FPGA开发之状态机设计

状态机是许多数字系统的核心部件，是一类重要的时序逻辑电路。通常包括三个部分：
一是下一个状态的逻辑电路，
二是存储状态机当前状态的时序逻辑电路，
三是输出组合逻辑电路。
通常，状态机的状态数量有限，称为有限状态机（FSM）。由于状态机所有触发器的时钟由同一脉冲边沿触发，故也称之为同步状态机。根据状态机的输出信号是否与电路的输入有关分为 Mealy 型状态机和 Moore 型状态机。电路的输出信号不仅与电路当前状态有关，还与电路的输入有关，称为 Mealy 型状态机，即次态=f( 现状，输入 ) ，输出 =f （现状，输入）； 而电路的输出仅仅与各触发器的状态，不受电路输入信号影响或无输入，称为 Moore 型状态机， 即 次态 =f( 现状，输 入) ，输出 =f （现状）。其标准模型如下所示：

状态机的状态转移图，通常也可根据输入和内部条件画出。一般来说，状态机的设计包含下列设计步骤：
• 根据需求和设计原则，确定是 Moore 型还是 Mealy 型状态机；
• 分析状态机的所有状态，对每一状态选择合适的编码方式，进行编码；
• 根据状态转移关系和输出绘出状态转移图；
• 构建合适的状态机结构，对状态机进行硬件描述。
状态机的描述通常有三种方法，称为一段式状态机，二段式状态机和三段式状态机。状态机的描述通常包含以下四部分：
1)利用参数定义语句 parameter 描述状态机各个状态名称，即状态编码。状态编码通常有很多方法包含自然二进制编码，One-hot 编码，格雷编码码等；
2）用时序的 always 块描述状态触发器实现状态存储；
3）使用敏感表和 case 语句（也采用 if-else 等价语句）描述状态转换逻辑；
4）描述状态机的输出逻辑。
下面根据状态机的三种方法，来比较各种方法的优劣。
1、一段式状态机
module detect_1(
input clk_i,
input rst_n_i,
output out_o
);
reg out_r;
// 状态声明和状态编码
reg [1:0] state;
parameter [1:0] S0=2'b00;
parameter [1:0] S1=2'b01;
parameter [1:0] S2=2'b10;
parameter [1:0] S3=2'b11;
always@(posedge clk_i)
begin
if(!rst_n_i)begin
state<=0;
out_r<=1'b0;
end
else
case(state)
S0 :
begin
out_r<=1'b0;
state<= S1;
end
S1 :
begin
out_r<=1'b1;
state<= S2;
end
S2 :
begin
out_r<=1'b0;
state<= S3;
end
S3 :
begin
out_r<=1'b1;
end
endcase
end
assign out_o=out_r;
endmodule
一段式状态机是应该避免使用的，该写法仅仅适用于非常简单的状态机设计，不符合组合逻辑与时序逻辑分开的原则，整个结构代码也不清晰，不利用维护和修改。
2、两段式状态机
module detect_2(
input clk_i,
input rst_n_i,
output out_o
);
reg out_r;
// 状态声明和状态编码
reg [1:0] Current_state;
reg [1:0] Next_state;
parameter [1:0] S0=2'b00;
parameter [1:0] S1=2'b01;
parameter [1:0] S2=2'b10;
parameter [1:0] S3=2'b11;
// 时序逻辑：描述状态转换
always@(posedge clk_i)
begin
if(!rst_n_i)
Current_state<=0;
else
Current_state<=Next_state;
end
// 组合逻辑 : 描述下一状态和输出
always@(*)
begin
case(Current_state)
S0 :
begin
out_r=1'b0;
Next_state= S1;
end
S1 :
begin
out_r=1'b1;
Next_state= S2;
end
S2 :
begin
out_r=1'b0;
Next_state= S3;
end
S3 :
begin
out_r=1'b1;
Next_state=Next_state;
end
endcase
end
assign out_o=out_r;
endmodule
两段式状态机采用两个 always 模块实现状态机的功能，其中一个 always 采用同步时序逻辑描述状态转移，另一个always 采用组合逻辑来判断状态条件转移。两段式状态机是推荐的状态机设计方法。
3、 三段式状态机
module detect_3(
input clk_i,
input rst_n_i,
output out_o
);
reg out_r;
// 状态声明和状态编码
reg [1:0] Current_state;
reg [1:0] Next_state;
parameter [1:0] S0=2'b00;
parameter [1:0] S1=2'b01;
parameter [1:0] S2=2'b10;
parameter [1:0] S3=2'b11;
// 时序逻辑：描述状态转换
always@(posedge clk_i)
begin
if(!rst_n_i)
Current_state<=0;
else
Current_state<=Next_state;
end
// 组合逻辑：描述下一状态
always@(*)
begin
case(Current_state)
S0:
Next_state = S1;
S1:
Next_state = S2;
S2:
Next_state = S3;
S3:
Next_state = Next_state;
default :
Next_state = S0;
endcase
end
// 输出逻辑：让输出 out ，经过寄存器 out_r 锁存后输出，消除毛刺
always@(*)
begin
case(Current_state)
S0,S2:
out_r<=1'b0;
S1,S3:
out_r<=1'b1;
default :
out_r<=out_r;
endcase
end assign out_o=out_r;
三段式状态机在第一个 always 模块采用同步时序逻辑方式描述状态转移，第二个 always 模块采用组合逻辑方式描述状态转移规律，第三个 always 描述电路的输出。通常让输出信号经过寄存器缓存之后再输出，消除电路毛刺。这种状态机也是比较推崇的，主要是由于维护方便，组合逻辑与时序逻辑完全独立。