Verilog 有限状态机

状态机基本概念

状态机，全称是有限状态机（ Finite State Machine，缩写为FSM），是一种在有限个状态之间按一定规律转换的时序电路，可以认为是组合逻辑和时序逻辑的一种组合。 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，如SDRAM控制器等。
 

上图表示的是数字电路设计中常用的时钟同步状态机的结构。其中状态寄存器是由一组触发器组成,用来记忆状态机当前所处的状态。如果状态寄存器由n个触发器组成,这个状态机最多可以记忆2°个状态。所有的触发器的时钟端都连接在一个共同的时钟信号上,所以状态的改变只可能发生在时钟的跳变沿上。可能发生的状态的改变由正跳变还是由负跳变触发﹐取决于触发器的类型。状态是否改变,怎样改变还将取决于产生下一状态的组合逻辑F的输出,F是当前状态和输入信号的函数。状态机的输出是由输出组合逻辑G提供的,G也是当前状态和输人信号的函数。现代电路设计常用正跳变沿触发的D触发器,特别是在可编程逻辑器件上实现的用综合工具自动生成的状态机,其电路结构往往都是使用正跳变沿触发的D触发器。目前的JK触发器,其他类型的触发器和锁存器已经很少使用。图中的F和G两部分都是纯组合逻辑,它们的逻辑函数表达式如下:
下一个状态=F(当前状态,输入信号);

输出信号一G(当前状态,输入信号);

根据输出信号是否还取决于输入，状态机分为两类：

• Moore（摩尔） 状态机：组合逻辑的输出只取决于当前状态；即输出信号一G(当前状态)。
• Mealy （米勒）状态机：组合逻辑的输出不仅取决于当前状态，还取决于输入信号；即输出信号一G(当前状态,输入信号)

 状态机设计流程

根据设计需求画出状态转移图，确定使用状态机类型，并标注出各种输入输出信号，更有助于编程。一般使用最多的是 Mealy 型 3 段式状态机。

三段式状态机

状态机设计如下：

• (0) 首先，根据状态机的个数确定状态机编码。利用编码给状态寄存器赋值，代码可读性更好。
• (1) 状态机第一段，时序逻辑，非阻塞赋值，传递寄存器的状态。
• (2) 状态机第二段，组合逻辑，阻塞赋值，根据当前状态和当前输入，确定下一个状态机的状态。
• (3) 状态机第三代，时序逻辑，非阻塞赋值，因为是 Mealy 型状态机，根据当前状态和当前输入，确定输出信号。

`timescale 1ns/1ns
module fsm_ex(
	input wire clk  ,
	input wire rst  ,
	input wire d1 ,
	input wire d2 ,
	input wire d3 ,
	
	output reg out1,
	output reg out2
);


reg [2 : 0] next_state, current_state;

//将输入组合起来
wire [2 : 0] data_in;
assign data_in = {d3, d2, d1};

parameter s0 = 3'd0;
parameter s1 = 3'd1;
parameter s2 = 3'd2;
parameter s3 = 3'd3;
parameter s4 = 3'd4;
parameter s5 = 3'd5;
parameter s6 = 3'd6;

//1、state transfer
//第一段：传递寄存器状态，时序逻辑，非阻塞赋值
always @(posedge clk or negedge rst) begin
    if (! rst) begin
        current_state <= s0;
    end
    else begin
        current_state <= next_state;
    end
end


//2、state switch, using block assignment for combination-logic 
//all case items need to be displayed completely 
//第二段：根据当前状态和当前输入确定下一状态，组合逻辑，阻塞赋值
always @(*) begin
    if(! rst) begin
        next_state = s0;
    end
    else begin
        case(current_state)
            s0: begin
                case(data_in) 
                    3'b001 : next_state = s1;
                    3'b010 : next_state = s2;
                    3'b100 : next_state = s4;
                    default : next_state = next_state;
                endcase
            end
            s1: begin
                case(data_in) 
                    3'b001 : next_state = s2;
                    3'b010 : next_state = s3;
                    3'b100 : next_state = s5;
                    default : next_state = next_state;
                endcase
            end
            s2: begin
                case(data_in) 
                    3'b001 : next_state = s3;
                    3'b010 : next_state = s4;
                    3'b100 : next_state = s6;
                    default : next_state = next_state;
                endcase
            end
            default : next_state = s0;
        endcase
    end
end

//3、output logic, using non-block assignment 
//第三段：Mealy状态机中，根据当前状态和当前输入确定输出，时序逻辑，非阻塞赋值
always @ (posedge clk or negedge rst) begin
    if(! rst) begin
        out1 <= 1'd0;
        out2 <= 2'd0;
    end
    else begin
        case(current_state)
            s3 : begin
                out1 <= 1'd1;
                out2 <= 2'd0;
            end
            s4 : begin
                out1 <= 1'd1;
                out2 <= 2'd1;
            end
            s5 : begin
                out1 <= 1'd1;
                out2 <= 2'd2;
            end
            s6 : begin
                out1 <= 1'd1;
                out2 <= 2'd3;
            end
        default : begin
            out1 <= 1'd0;
            out2 <= 2'd0;            
        end
        endcase
    end
end

endmodule

两段式状态机 

将 3 段式状态机 2、3 段描述合并，其他部分保持不变，状态机就变成了 2 段式描述。

参考文献：夏宇闻《Verilog数字系统设计》、 runoob Verilog教程