Verilog状态机常见三种写法

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了Verilog状态机常见三种写法。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

1.1理论

  Verilog状态机又称同步状态机(FSM,Finite State Machine),一般又叫状态机,在Verilog描述电路中大部分是同步执行(并行)的,但是很多时候需要处理明显具有时间先后的事件,就要用到状态机。每一个状态代表一个小事件,一个完整的任务分为多个事件,完成这个任务需要从该事件跳转到下一时间另一个时间,依次进行下去,整个系统就可以正常运行

1.2状态机分类

  1.Moore(摩尔)型:摩尔状态机的输出只与当前状态有关,即当前状态决定输出值,输入值只决定状态的跳变,不影响电路的输出。(此输出为电路的输出值,而非状态机的状态输出)
次态=f(输入,现态),输出=f(现态)。
  2.Mealy(米勒)型:米勒型状态机的输出与当前状态和当前输入有关。次态=f(输入,现态),输出=f(现态,输入)。

1.3举例分析

  这里从网上找到一个售货机例子,售货机里有价值4元饮料,支持一元与两元,设计一个状态机,当投入金额大于或等于饮料价格时收获机找零并弹出一瓶饮料。硬币与商品一进一出。
状态图:
Verilog状态机常见三种写法
一段式状态机

module fsm_sale(
input                   clk                 ,
input                   rst_n               ,
input      [1:0]        in                  ,
output reg [1:0]        out                 ,
output reg              out_vld
);
//---------------定义信号----------------------//
reg  [3:0]              state             ;

//---------------定义信号状态变量--------------------//
parameter S0           = 4'b0001           ;
parameter S1           = 4'b0010           ;
parameter S2           = 4'b0100           ;
parameter S3           = 4'b1000           ;

//---------------一段式状态机--------------------//

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
   if(!rst_n)begin
	   state <= S0;
		out <= 0;
		out_vld <= 0;
   end
	else begin
	   case(state)
		   S0:begin
			   if(in==1)begin
				  state <= S1;out <= 0;out_vld <= 0;
				end
			   else if(in==2)begin
			     state <= S2;out <= 0;out_vld <= 0;
		      end	
				else begin
				  state <= state;out <= 0;out_vld <= 0;
				end
			end
		   S1:begin
		      if(in==1)begin
				   state <= S2;out <= 0;out_vld <= 0;
				end
				else if(in==2)begin
				   state <= S3;out <= 0;out_vld <= 0;
				end
				else begin
				  state <= state;out <= 0;out_vld <= 0;
				end 
	      end
	      S2:begin
	         if(in==1)begin
				   state <= S3;out <= 0;out_vld <= 0;
			   end
				else if(in==2)begin
				   state <= S0;out <= 0;out_vld <=1;
				end
				else begin
				   state <= state;out <= 0;out_vld <= 0;
				end
         end
		   S3:begin
		      if(in==1)begin
				   state <= S0;out <= 0;out_vld <=1;
				end
				else if(in==2)begin
				   state <= S0;out <= 1;out_vld <=1;
				end
				else begin
				   state <= state;out <= 0;out_vld <= 0;
				end
	      end
         default:state <= S0;	
		endcase
	end
end

endmodule

二段式状态机

module fsm_sale
//---------------------<端口声明>---------------------------------------
(
input                   clk                 ,
input                   rst_n               ,
input      [1:0]        in                  ,
output reg [1:0]        out                 ,
output reg              out_vld
);
//---------------------<信号定义>---------------------------------------
reg  [3:0]              state             ;
reg  [3:0]              n_state             ;
//---------------------<状态机参数>-------------------------------------
localparam S0           = 4'b0001           ;
localparam S1           = 4'b0010           ;
localparam S2           = 4'b0100           ;
localparam S3           = 4'b1000           ;

//----------------------------------------------------------------------
//--   状态机第1段
//----------------------------------------------------------------------
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)
        state <= S0;
    else
        state <= n_state;
end

//----------------------------------------------------------------------
//--   状态机第2段
//----------------------------------------------------------------------
always@(*)begin
    case(state)
        S0: begin
            if(in==1)begin
                n_state = S1;
            end
            else if(in==2)begin
                n_state = S2;
            end
            else begin
                n_state = state;
                out     = 0 ;
                out_vld = 0 ;
            end
        end
        S1: begin
            if(in==1)begin
                n_state = S2;
            end
            else if(in==2)begin
                n_state = S3;
            end
            else begin
                n_state = state;
            end
        end
        S2: begin
            if(in==1)begin
                n_state = S3;
            end
            else if(in==2)begin
                n_state = S0;
                out_vld = 1 ;
            end
            else begin
                n_state = state;
                out_vld = 0;
            end
        end
        S3: begin
            if(in==1)begin
                n_state = S0;
                out_vld = 1 ;
            end
            else if(in==2)begin
                n_state = S0;
                out     = 1 ;
                out_vld = 1 ;
            end
            else begin
                n_state = state;
                out     = 0;
                out_vld = 0;
            end
        end
        default:n_state = S0;
    endcase
end


endmodule

三段式状态机

module fsm_sale
(
input                   clk                 ,
input                   rst_n               ,
input      [1:0]        in                  ,
output reg [1:0]        out                 ,
output reg              out_vld
);

reg  [3:0]              state             ;
reg  [3:0]              n_state             ;

localparam S0           = 4'b0001           ;
localparam S1           = 4'b0010           ;
localparam S2           = 4'b0100           ;
localparam S3           = 4'b1000           ;


always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)
        state <= S0;
    else
        state <= n_state;
end


always @(*)begin
    case(state)
        S0: begin
            if(in==1)
                n_state = S1;
            else if(in==2)
                n_state = S2;
            else
                n_state = state;
        end
        S1: begin
            if(in==1)
                n_state = S2;
            else if(in==2)
                n_state = S3;
            else
                n_state = state;
        end
        S2: begin
            if(in==1)
                n_state = S3;
            else if(in==2)
                n_state = S0;
            else
                n_state = state;
        end
        S3: begin
            if(in==1 || in==2)      // in != 0也行
                n_state = S0;
            else
                n_state = state;
        end
        default:n_state = S0;
    endcase
end


always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)
        out <= 0;
    else if(state ==S3 && in==2)
        out <= 1;
    else
        out <= 0;
end


always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(rst_n==1'b0)
        out_vld <= 0;
    else if((state ==S2 && in==2) || (state ==S3 && in!=0))
        out_vld <= 1;
    else
        out_vld <= 0;
end


endmodule

下面分别是三段状态机的仿真图
一段式:
Verilog状态机常见三种写法
二段式:
Verilog状态机常见三种写法
三段式:
Verilog状态机常见三种写法
  一段式状态机,只涉及时序电路,没有竞争与冒险现象,上述代码总消耗逻辑(total logic element)为8,比较少,但是状态一旦多了,一段式显得比较臃肿,不利于工程后期维护。
  二段式状态机,一段为状态转移,第二段为状态机输出、电路输出。输出波形产生了毛刺现象,而在本文中产生这种现象的原因是,n_state因为组合逻辑原因不断出现临时状态,而这些状态是无效的,输出也因此产生了这些临时状态,即毛刺。
  三段式状态机,各大教材中比较推崇的,一段是同步时序逻辑的状态转移(state→n_state);二段是组合逻辑的状态转移的条件,描述状态转移的规律;三段是状态的输出;由于维护方便, 组合逻辑与时序逻辑完全独立。避免了组合逻辑的竞争与冒险,所以我也推荐此种写法。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-503272.html

到了这里,关于Verilog状态机常见三种写法的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

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