硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL設(shè)計(jì)進(jìn)階之：有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)原理及其代碼風(fēng)格

4.4 有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)原理及其代碼風(fēng)格

由于Verilog HDL和 VHDL 行為描述用于綜合的歷史還只有短短的幾年，可綜合風(fēng)格的Verilog HDL 和VHDL的語(yǔ)法只是它們各自語(yǔ)言的一個(gè)子集。又由于HDL的可綜合性研究近年來(lái)非?；钴S，可綜合子集的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)目前尚未最后形成，因此各廠商的綜合器所支持的HDL子集也略有所不同。

本書(shū)中有關(guān)可綜合風(fēng)格的Verilog HDL的內(nèi)容，我們只著重介紹RTL級(jí)、算法級(jí)和門級(jí)邏輯結(jié)構(gòu)的描述，而系統(tǒng)級(jí)（數(shù)據(jù)流級(jí)）的綜合由于還不太成熟，暫不作介紹。

由于寄存器傳輸級(jí)（RTL）描述是以時(shí)序邏輯抽象所得到的有限狀態(tài)機(jī)為依據(jù)的，所以把一個(gè)時(shí)序邏輯抽象成一個(gè)同步有限狀態(tài)機(jī)是設(shè)計(jì)可綜合風(fēng)格的Verilog HDL模塊的關(guān)鍵。

在本章中我們將通過(guò)各種實(shí)例由淺入深地來(lái)介紹各種可綜合風(fēng)格的Verilog HDL模塊，并把重點(diǎn)放在時(shí)序邏輯的可綜合有限狀態(tài)機(jī)的Verilog HDL設(shè)計(jì)要點(diǎn)。至于組合邏輯，因?yàn)楸容^簡(jiǎn)單，只需閱讀典型的用Verilog HDL描述的可綜合的組合邏輯的例子就可以掌握。

為了更好地掌握可綜合風(fēng)格，還需要較深入地了解阻塞和非阻塞賦值的差別和在不同的情況下正確使用這兩種賦值的方法。只有深入地理解阻塞和非阻塞賦值語(yǔ)句的細(xì)微不同，才有可能寫出不僅可以仿真也可以綜合的Verilog HDL模塊。

只要按照一定的原則來(lái)編寫代碼就可以保證Verilog模塊綜合前和綜合后仿真的一致性。符合這樣條件的可綜合模塊是我們?cè)O(shè)計(jì)的目標(biāo)，因?yàn)檫@種代碼是可移植的，可綜合到不同的FPGA和不同工藝的ASIC中，是具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)價(jià)值的軟核。

4.4.1 有限狀態(tài)機(jī)（FSM）設(shè)計(jì)原理
有限狀態(tài)機(jī)是由寄存器組和組合邏輯構(gòu)成的硬件時(shí)序電路。有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)（即由寄存器組的1和0的組合狀態(tài)所構(gòu)成的有限個(gè)狀態(tài)）只可能在同一時(shí)鐘跳變沿的情況下才能從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)向另一個(gè)狀態(tài)。

有限狀態(tài)機(jī)的下一個(gè)狀態(tài)不但取決于各個(gè)輸入值，還取決于當(dāng)前所在狀態(tài)。這里指的是米里Mealy型有限狀態(tài)機(jī)，而莫爾Moore型有限狀態(tài)機(jī)的下一個(gè)狀態(tài)只決于當(dāng)前狀態(tài)。

Verilog HDL中可以用許多種方法來(lái)描述有限狀態(tài)機(jī)，最常用的方法是用always語(yǔ)句和case語(yǔ)句。如圖4.1所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖表示了一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)，例4.1的程序就是該有限狀態(tài)機(jī)的多種Verilog HDL模型之一。

圖4.1的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖表示了一個(gè)四狀態(tài)的有限狀態(tài)機(jī)。它的同步時(shí)鐘是Clock，輸入信號(hào)是A和Reset，輸出信號(hào)是F和G。

狀態(tài)的轉(zhuǎn)移只能在同步時(shí)鐘（Clock）的上升沿時(shí)發(fā)生，往哪個(gè)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(hào)（Reset和A）。下面的例子是該有限狀態(tài)機(jī)的Verilog HDL模型之一。

例4.1：Gray碼有限狀態(tài)機(jī)模型1。

module fsm (Clock, Reset, A, F, G); //模塊聲明
input Clock, Reset, A;
output F,G;
reg F,G;
reg ［1:0］ state ;

parameter //狀態(tài)聲明
Idle = 2’b00, Start = 2’b01,
Stop = 2’b10, Clear = 2’b11;

always @(posedge Clock)
if (!Reset) begin
state = Idle; F=0; G=0; //默認(rèn)狀態(tài)
end
else case (state)
idle: begin //Idle狀態(tài)
if (A) begin
state = Start;
G=0;
end
elsestate = idle;
end
start: //Start狀態(tài)
if (!A) state = Stop;
else state = start;
Stop: begin //Stop狀態(tài)
if (A) begin
state = Clear;
F = 1;
end
else state = Stop;
end
Clear: begin //Clear狀態(tài)
if (!A) begin
state =Idle;
F =0; G =1;
end
else state = Clear;
end
endcase
endmodule

也可以用下面的Verilog HDL模型來(lái)表示同一個(gè)有限狀態(tài)。

例4.2：獨(dú)熱碼有限狀態(tài)和模型。

module fsm (Clock, Reset, A, F, G); //模塊聲明
input Clock, Reset, A;
output F,G;
reg F,G;
reg ［3:0］ state ;

parameter //狀態(tài)聲明
Idle = 4’b1000,
Start = 4’b0100,
Stop = 4’b0010,
Clear = 4’b0001;

always @(posedge clock)
if (!Reset) begin
state = Idle; F=0; G=0; //默認(rèn)狀態(tài)
end
else case (state)
Idle: begin //Idel狀態(tài)
if (A) begin
state = Start;
G=0;
end
else state = Idle;
end
Start: //Start狀態(tài)
if (!A) state = Stop;
else state = Start;
Stop: begin //Stop狀態(tài)
if (A) begin
state = Clear;
F = 1;
end
else state = Stop;
end
Clear: begin //Clear狀態(tài)
if (!A) begin
state =Idle;
F=0; G=1;
end
else state = Clear;
end
default: state =Idle; //默認(rèn)狀態(tài)
endcase
endmodule

例4.2與例4.1的主要不同點(diǎn)是狀態(tài)編碼方式。例4.2采用了獨(dú)熱編碼，而例4.1則采用Gray碼，究竟采用哪一種編碼好要看具體情況而定。

對(duì)于用FPGA實(shí)現(xiàn)的有限狀態(tài)機(jī)建議采用獨(dú)熱碼。因?yàn)殡m然采用獨(dú)熱編碼多用了兩個(gè)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(wú)顯著增加。

采用了獨(dú)熱碼后有了多余的狀態(tài)，就有一些不可到達(dá)的狀態(tài)，為此在CASE語(yǔ)句的最后需要增加default分支項(xiàng)，以確保多余狀態(tài)能回到Idle狀態(tài)。

另外還可以用另一種風(fēng)格的Verilog HDL模型來(lái)表示同一個(gè)有限狀態(tài)。在這個(gè)模型中，我們用always語(yǔ)句和連續(xù)賦值語(yǔ)句把狀態(tài)機(jī)的觸發(fā)器部分和組合邏輯部分分成兩部分來(lái)描述，如下所示。

例4.3：有限狀態(tài)機(jī)模型3

module fsm (Clock, Reset, A, F, G); //模塊聲明
input Clock, Reset, A;
output F,G;
reg ［1:0］ state ;
wire ［1:0］ Nextstate;

parameter //狀態(tài)聲明
Idle = 2’b00, Start = 2’b01,
Stop = 2’b10, Clear = 2’b11;

always @(posedge Clock)
if (!Reset) begin
state = Idle; //復(fù)位狀態(tài)
end
else
state = Nextstate; //狀態(tài)轉(zhuǎn)換

assign Nextstate = //狀態(tài)變換條件
(state == Idle ) ? (A ? Start : Idle):
(state==Start ) ? (!A ? Stop : Start ):
(state== Stop ) ? (A ? Clear : Stop ):
(state== Clear) ? (!A ? Idle : Clear) : Idle;

assign F = (( state == Stop) A ); //狀態(tài)輸出
assign G = (( state == Clear) (!A || !Reset)) //狀態(tài)輸出
endmodule

下面是第4種風(fēng)格的Verilog HDL模型來(lái)表示同一個(gè)有限狀態(tài)。在這個(gè)模型中，我們分別用沿觸發(fā)的always語(yǔ)句和電平敏感的always語(yǔ)句把狀態(tài)機(jī)的觸發(fā)器部分和組合邏輯部分分成兩部分來(lái)描述。

例4.4：有限狀態(tài)機(jī)模型4。

module fsm (Clock, Reset, A, F, G); //模塊聲明
input Clock, Reset, A;
output F,G;
reg ［1:0］ state, Nextstate;

parameter //狀態(tài)聲明
Idle = 2’b00, Start = 2’b01,
Stop = 2’b10, Clear = 2’b11;

always @(posedge Clock)
if (!Reset) begin
state = Idle; //默認(rèn)狀態(tài)
end
else
state = Nextstate; //狀態(tài)轉(zhuǎn)換

always @( state or A ) begin
F=0;
G=0;
if (state == Idle) begin //處于Idel狀態(tài)時(shí)，對(duì)A判斷
if (A)
Nextstate = Start; //Start狀態(tài)
else
Nextstate = Idle; //保持Idel狀態(tài)
G=1;
end
else if (state == Start) //處于Start狀態(tài)時(shí)，對(duì)!A判斷
if (!A)
Nextstate = Stop; //Stop狀態(tài)
else
Nextstate = Start; //保持Start狀態(tài)
else if (state == Stop) //處于Stop狀態(tài)時(shí)，對(duì)A判斷
if (A)
Nextstate = Clear; //Clear狀態(tài)
else
Nextstate = Stop; //保持Stop狀態(tài)
else if (state == Clear) begin //處于Clear狀態(tài)時(shí)，對(duì)!A判斷
if (!A)
Nextstate = Idle; //Idel狀態(tài)
else
Nextstate = Clear; //保持Clear狀態(tài)
F=1;
end
else
Nextstate= Idle; //默認(rèn)狀態(tài)
End
endmodule

上面4個(gè)例子是同一個(gè)狀態(tài)機(jī)的4種不同的Verilog HDL模型，它們都是可綜合的，在設(shè)計(jì)復(fù)雜程度不同的狀態(tài)機(jī)時(shí)有它們各自的優(yōu)勢(shì)。如用不同的綜合器對(duì)這4個(gè)例子進(jìn)行綜合，綜合出的邏輯電路可能會(huì)有些不同，但邏輯功能是相同的。

下面講解有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)的一般步驟。

（1）邏輯抽象，得出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。
就是把給出的一個(gè)實(shí)際邏輯關(guān)系表示為時(shí)序邏輯函數(shù)，可以用狀態(tài)轉(zhuǎn)換表來(lái)描述，也可以用狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖來(lái)描述，這就需要完成以下任務(wù)。

① 分析給定的邏輯問(wèn)題，確定輸入變量、輸出變量以及電路的狀態(tài)數(shù)。通常是取原因（或條件）作為輸入變量，取結(jié)果作為輸出變量。
② 定義輸入、輸出邏輯狀態(tài)的含意，并將電路狀態(tài)順序編號(hào)。
③ 按照要求列出電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表或畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。
這樣，就把給定的邏輯問(wèn)題抽象到一個(gè)時(shí)序邏輯函數(shù)了。

（2）狀態(tài)化簡(jiǎn)。
如果在狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中出現(xiàn)這樣兩個(gè)狀態(tài)，它們?cè)谙嗤妮斎胂罗D(zhuǎn)換到同一狀態(tài)去，并得到一樣的輸出，則稱它們?yōu)榈葍r(jià)狀態(tài)。顯然等價(jià)狀態(tài)是重復(fù)的，可以合并為一個(gè)。電路的狀態(tài)數(shù)越少，存儲(chǔ)電路也就越簡(jiǎn)單。狀態(tài)化簡(jiǎn)的目的就在于將等價(jià)狀態(tài)盡可能地合并，以得到最簡(jiǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

（3）狀態(tài)分配。
狀態(tài)分配又稱狀態(tài)編碼。通常有很多編碼方法，編碼方案選擇得當(dāng)，設(shè)計(jì)的電路可以很簡(jiǎn)單。反之，若編碼方案選得不好，則設(shè)計(jì)的電路就會(huì)復(fù)雜許多。

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮電路復(fù)雜度與電路性能之間的折衷。在觸發(fā)器資源豐富的FPGA或ASIC設(shè)計(jì)中，采用獨(dú)熱編碼（one-hot-coding）既可以使電路性能得到保證，又可充分利用其觸發(fā)器數(shù)量多的優(yōu)勢(shì)。

（4）選定觸發(fā)器的類型并求出狀態(tài)方程、驅(qū)動(dòng)方程和輸出方程。

（5）按照方程得出邏輯圖。

用Verilog HDL來(lái)描述有限狀態(tài)機(jī)，可以充分發(fā)揮硬件描述語(yǔ)言的抽象建模能力，使用always塊語(yǔ)句和case（if）等條件語(yǔ)句及賦值語(yǔ)句即可方便實(shí)現(xiàn)。具體的邏輯化簡(jiǎn)及邏輯電路到觸發(fā)器映射均可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。上述設(shè)計(jì)步驟中的第（2）、（4）、（5）步不再需要很多的人為干預(yù)，使電路設(shè)計(jì)工作得到簡(jiǎn)化，效率也有很大的提高。

4.4.2 FSM設(shè)計(jì)實(shí)例

例4.5：宇宙飛船控制器的狀態(tài)機(jī)。

module statmch1( launch_shuttle, land_shuttle, start_countdown,
start_trip_meter, clk, all_systems_go,
just_launched, is_landed, cnt, abort_mission
);
// I/O說(shuō)明
output launch_shuttle, land_shuttle, start_countdown,start_trip_meter;
input clk, just_launched, is_landed, abort_mission,all_systems_go;
input ［3:0］ cnt;
reg launch_shuttle, land_shuttle, start_countdown,start_trip_meter;
reg ［4:0］ present_state, next_state;
//設(shè)置獨(dú)熱碼狀態(tài)的參數(shù)
parameter HOLD=5h1, SEQUENCE=5h2, LAUNCH=5h4;
parameter ON_MISSION=5h8， LAND=5h10;

always @(negedge clk or posedge abort_mission) begin
//把輸出設(shè)置成某個(gè)缺省值,在下面的case語(yǔ)句中就不必再設(shè)置輸出的缺省值
{launch_shuttle, land_shuttle, start_trip_meter, start_countdown} = 4b0;
//檢查異步reset的值,即abort_mission的值
if(abort_mission)
next_state = LAND;
else begin
//如果abort_mission為零,把next_state賦值為present_state
next_state = present_state;
//根據(jù) present_state 和輸入信號(hào),設(shè)置 next_state和輸出output
case ( present_state )
HOLD: //HOLD狀態(tài)
if(all_systems_go) begin
next_state = SEQUENCE;
start_countdown = 1;
end
SEQUENCE: //SEQUENCE狀態(tài)
if(cnt==0)
next_state = LAUNCH;
LAUNCH: begin //LAUNCH狀態(tài)
next_state = ON_MISSION;
launch_shuttle = 1;
end
ON_MISSION: //ON_MISSION狀態(tài)
if(just_launched)
start_trip_meter = 1; //取消使命前，一直留在使命狀態(tài)
LAND: //LAND狀態(tài)
if(is_landed)
next_state = HOLD;
else land_shuttle = 1;
default: next_state = bx;//把缺省狀態(tài)設(shè)置為bx(無(wú)關(guān))或某種已
//知狀態(tài)，使其在做仿真時(shí)，在復(fù)位前就
//與實(shí)際情況相一致
endcase
end // if-else語(yǔ)句結(jié)束
present_state = next_state; //把當(dāng)前狀態(tài)變量設(shè)置為下一狀態(tài)，
//待下一有效時(shí)鐘沿來(lái)到時(shí)，當(dāng)前狀
//態(tài)變量已設(shè)置了正確的狀態(tài)值
end //always塊結(jié)束
endmodule

4.4.3 設(shè)計(jì)可綜合狀態(tài)機(jī)的指導(dǎo)原則
（1）獨(dú)熱碼。
因?yàn)榇蠖鄶?shù)FPGA內(nèi)部的觸發(fā)器數(shù)目相當(dāng)多，又加上獨(dú)熱碼狀態(tài)機(jī)（one hot state machine)的譯碼邏輯最為簡(jiǎn)單，所以在設(shè)計(jì)采用FPGA實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)機(jī)時(shí)，往往采用獨(dú)熱碼狀態(tài)機(jī)(即每個(gè)狀態(tài)只有一個(gè)寄存器置位的狀態(tài)機(jī))。

（2）case語(yǔ)句。
建議采用case、casex或casez語(yǔ)句來(lái)建立狀態(tài)機(jī)的模型。因?yàn)檫@些語(yǔ)句表達(dá)清晰明了，可以方便地從當(dāng)前狀態(tài)分支轉(zhuǎn)向下一個(gè)狀態(tài)并設(shè)置輸出。

采用這些語(yǔ)句設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)時(shí)，不要忘記寫上case語(yǔ)句的最后一個(gè)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(yǔ)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(jiǎn)潔，并與設(shè)計(jì)要求一致。

如果將缺省狀態(tài)設(shè)置為某一確定的狀態(tài)(例如：設(shè)置default：state = state1)，行不行呢？”這樣做有一個(gè)問(wèn)題需要注意：因?yàn)楸M管綜合器產(chǎn)生的邏輯和設(shè)置“default：state=bx”時(shí)相同，但是狀態(tài)機(jī)的Verilog HDL模型綜合前和綜合后的仿真結(jié)果會(huì)不一致。

為什么會(huì)是這樣呢？因?yàn)閱?dòng)仿真器時(shí)，狀態(tài)機(jī)所有的輸入都不確定，因此立即進(jìn)入default狀態(tài)。如果通過(guò)設(shè)置將狀態(tài)變量設(shè)為state1，但是實(shí)際硬件電路的狀態(tài)機(jī)在通電之后，進(jìn)入的狀態(tài)是不確定的，很可能不是state1的狀態(tài)，這樣就會(huì)產(chǎn)生不必要的沖突。

因此，還是設(shè)置“default：state=bx”與實(shí)際硬件電路相一致。但在有多余狀態(tài)的情況下還是應(yīng)將缺省狀態(tài)設(shè)置為某一確定的有效狀態(tài)，因?yàn)檫@樣做能使?fàn)顟B(tài)機(jī)若偶然進(jìn)入多余狀態(tài)后仍能在下一時(shí)鐘跳變沿時(shí)返回正常工作狀態(tài)，否則會(huì)引起死鎖。

（3）復(fù)位。
狀態(tài)機(jī)應(yīng)該有一個(gè)異步或同步復(fù)位端，以便在通電時(shí)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）。

（4）惟一觸發(fā)。
目前大多數(shù)綜合器往往不支持在一個(gè)always塊中由多個(gè)事件觸發(fā)的狀態(tài)機(jī)（即隱含狀態(tài)機(jī)，implicit state machines）。因此為了能綜合出有效的電路，用Verilog HDL描述的狀態(tài)機(jī)應(yīng)明確地由惟一時(shí)鐘觸發(fā)。

（5）異步狀態(tài)機(jī)。
異步狀態(tài)機(jī)是沒(méi)有確定時(shí)鐘的狀態(tài)機(jī)，它的狀態(tài)轉(zhuǎn)移不是由惟一的時(shí)鐘跳變沿所觸發(fā)。目前大多數(shù)綜合器不能綜合采用Verilog HDL描述的異步狀態(tài)機(jī)。

因此應(yīng)盡量不要使用綜合工具來(lái)設(shè)計(jì)異步狀態(tài)機(jī)。因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)綜合工具在對(duì)異步狀態(tài)機(jī)進(jìn)行邏輯優(yōu)化時(shí)會(huì)胡亂地簡(jiǎn)化邏輯，使綜合后的異步狀態(tài)機(jī)不能正常工作。如果一定要設(shè)計(jì)異步狀態(tài)機(jī)，建議采用電路圖輸入的方法，而不要用Verilog HDL輸入的方法。

（6）狀態(tài)賦值。
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(yǔ)句加上賦值語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)。

使用參數(shù)parameters語(yǔ)句賦狀態(tài)值如下所示：

parameter state1 = 2 h1, state2 = 2 h2；
...
current_state = state2; //把current state設(shè)置成 2h2
...

使用宏定義define語(yǔ)句賦狀態(tài)值如下所示：

define state1 2 h1
define state2 2 h2
...
current_state = state2; //把current state設(shè)置成 2 h2