第九章同步狀態(tài)機課件

第九章

同步狀態(tài)機設(shè)計9/23/20231周曉波北京交通大學電子信息學院

xbzhou@51683626內(nèi)容提要9/23/202329.1狀態(tài)機的結(jié)構(gòu)9.2

Mealy狀態(tài)機和Moore狀態(tài)機9.3描述可綜合的狀態(tài)機9.1

狀態(tài)機的結(jié)構(gòu)9/23/20233有限狀態(tài)機（FSM)設(shè)計是時序電路設(shè)計

中很常用的方式控制模塊case，if-else9.1

狀態(tài)機的結(jié)構(gòu)9/24/20234組合邏輯和時序邏輯的組合寄存器用于存貯狀態(tài)組合電路用于狀態(tài)譯碼和產(chǎn)生輸出信號狀態(tài)機的下一個狀態(tài)不僅和輸入信號相關(guān)，而且和當前狀態(tài)相關(guān)同步時序表示方法：狀態(tài)圖、狀態(tài)表、流程圖狀態(tài)機邏輯表達式9/24/20235下一個狀態(tài)＝F（當前狀態(tài)，輸入信號）；輸出信號＝G（當前狀態(tài)，輸入信號）；狀態(tài)圖表示StateNext_Statein/outin/out9/24/20236內(nèi)容提要9/24/202379.1狀態(tài)機的結(jié)構(gòu)9.2

Mealy狀態(tài)機和Moore狀態(tài)機9.3描述可綜合的狀態(tài)機狀態(tài)機分類9/24/20238Mealy狀態(tài)機Moore狀態(tài)機Moore狀態(tài)機輸出信號＝G（當前狀態(tài)）；G9/24/20239FMealy狀態(tài)機G9/24/202310F輸出信號＝G（當前狀態(tài)，當前輸入）；內(nèi)容提要9/24/2023119.1狀態(tài)機的結(jié)構(gòu)9.2

Mealy狀態(tài)機和Moore狀態(tài)機9.3描述可綜合的狀態(tài)機可綜合的狀態(tài)機設(shè)計9/24/202312最常用：alwayscase狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Idle9/24/202313StartStopClearA/G=0!AA/F=1!Reset

/F=0G=0!Reset

/F=0G=0!Reset

|

!A/F=0

G=1狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖!Reset

/F=0G=0狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖9/24/202314上面的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖表示了一個四狀態(tài)的有限狀態(tài)機，它的同步時鐘是Clock,輸入

信號是A和Reset,輸出信號是F和G。狀態(tài)的轉(zhuǎn)移只能在同步時鐘（Clock）的上升沿時發(fā)生，往哪個狀態(tài)的轉(zhuǎn)移則取決于目前所在的狀態(tài)和輸入的信號（Reset

和

A）。Verilog

HDL中，狀態(tài)必須明確賦值，通

常使用參數(shù)(parameters)或宏定義(define)語句加上賦值語句來實現(xiàn)。使用參數(shù)(parameters)語句賦狀態(tài)值見下例：9/24/202315//把current

state設(shè)置9/24/202316parameter state1

=

2

'h1, state2

=

2

'h2；...current_state

=

state2;成2'h2...使用宏定義(define)語句賦狀態(tài)值見下例:`define

state1 2'h1`define

state2 2'h2...current_state

=

`state2;

//把current

state設(shè)置成

2

'h29.3.1

用可綜合的Verilog模塊設(shè)計狀態(tài)機的典型辦法9/24/202317module fsm

(Clock,

Reset,

A, F,

G);input

Clock,

Reset,A;output

F,G;reg

F,G;reg

[1:0]

state

;parameter

Idle =

2’b00,Start

=

2’b01,Stop

=2’b10,Clear

=

2’b11;例1always

@(posedge

Clock)if(!Reset)beginstate

<=

Idle; F<=0;

G<=0;endelsecase

(state)idle:

beginif

(A)

beginstate

<=

Start;G<=0;endelse state

<=

idle;endstart:

beginif

(!A)

state

<=

Stop;else

state

<=

start;end9/24/202318Stop:

beginif

(A)

beginstate

<=

Clear;F

<=

1;endelse state

<=

Stop;endClear:

beginif

(!A)

beginstate

<=Idle;F<=0;

G<=1;endelse state

<=

Clear;endendcaseendmodule狀態(tài)編碼9/2狀態(tài)編碼二進制Grayone-hotstate000000000000001state100100100000010state201001100000100state301101000001000state410011000010000state510110000100000state6110101010000004/2023state711111110000000199.3.2

獨熱碼表示狀態(tài)的狀態(tài)機module fsm

(Clock,

Reset,

A, F,

G);input

Clock,

Reset,

A;output

F,G;reg

F,G;reg

[3:0]

state

;parameter9/24/202320IdleStartStopClear=

4’b1000,=

4’b0100,=

4’b0010,=

4’b0001;例29.3.2

獨熱碼表示狀態(tài)的狀態(tài)機9/24/202321[例2]與[例1]的主要不同點是狀態(tài)編碼，[例2]采用了獨熱編碼，而[例1]則采用Gray碼，究竟采用哪一種編碼好要看具體情況而定。對于

用FPGA實現(xiàn)的有限狀態(tài)機建議采用獨熱碼，因為雖然采用獨熱編碼多用了兩個觸發(fā)器，但所用組合電路可省下許多，因而使電路的速度和可靠性有顯著提高，而總的單元數(shù)并無顯著增加。采用了獨熱編碼后有了多余的狀態(tài)，就有一些不可到達的狀態(tài)，為此在CASE語句的

最后需要增加default分支項，以確保多余狀態(tài)能回到Idle狀態(tài)。我們還可以再用另一種風格的VerilogHDL模型來表示同一個有限狀態(tài)，在這個模型中，我們分別用沿觸發(fā)的always

語句和電平敏感的always語句把狀態(tài)機的觸發(fā)器部分和組合邏輯部分分成兩部分來描述。9/24/202322module fsm

(Clock,

Reset,

A, F,

G);input

Clock,

Reset,A;output

F,G;reg

[1:0]

state,

Nextstate;parameter

Idle =

2’b00, Start

=

2’b01,Stop

=

2’b10,

Clear

=

2’b11;always

@(posedge

Clock)beginif(!Reset)beginstate

<=

Idle;endelsestate

<=

Nextstate;end9/24/202323always

@(

state

or

A

)beginF=0;G=0;if

(state

==

Idle)beginif

(A)Nextstate

=

Start;elsebegin

Nextstate

=

Idle;G=1;endendelseif

(state

==

Start)if

(!A)Nextstate

=

Stop;elseNextstate

=

Start;elseif

(state

==

Stop)if

(A)Nextstate

=

Clear;elseNextstate

=

Stop;elseif

(state

==

Clear)beginif

(!A)Nextstate

=

Idle;elseNextstate

=

Clear;F=1;endelseNextstate=

Idle;endendmodule

黃色是我加的，懷疑老師寫錯了例39/24/2023249.3.3由輸出指定的碼

表示狀態(tài)的狀態(tài)機9/24/202325輸出直接指定為狀態(tài)碼狀態(tài)碼指定與狀態(tài)機控制的輸出聯(lián)系起來狀態(tài)變化＝>輸出適用于高速狀態(tài)機設(shè)計9.3.3

由輸出指定的碼表示狀態(tài)的狀態(tài)機9/24/202326前面的例子當狀態(tài)轉(zhuǎn)移到clear時，輸出G＝1當狀態(tài)轉(zhuǎn)移到idle時，輸出F＝1因此，G=state[3];F=state[0];9.3.3

由輸出指定的碼表示狀態(tài)的狀態(tài)機assign

G=state[3];assign

F=state[0];parameter//G_

i_

j_

F//9/24/202327Zero=4’b0_0_0_0,Idle=4’b0_0_0_0,start=4’b0_0_0_0,stop=4’b0_0_0_0,clear=4’b0_0_0_0,例4上面四個例子是同一個狀態(tài)機的四種不

同的Verilog

HDL模型，它們都是可綜合的，在設(shè)計復(fù)雜程度不同的狀態(tài)機時有它們各自的優(yōu)勢。如用不同的綜合器對這四個例子進行綜合，綜合出的邏輯電路可能會有些不同，但邏輯功能是相同的。9/24/2023284.3.4

多輸出狀態(tài)機9/24/202329把狀態(tài)的變化與輸出信號的控制分成兩部分來考慮；還常常把每一個輸出信號

寫成一個獨立的always模塊來考慮。有限狀態(tài)機設(shè)計的一般步驟9/24/202330邏輯抽象，得出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖狀態(tài)化簡狀態(tài)分配選定觸發(fā)器的類型并求出狀態(tài)方程、驅(qū)動方程和輸出方程按照方程得出邏輯圖狀態(tài)機設(shè)計的一般原則9/24/202331狀態(tài)機的編碼one-hot消耗觸發(fā)器多，組合邏輯少：FPGAgray消耗觸發(fā)器少，組合邏輯多：CPLD三段式狀態(tài)機三段式狀態(tài)機

三段式建模描述FSM的狀態(tài)機輸出時，只需

指定case敏感表為次態(tài)寄存器，然后直接在每個次態(tài)的case分支中描述該狀態(tài)的輸出即可，不用考慮狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件。

三段式描述方法雖然代碼結(jié)構(gòu)復(fù)雜了一些，

但是換來的優(yōu)勢是使FSM做到了同步寄存器輸出，消除了組合邏輯輸出的不穩(wěn)定與毛刺的隱患，而且更利于時序路徑分組，一般來說在

FPGA/CPLD等可編程邏輯器件上的綜合與布局布線效果更佳。9/24/202332三段式狀態(tài)機9/24/202333示列如下：//第一個進程，同步時序always模塊，格式化描

述次態(tài)寄存器遷移到現(xiàn)態(tài)寄存器always

@

(posedge

clk

or

negedge

rst_n) //異步復(fù)位if(!rst_n)current_state

<=

IDLE;elsecurrent_state

<=

next_state;//注意，使用的是非

阻塞賦值三段式狀態(tài)機9/24/202334//第二個進程，組合邏輯always模塊，描述狀態(tài)

轉(zhuǎn)移條件判斷//電平觸發(fā)always

@

(current_state)begincase(current_state)S1:if(...)next_state

=

S2; //阻塞賦值...endcaseend三段式狀態(tài)機9/24/202335//第三個進程，同步時序always模塊，格式化描述次態(tài)寄存器輸出always

@

(posedge

clk

or

negedge

rst_n)...//初始化

case(next_state)S1:out1

<=1‘b1; //注意是非阻塞邏輯

S2:out2

<=1'b1;//default的作用是免除綜合工具綜合出鎖存器。default:...endcaseend用Verilog

HDL語言設(shè)計可綜合的狀態(tài)機的指導(dǎo)原則9/24/202336因為大多數(shù)FPGA內(nèi)部的觸發(fā)器數(shù)目相當

多，又加上獨熱碼狀態(tài)機（one

hot

statemachine)的譯碼邏輯最為簡單，所以在設(shè)計采用FPGA實現(xiàn)的狀態(tài)機時往往采用獨熱碼狀態(tài)機(即每個狀態(tài)只有一個寄存器置位的狀態(tài)機)。用Verilog

HDL語言設(shè)計可綜合的狀態(tài)機

的指導(dǎo)原則9/24/202337建議采用case,casex,或casez語句來建立狀態(tài)機

的模型，因為這些語句表達清晰明了，可以方便地從當前狀態(tài)分支轉(zhuǎn)向下一個狀態(tài)并設(shè)置輸出。不要忘記寫上case語句的最后一個分支

default，并將狀態(tài)變量設(shè)為'bx，這就等于告知綜合器：case語句已經(jīng)指定了所有的狀態(tài)，這樣綜合器就可以刪除不需要的譯碼電路，使生成的電路簡潔，并與設(shè)計要求一致。用Verilog

HDL語言設(shè)計可綜合的狀態(tài)機的指導(dǎo)原則9/24/202338狀態(tài)機應(yīng)該有一個異步或同步復(fù)位端，以便在通電時將硬件電路復(fù)位到有效狀態(tài)，也可以在操作中將硬件電路復(fù)位（大多數(shù)FPGA結(jié)構(gòu)都允許使用異步復(fù)位端）。同步設(shè)計（一個時鐘沿觸發(fā)）狀態(tài)機的置位與復(fù)位狀態(tài)機的異步置位與復(fù)位狀態(tài)機的同步置位與復(fù)位9/24/202339狀態(tài)機的異步置位與復(fù)位9/24/202340異步置位與復(fù)位是與時鐘無關(guān)的.列入always塊的事件控制括號內(nèi)就能觸

發(fā)always塊的執(zhí)行事件控制語法@(

<沿關(guān)鍵詞時鐘信號or沿關(guān)鍵詞復(fù)位信號or沿關(guān)鍵詞置位信號>

)狀態(tài)機的異步置位與復(fù)位9/24/202341事件控制實例1）異步、高電平有效的置位（時鐘的上升沿） @(posedge

clk

or

posedge

set)2）異步低電平有效的復(fù)位（時鐘的上升沿） @(posedge

clk

or

negedge

reset)3）異步低電平有效的置位和高電平有效的復(fù)位（時鐘的上升沿）@(

posedge

clk

or

negedge

set

or

posedge

reset)狀態(tài)機的異步置位與復(fù)位4）帶異步高電平有效的置位與復(fù)位的always塊樣板always

@(posedge

clk