05 状态机 - 技术栈

状态机简介

Verilog 是硬件描述语言，它所生成的电路都是并行执行的，当需要按照流程或者步骤来完成某个功能时，可以使用多个 if 嵌套语句来实现，但是这样就增加了代码的复杂度，使得代码可读性差、维护困难，此时若通过状态机来控制程序流程即可解决这个问题。状态机相当于一个控制器，它将一项复杂流程的流程分解为若干步，每步对应于一个状态，通过预先设计的规则在各状态之间进行跳转，从而控制程序执行流程的目的。

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跳转的时序电路（也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间的跳转来控制程序执行流程，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，状态机优势非常明显。

状态机分类

根据输出与输入关系分类

根据状态机的输出是否与输入条件相关，可将状态机分为两大类，即摩尔(Moore)型状态机和米勒(Mealy)型状态机

米勒(Mealy)状态机：输出不仅取决于当前状态，还取决于输入状态
摩尔(Moore)状态机：输出只取决于当前状态

根据写法分类

根据状态机的实际写法，状态机还可以分为一段式状态机、二段式状态机、三段式状态机。

一段式状态机：整个状态机写到一个 always 里面，在该 always 中既描述状态转移，又描述状态的输入和输出，这种写法会使整个代码比较混乱。
二段式状态机：用两个 always 来描述状态机，其中一个 always 采用时序逻辑描述状态转移，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，同时进行输出控制，因为这种写法的输出是由组合逻辑控制，其输出可能有毛刺。
三段式状态机：一个 always 模块采用时序逻辑描述状态转移，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，三段式状态机代码逻辑清晰，更有利于代码编写和维护

三段式状态机的实现

三段式状态机的基本格式

第一个 always 语句采用时序逻辑实现状态跳转
第二个 always 语句采用组合逻辑判断状态转移条件（一般结合当前状态和输入判断），确定下一个状态
第三个 always 语句描述状态输出(根据当前状态进行输出，可以用组合电路输出，也可以时序电路输出)

状态编码选择原则

状态编码一般按下面原则选取：

基于状态机的LED流水灯

下面编写一个基于状态机的LED流水灯来演示状态机的编写，系统框图如下，LED从0~3以0.5s间隔依次被点亮，共计有四种状态，状态机第一段采用时序逻辑，实现状态跳转，第二段采用组合逻辑，根据当前状态和计数器的值描述状态转移，确定下一个状态，第三段采用时序逻辑，结合当前状态控制LED。

c 复制代码

module fsm_led #(
	//参数列表
	parameter COUNT_WIDTH = 25,				//内部计数器宽度
	parameter COUNT_PERIOD = 25_000_000		//计数器最大周期，决定LED多久变化依次
)
(
	input sys_clk,
	input sys_rst_n,

	output reg [3:0] led
);

//独热码定义方式
parameter S0 = 4'b0001;
parameter S1 = 4'b0010;
parameter S2 = 4'b0100;
parameter S3 = 4'b1000;

//周期计数器
reg [COUNT_WIDTH-1:0] count;
//当前状态
reg [3:0] curr_st;
//下一个状态
reg [3:0] next_st;

//一个周期计数器
always @(posedge sys_clk) begin
	if(!sys_rst_n)
		count <= 0;
	else if(count < (COUNT_PERIOD - 1))
		count <= count + 1;
	else
		count <= 0;
end

//状态机第一段采用时序逻辑实现状态跳转
always @(posedge sys_clk) begin
	if(!sys_rst_n)
		curr_st <= S0;
	else
		curr_st <= next_st;
end

//状态机第二段采用组合逻辑判断状态转移条件，确定下一个状态
always @(*) begin
	case (curr_st)
		S0 : begin
			//输出采用时序逻辑，存在一个周期的延时，所以这里为(COUNT_PERIOD - 2)
			if(count == (COUNT_PERIOD - 2))
				next_st = S1;
			else
				next_st = S0;
		end
		S1 : begin
			if(count == (COUNT_PERIOD - 2))
				next_st = S2;
			else
				next_st = S1;
		end
		S2 : begin
			if(count == (COUNT_PERIOD - 2))
				next_st = S3;
			else
				next_st = S2;
		end
		S3 : begin
			if(count == (COUNT_PERIOD - 2))
				next_st = S0;
			else
				next_st = S3;
		end
		default: next_st = S0;
	endcase
end

//状态机第三段描述状态输出(根据当前状态进行输出，可以用组合电路输出，也可以时序电路输出)
always @(posedge sys_clk) begin
	if(!sys_rst_n)
		led <= 0;
	else begin
		case (curr_st)
			S0 : led = 4'b0001;
			S1 : led = 4'b0010;
			S2 : led = 4'b0100;
			S3 : led = 4'b1000;
		endcase
	end
end

endmodule