状态机详解（Verilog编写状态机）（一）

背景

在学习spinalHDL的时候对他的状态机的实现有很多不懂的地方，特地使用了verilog编写了一个相同的状态机来学习其中的时序。

问题：计数状态机的实现

状态转移图如下图所示

1. stateA：直接跳转到stateB,同时赋值cnt = 2
2. stateB：判断cnt的值是否为6，若是则跳转到stateC，没有则继续执行stateB，同时cnt <= cnt + 1’b1
3. stateC：什么也不做直接跳转到stateA

Verilog实现此状态机

1. 代码如下

这里的非阻塞赋值后加了 #1，方便后续的仿真

`timescale 1ns/1ns
module test(
  input clk,
  input rst,
  output reg signal_out
);
parameter stateA = 2'b01, stateB = 2'b10, stateC = 2'b11;
reg [1:0] state;
reg [2:0] cnt;
always @(posedge clk or posedge rst) begin
  if(rst) begin
    state <= #1 stateA;
    cnt <= #1 'h0;
  end else begin
    case(state)
      stateA: begin
        state <= #1 stateB;
        cnt <= #1 'h2;
      end
      stateB: begin
        cnt <= #1 cnt + 1'b1;
        if(cnt == 'h6) begin
          state <= #1 stateC;
        end else begin
          state <= #1 stateB;
        end
      end
      stateC: state <= #1 stateA;
      default: begin
        state <= #1 stateA;
        cnt <= #1 'h0;
      end
    endcase
  end
end

always @(*) begin
  if(state == stateB && cnt == 'h6) begin
    signal_out = 'h1;
  end else begin
    signal_out = 'h0;
  end
end
endmodule

2. 代码的说明

对上面的代码进行一个解释说明：
首先状态机有三个状态分别是stataA, stateB, stateC。

1. 代码13、14行对信号进行复位操作此时state的状态为stateA，cnt值为0。

2. 复位操作完成之后在时钟的上升沿进行代码16行的状态判断，由于之前的复位状态state为stateA，所以执行分支stateA里的代码块即18，19行代码，将状态转移到stateB, cnt赋值为2，如图所示。==需要注意的是虽然这里的cnt <= 2是在stateA里面的但是由于非阻塞赋值的并行性，state <= stateB语句和cnt <= 2语句都在同一个时钟上升沿作用，所以在图中可以看到状态为stateB时cnt的值才为2。
   

3. 在下一个时钟上升沿的时候判断执行stateB分支中的代码块，22行代码执行cnt加1操作， 同时判断cnt是否等于6，注意这里判断cnt是否等于6中的cnt其实是还没有加1之前的cnt。如果cnt的值不等于6则继续执行stateB中的代码，直到cnt等于6。从图中我们可以看出当在时钟上升沿的时候判断出了cnt的值等于6了，那为什么在stateC状态下cnt还可以继续加1呢，这是因为cnt和state的赋值是并行的，当state从stateB状态跳转到stateC时，cnt的赋值也是同步进行的即cnt <= cnt + 1也是要执行的，所以才有了cnt = 7
   

4. 状态跳转到了stateC时， 其中的代码块直接跳转到了stateA, 此时cnt的值保持不变还为7。
   
   图二、

3. 代码的仿真

testbench如下所示

`timescale 1ns/1ns
`define clock_period 20
module test_tb;

reg clk       ;
reg reset      ;
wire io_signal_out;

test u_test(
    .clk       ( clk       ),
    .rst       ( reset       ),
    .signal_out  ( io_signal_out  )
);
initial begin
    clk = 1;
    forever begin
        #(`clock_period/2) clk = ~clk;
    end
end

initial begin
    reset = 1;
        #(`clock_period*10-1);
    reset = 0;
    #(`clock_period*30);
    $stop;
end
endmodule 

仿真波形如下图所示