negedge rst_n)begin
            if(!rst_n)
                status <= ZERO;
            else
                begin
                    case(status)
                        ZERO :
                                begin                          
                                    if(coin_half)
                                        status <= HALF;
                                    else if(coin_one)
                                        status <= ONE;
                                    else
                                        status <= ZERO;
                                end
                        HALF :
                                begin                          
                                    if(coin_half)
                                        status <= ONE;
                                    else if(coin_one)
                                        status <= ONE_HALF;
                                    else
                                        status <= HALF; 
                                end
                        ONE :  
                                begin                      
                                    if(coin_half)
                                        status <= ONE_HALF;
                                    else if(coin_one)
                                        status <= TWO;
                                    else
                                        status <= ONE;              
                                end
                        ONE_HALF :
                                    begin                              
                                        if(coin_half)
                                                status <= TWO;
                                        else if(coin_one)
                                            begin
                                                status <= ZERO;
                                            end
                                        else
                                                status <= ONE_HALF; 
                                    end
                        TWO :  
                                begin                          
                                    if(coin_half)
                                        begin
                                            status <= ZERO;                                 
                                        end
                                    else if(coin_one)
                                        begin
                                            status <= ZERO;                                     
                                        end
                                    else
                                        status <= TWO;                                          
                                end
                        default:
                                    status <= ZERO;                                 
                    endcase        
                end
        end
     
     
        //输出 时序逻辑
        always@(posedge clk,negedge rst_n)begin
            if(!rst_n)
                begin
                    water <= 1'b1;
                    coin_back <= 1'b0;  
                end
            else
                case(status)
                    ONE_HALF:
                                begin
                                    if(coin_one)
                                        begin
                                            water <= 1'b1;
                                            coin_back <= 1'b0;
                                        end
                                    else
                                        begin
                                            water <= 1'b0;
                                            coin_back <= 1'b0;                              
                                        end
                                end
                    TWO:
                                begin
                                    if(coin_half)
                                        begin
                                            water <= 1'b1;
                                            coin_back <= 1'b0;
                                        end
                                    else if(coin_one)
                                        begin
                                            water <= 1'b1;
                                            coin_back <= 1'b1;                              
                                        end
                                    else
                                        begin
                                            water <= 1'b0;
                                            coin_back <= 1'b0;                                  
                                        end
                                end
                    default:
                                begin
                                    water <= 1'b0;
                                    coin_back <= 1'b0;                                  
                                end        
                endcase
        end
     
    endmodule

这种二段式就区分就比较明显了，可以看到，第一个always快里面的都是状态机转移信号，在这个语句中，只判断状态的跳转过程，而不看状态的一些操作。在第二个always 块里面，只判断在改过程需要做什么操作（执行什么动作）。相当二者将其分开，便于阅读和编写。

###### 三段式状态机 : ######

在两个always模块描述方法基础上，使用三个always模块，一个always模块采用**同步时序描述状态转移**，一个always采用**组合逻辑判断状态转移条件**，描述状态转移规律，另一个always模块**描述状态输出**(可以用组合电路输出，也可以时序电路输出)

// 自动售货机 三段式状态机
    module  auto_sell(
        input   clk,
        input       rst_n,
        input       coin_one,
        input       coin_half,
         
        output  reg     water,
        output  reg     coin_back
    );
     
        parameter   ZERO        = 3'b000;
        parameter   HALF        = 3'b001;
        parameter   ONE         = 3'b010;
        parameter   ONE_HALF = 3'b011;
        parameter   TWO         = 3'b100;
     
        //三段式状态机
        reg [2:0]   c_status;
        reg [2:0]   n_status;
         
        //状态转移
        always@(posedge clk,negedge rst_n)begin
            if(!rst_n)
                c_status <= ZERO;
            else
                c_status <= n_status;
        end
         
        //状态转移规律及状态输出,组合逻辑输出只与输入有关
        //如果有n_status = n_status,电路会出错;
        always@(*)begin
            case(c_status)
                ZERO :
                        begin  
                            if(coin_half)
                                n_status = HALF;
                            else if(coin_one)
                                n_status = ONE;
                            else
                                n_status = ZERO;
                        end
                HALF :
                        begin  
                            if(coin_half)
                                n_status = ONE;
                            else if(coin_one)
                                n_status = ONE_HALF;
                            else
                                n_status = HALF;   
                        end
                ONE :  
                        begin  
                            if(coin_half)
                                n_status = ONE_HALF;
                            else if(coin_one)
                                n_status = TWO;
                            else
                                n_status = ONE;            
                        end
                ONE_HALF :
                            begin  
                                if(coin_half)
                                    n_status = TWO;
                                else if(coin_one)
                                    n_status = ZERO;
                                else
                                    n_status = ONE_HALF;                                       
                            end
                TWO :  
                        begin  
                            if(coin_half)
                                n_status = ZERO;
                            else if(coin_one)
                                n_status = ZERO;
                            else
                                n_status = TWO;        
                        end
                default:
                            n_status = ZERO;                                   
            endcase        
        end
     
        always@(posedge clk,negedge rst_n)begin
            if(!rst_n)
                begin
                    water = 1'b1;
                    coin_back = 1'b0;  
                end
            else
                case(c_status)
                    ONE_HALF:
                                begin
                                    if(coin_one)
                                        begin
                                            water = 1'b1;
                                            coin_back = 1'b0;
                                        end
                                    else
                                        begin
                                            water = 1'b0;
                                            coin_back = 1'b0;                              
                                        end
                                end
                    TWO:
                                begin
                                    if(coin_half)
                                        begin
                                            water = 1'b1;
                                            coin_back = 1'b0;
                                        end
                                    else if(coin_one)
                                        begin
                                            water = 1'b1;
                                            coin_back = 1'b1;                              
                                        end
                                    else
                                        begin
                                            water = 1'b0;
                                            coin_back = 1'b0;                                  
                                        end
                                end
                    default:
                                begin
                                    water = 1'b0;
                                    coin_back = 1'b0;                                  
                                end        
                endcase
        end
         
    endmodule

三段式状态机和二段式状态机是非常类似的，只不过是多加了一个 always 块来实现 FSM状态的一个寄存，使FSM做到了同步寄存器输出，消除了组合逻辑输出的不稳定与毛刺的隐患，而且更利于时序路径分组，一般来说在FPGA等可编程逻辑器件上的综合与布局布线效果更佳。

### 状态机设计标准： ###

第一，状态机要安全，是指FSM不会进入死循环，特别是不会进入非预知的状态，而且由于某些扰动（干扰）进入非设计状态，也能很快的恢复到正常的状态循环中来。(三段式状态机可以尽可能的避免状态输出的不稳定和毛刺的问题)

第二，状态机的设计要满足设计的面积和速度的要求。

第三，状态机的设计要清晰易懂、易维护。

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