第4講 同步有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

1、f=ab 安徽師范大學(xué)安徽師范大學(xué)20152015第5章 Verilog HDL同步有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)的基本概念狀態(tài)機(jī)的編碼方式復(fù)雜狀態(tài)機(jī)的編寫方法采用狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)程序算法狀態(tài)機(jī)狀態(tài)機(jī)適合描述那些發(fā)生時(shí)有先后順序或者有邏輯規(guī)律的事情。其本質(zhì)是對具有邏輯順序或時(shí)序規(guī)律事件的一種描述方法。時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)過程由給定的邏輯功能建立原始狀態(tài)圖和狀態(tài)表狀態(tài)化簡狀態(tài)編碼選擇觸發(fā)器類型確定激勵(lì)方程組和輸出方程組畫出邏輯圖并檢查自啟動(dòng)有限狀態(tài)機(jī)（有限狀態(tài)機(jī)（FSM）它是一個(gè)有向的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖形，由一組狀態(tài)和一組它是一個(gè)有向的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖形，由一組狀態(tài)和一組相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)組成。相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)組成。狀態(tài)機(jī)包

2、含的要素可歸納為4個(gè)：現(xiàn)態(tài)、條件、動(dòng)作、次態(tài)。“現(xiàn)態(tài)”和“條件”是因，“動(dòng)作”和“次態(tài)”是果?，F(xiàn)態(tài)：是指當(dāng)前所處的狀態(tài)。條件：又稱為“事件”。當(dāng)一個(gè)條件被滿足，將會(huì)觸發(fā)一個(gè)動(dòng)作，或者執(zhí)行一次狀態(tài)的遷移。動(dòng)作：條件滿足后執(zhí)行的動(dòng)作。動(dòng)作執(zhí)行完畢后，可以遷移到新的狀態(tài)，也可以仍舊保持原狀態(tài)。動(dòng)作不是必需的，當(dāng)條件滿足后，也可以不執(zhí)行任何動(dòng)作，直接遷移到新狀態(tài)。次態(tài)：條件滿足后要遷往的新狀態(tài)?！按螒B(tài)”是相對于“現(xiàn)態(tài)”而言的，“次態(tài)”一旦被激活，就轉(zhuǎn)變成新的“現(xiàn)態(tài)”了。有限狀態(tài)機(jī)（有限狀態(tài)機(jī)（FSM）感冒感冒健康健康康復(fù)中康復(fù)中休息休息 淋雨淋雨吃藥吃藥有限狀態(tài)機(jī)（有限狀態(tài)機(jī)（FSM）設(shè)計(jì)集成電路時(shí)設(shè)

3、計(jì)集成電路時(shí),通常可將整個(gè)系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)單元和通?？蓪⒄麄€(gè)系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)單元和控制單元。其中控制單元的主體通常是一個(gè)有限狀態(tài)控制單元。其中控制單元的主體通常是一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)機(jī),它接收外部信號(hào)和數(shù)據(jù)單元產(chǎn)生的狀態(tài)信息它接收外部信號(hào)和數(shù)據(jù)單元產(chǎn)生的狀態(tài)信息, 產(chǎn)生控產(chǎn)生控制信號(hào)序列。制信號(hào)序列。有了以上電路，就不難設(shè)計(jì)出復(fù)雜的控制序列來操縱數(shù)有了以上電路，就不難設(shè)計(jì)出復(fù)雜的控制序列來操縱數(shù)字系統(tǒng)的控制開關(guān)陣列。字系統(tǒng)的控制開關(guān)陣列。有限狀態(tài)機(jī)（有限狀態(tài)機(jī)（FSM）有限狀態(tài)機(jī)能夠克服純硬件數(shù)字系統(tǒng)順序方式控制不有限狀態(tài)機(jī)能夠克服純硬件數(shù)字系統(tǒng)順序方式控制不靈活的缺點(diǎn)。靈活的缺點(diǎn)。狀態(tài)機(jī)的結(jié)構(gòu)模式相對

4、簡單。狀態(tài)機(jī)的結(jié)構(gòu)模式相對簡單。狀態(tài)機(jī)容易構(gòu)成性能良好的同步時(shí)序邏輯模塊。狀態(tài)機(jī)容易構(gòu)成性能良好的同步時(shí)序邏輯模塊。狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)機(jī)的Verilog表述豐富多樣。表述豐富多樣。在高速運(yùn)算和控制方面，狀態(tài)機(jī)更有其巨大的優(yōu)勢。在高速運(yùn)算和控制方面，狀態(tài)機(jī)更有其巨大的優(yōu)勢。就可靠性而言，狀態(tài)機(jī)的優(yōu)勢也是十分明顯的。就可靠性而言，狀態(tài)機(jī)的優(yōu)勢也是十分明顯的。有限狀態(tài)機(jī)（有限狀態(tài)機(jī)（FSM）狀態(tài)機(jī)一般包括組合邏輯和寄存器邏輯兩部分。寄存器用于存儲(chǔ)狀態(tài)機(jī)一般包括組合邏輯和寄存器邏輯兩部分。寄存器用于存儲(chǔ)狀態(tài)，組合電路用于狀態(tài)譯碼和產(chǎn)生輸出信號(hào)。狀態(tài)，組合電路用于狀態(tài)譯碼和產(chǎn)生輸出信號(hào)。狀態(tài)機(jī)的下一個(gè)狀態(tài)及輸

5、出不僅與輸入信號(hào)有關(guān)，還與寄存器當(dāng)狀態(tài)機(jī)的下一個(gè)狀態(tài)及輸出不僅與輸入信號(hào)有關(guān)，還與寄存器當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)。前狀態(tài)有關(guān)。根據(jù)輸出信號(hào)產(chǎn)生方法的不同，狀態(tài)機(jī)可分為根據(jù)輸出信號(hào)產(chǎn)生方法的不同，狀態(tài)機(jī)可分為米里米里(Mealy) 機(jī)機(jī)和和摩爾摩爾(Moore) 機(jī)機(jī)。米里米里(Mealy) 機(jī)的機(jī)的輸出輸出是當(dāng)前狀態(tài)和輸入信號(hào)的函數(shù)。是當(dāng)前狀態(tài)和輸入信號(hào)的函數(shù)。摩爾摩爾(Moore) 機(jī)的機(jī)的輸出輸出僅是當(dāng)前狀態(tài)的函數(shù)。僅是當(dāng)前狀態(tài)的函數(shù)。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)在硬件設(shè)計(jì)時(shí),需自行決定采用哪種狀態(tài)機(jī)。需自行決定采用哪種狀態(tài)機(jī)。Mealy 狀態(tài)機(jī)狀態(tài)機(jī)下一狀態(tài)下一狀態(tài)的邏輯的邏輯 F F輸出邏輯輸出邏輯 G G狀態(tài)狀

6、態(tài)寄存器寄存器 clk 輸入輸入下一個(gè)狀態(tài) = F(當(dāng)前狀態(tài)，輸入信號(hào))； 輸出信號(hào) = G(當(dāng)前狀態(tài)，輸入信號(hào))；Moor 狀態(tài)機(jī)狀態(tài)機(jī)下一個(gè)狀態(tài) = F(當(dāng)前狀態(tài)，輸入信號(hào)) 輸出信號(hào) = G(當(dāng)前狀態(tài))；下一狀下一狀態(tài)的邏態(tài)的邏輯輯 F F輸出邏輯輸出邏輯 G G狀態(tài)狀態(tài)寄存器寄存器有限狀態(tài)機(jī)（有限狀態(tài)機(jī)（FSM）Idle Start Stop Clear !A !Reset /K2=0 K1=0 !Reset / K2=0 K1=0A=1/K2=1 （!Reset |!A ）/ K2=0 K1=1!Reset /K2=0 K1=0 A/K1=0狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)包含兩個(gè)主要過程： 一是狀態(tài)機(jī)

7、的編碼，二是狀態(tài)機(jī)的建模。 同步時(shí)鐘：clk輸入信號(hào)：reset、A輸出信號(hào)：K1、K2狀態(tài)轉(zhuǎn)移發(fā)生在時(shí)鐘上升沿觸有限狀態(tài)機(jī)（有限狀態(tài)機(jī)（FSM）-編碼編碼狀態(tài)編碼又稱狀態(tài)分配。狀態(tài)編碼又稱狀態(tài)分配。通常有多種編碼方法，編碼方案選擇得當(dāng)，設(shè)計(jì)的電路可通常有多種編碼方法，編碼方案選擇得當(dāng)，設(shè)計(jì)的電路可以簡單；反之，電路會(huì)占用過多的邏輯或速度降低。設(shè)計(jì)以簡單；反之，電路會(huì)占用過多的邏輯或速度降低。設(shè)計(jì)時(shí)，須綜合考慮電路復(fù)雜度和電路性能這兩個(gè)因素。時(shí)，須綜合考慮電路復(fù)雜度和電路性能這兩個(gè)因素。二進(jìn)制編碼二進(jìn)制編碼、格雷編碼、格雷編碼、完整一位熱編碼完整一位熱編碼( verbose one-hot)

8、、簡化一位熱編碼、簡化一位熱編碼( simplified one-hot )二進(jìn)制編碼： Idle = 2b00 Start = 2b01 Stop = 2b10 Clear = 2b11 One-Hot編碼： Idle = 4b1000 Start = 4b0100 Stop = 4b0010 Clear = 4b0001有限狀態(tài)機(jī)（有限狀態(tài)機(jī)（FSM）-編碼編碼二進(jìn)制編碼：使用較少的觸發(fā)器和較多的組合邏輯； 適用于CPLD和小型狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)； One-Hot編碼：使用較多的觸發(fā)器和較少的組合邏輯； 適用于FPGA和大型狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)；有限狀態(tài)機(jī)（有限狀態(tài)機(jī)（FSM）-建模建模有限狀態(tài)機(jī)（有限狀態(tài)

9、機(jī)（FSM）-建模建模用用Verilog 語言描述有限狀態(tài)機(jī)可使用多種風(fēng)格語言描述有限狀態(tài)機(jī)可使用多種風(fēng)格,不同的風(fēng)格會(huì)極不同的風(fēng)格會(huì)極大地影響電路性能。大地影響電路性能。通常有通常有2種描述方式種描述方式:單單always 塊、多塊、多always 塊。塊。單always 塊：將狀態(tài)轉(zhuǎn)移和狀態(tài)的操作、判斷等寫到一個(gè)塊中多always 塊：將狀態(tài)轉(zhuǎn)移寫成一個(gè)單獨(dú)的塊，將狀態(tài)的操作、判斷寫到其它塊中狀態(tài)轉(zhuǎn)移是用寄存器實(shí)現(xiàn)的，是同步時(shí)序部分。狀態(tài)的判斷是組合邏輯。多always 塊方式將同步時(shí)序和組合邏輯分別放到不同的塊中實(shí)現(xiàn)。狀態(tài)機(jī)較復(fù)雜時(shí)，多always 塊是比較好的設(shè)計(jì)方式。結(jié)構(gòu)清晰，便于閱

10、讀、理解、維護(hù)，更重要的是利于綜合器優(yōu)化代碼，利于用戶添加合適的時(shí)序約束條件，利于布局布線器實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。有限狀態(tài)機(jī)（有限狀態(tài)機(jī)（FSM）Idle Start Stop Clear !A !Reset /K2=0 K1=0 !Reset / K2=0 K1=0A=1/K2=1 （!Reset |!A ）/ K2=0 K1=1!Reset /K2=0 K1=0 A/K1=0同步時(shí)鐘：clk輸入信號(hào)：reset、A輸出信號(hào)：K1、K2狀態(tài)轉(zhuǎn)移發(fā)生在時(shí)鐘上升沿觸module fsm (Clock, Reset, A, K2, K1);module fsm (Clock, Reset, A, K2, K1

11、);input Clock, Reset, A; /input Clock, Reset, A; /定義時(shí)鐘、復(fù)位和輸入信號(hào)定義時(shí)鐘、復(fù)位和輸入信號(hào)output K2, K1; /output K2, K1; /定義輸出控制信號(hào)的端口定義輸出控制信號(hào)的端口reg K2, K1; /reg K2, K1; /定義輸出控制信號(hào)的寄存器定義輸出控制信號(hào)的寄存器reg 1:0 state ;reg 1:0 state ; / /定義狀態(tài)寄存器定義狀態(tài)寄存器parameter Idle = 2parameter Idle = 2b00, Start = 2b00, Start = 2b01, /b01,

12、 /定義狀態(tài)變量參數(shù)值定義狀態(tài)變量參數(shù)值 Stop = 2Stop = 2b10, Clear = 2b10, Clear = 2b11b11；always (posedge Clock)always (posedge Clock) if (!Reset) if (!Reset) begin / begin /定義復(fù)位后的初始狀態(tài)和輸出值定義復(fù)位后的初始狀態(tài)和輸出值 state = Idle; K2=0; K1=0; state = Idle; K2=0; K1=0; end endelseelse case (state) case (state) Idle: begin Idle: beg

13、in if (A) begin if (A) begin state = Start; state = Start; K1=0; K1=0; end end else state = Idle; else state = Idle; end end建模方法之一（二進(jìn)制編碼）Start: begin Start: begin if (!A) state = Stop; if (!A) state = Stop; else state = Start; else state = Start; end endStop: begin Stop: begin if (A) begin if (A) be

14、gin state = Clear; state = Clear; K2= 1; K2= 1; end end else state = Stop; else state = Stop; end endClear: begin Clear: begin if (!A) begin if (!A) begin state = Idle; state = Idle; K2=0; K1=1; K2=0; K1=1; end end else state = Clear; else state = Clear; end end endcase endcaseendmodule endmodule 建模

15、方法之一（二進(jìn)制編碼）module fsm (Clock, Reset, A, K2, K1);module fsm (Clock, Reset, A, K2, K1);input Clock, Reset, A;input Clock, Reset, A;output K2, K1;output K2, K1;reg K2, K1;reg K2, K1;reg 3:0 state ;reg 3:0 state ; parameter Idle = 4parameter Idle = 4b1000, b1000, Start = 4 Start = 4b0100, b0100, Stop =

16、4 Stop = 4b0010, b0010, Clear = 4 Clear = 4b0001;b0001; always (posedge clock) always (posedge clock) if (!Reset) if (!Reset) begin begin state = Idle; K2=0; K1=0; state = Idle; K2=0; K1=0; end end else else case (state) case (state) Idle: if (A) begin Idle: if (A) begin state = Start; state = Start

17、; K1=0; K1=0; end end else state = Idle; else state = Idle;建模方法之二（一位熱編碼） 建模方法之二（一位熱編碼）建模方法之三（2個(gè)always）endendmodule建模方法之三（2個(gè)always）建模方法之四（多個(gè)always）建模方法之四（多個(gè)always）建模方法之四（多個(gè)always）有限狀態(tài)機(jī)（有限狀態(tài)機(jī)（FSM） 多數(shù)多數(shù)FPGA內(nèi)觸發(fā)器加多，且一位熱編碼的譯碼邏輯較內(nèi)觸發(fā)器加多，且一位熱編碼的譯碼邏輯較為簡單，建議利用為簡單，建議利用FPGA實(shí)現(xiàn)的有限狀態(tài)機(jī)采用一位熱實(shí)現(xiàn)的有限狀態(tài)機(jī)采用一位熱編碼方式編碼方式在比較復(fù)雜

18、的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)過程中，往往把狀態(tài)的變化與在比較復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)過程中，往往把狀態(tài)的變化與輸出的控制分成兩部分來考慮。為了調(diào)試方便，還常常輸出的控制分成兩部分來考慮。為了調(diào)試方便，還常常把每一個(gè)輸出寫成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的把每一個(gè)輸出寫成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的always組合塊。在調(diào)試組合塊。在調(diào)試多輸出狀態(tài)機(jī)時(shí)，這樣做比較容易發(fā)現(xiàn)問題和改正模塊多輸出狀態(tài)機(jī)時(shí)，這樣做比較容易發(fā)現(xiàn)問題和改正模塊編寫中出現(xiàn)的問題。編寫中出現(xiàn)的問題。FSM的Test Benchtimescale 1ns/100psmodule test(); reg Clock,Reset,A; wire K2,K1; ; always #10 Clock=Clock; initial beginClock=0;Reset=0;A=0; #20;Reset=1;A=0; #20;Reset=1;A=1;endendmodule 有限狀態(tài)機(jī)（有限狀態(tài)機(jī)（FSM）-總結(jié)總結(jié) 有限狀態(tài)機(jī)（有限狀態(tài)機(jī)（FSM）-擴(kuò)展擴(kuò)展 有限狀態(tài)機(jī)有限狀態(tài)機(jī)-擴(kuò)展擴(kuò)展隱式狀態(tài)機(jī)隱式狀態(tài)機(jī)FSM 不需要聲明狀態(tài)寄存器