Verilog基础：三段式状态机与输出寄存
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Verilog基础
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对于Verilog HDL而言，有限状态机(FSM)是一种重要而强大的模块，常见的有限状态机书写方式可以分为一段式，二段式和三段式，笔者强烈建议使用三段式因为这样能使状态机逻辑清晰且易于维护。
有限状态机有两种基本类型：Mealy机和Moore机。两者的区别在于：Mealy机的下一状态和输出都取决于当前状态和当前输入，而Moore机的下一状态取决于当前状态和当前输入，输出只取决于当前状态。这两类有限状态机的下一状态和输出都是组合逻辑的形式的（指输出不直接来自寄存器的输出），两类状态机的结构如图1、图2所示。
图1 Mealy型状态机
图2 Moore型状态机
下面以一个简单的例子说明三段式Moore型状态机的书写方式。图3是一个有两个状态的异步复位的Moore机。
图3 一个简单的Moore机
module top_module (
input clk,
input in,
input rst_n,
output reg out
);
parameter A = 0；
parameter B = 1；
reg state, next_state; //定义寄存器变量保存状态信息
//第一段，下一状态组合逻辑
always@(*) begin
case (state) //根据不同的状态和输入，决定下一时钟周期的状态
A: next_state = in ? A : B;
B: next_state = in ? B : A;
endcase
end
//第二段，状态转移时序逻辑
always @(posedge clk, negedge rst_n) begin
if (!rst_n)
state <= B; //异步复位到状态B
else
state <= next_state;
end
//第三段，输出组合逻辑
always@(*) begin
if(state == B)
out = 1;
else
out = 0;
end
//因为输出比较简单，这里的第三段的输出组合逻辑也可以用assign连续赋值
//但out此时不能定义为reg
//assign out = (state == B);
endmodule对于Mealy型状态机，因为输出直接受输出影响，可能在某些情况下会出现毛刺（即不在时钟边沿的输出变化），所以可以使用寄存器采集输出。对于Moore型状态机，虽然没有输出毛刺的问题，但也可以使用寄存器采集输出以避免大段组合逻辑输出。图4和图5分别给出了寄存输出的Mealy型状态机和Moore型状态机的结构。
图4 寄存输出的Mealy型状态机
图5 寄存输出的Moore型状态机
上面两图不难理解，但是一个新的问题出现了，即输出会延后一个周期得到，如果既需要当前周期给出输出，又需要对输出寄存，就不能使用当前状态和输入确定输出，而是应该使用下一状态组合逻辑和输入确定输出。图6和图7给出了这种情况下的Mealy型状态机和Moore型状态机。
图6 寄存输出的Mealy型状态机（下一状态）
图7 寄存输出的Moore型状态机（下一状态）
对于Mealy状态机，因为需要状态转移和相应状态的输出同时出现，输出寄存器需要保存由下一状态组合逻辑和的输入推导的输出。对于Moore状态机，输出寄存器需要保存由下一状态组合逻辑推导的输出。
下面用一个更加复杂的有限状态机为例，说明寄存输出的具体写法。这是一个序列检测器，用于检测输入序列中三个连续的1信号，首先给出Moore型序列检测器的Verilog描述。
module Seq_Rec_Moore(output reg D_out, D_out_r1, D_out_r2, input D_in, En, clk, rst_n);
parameter S_idle = 3'd0;
parameter S_0 = 3'd1;
parameter S_1 = 3'd2;
parameter S_2 = 3'd3;
parameter S_3 = 3'd4;
reg [2:0] state, next_state;
//下一状态组合逻辑
always@(*)begin
case(state)
S_idle: if((En == 1)&&(D_in == 1))
next_state = S_1;
else if((En == 1)&&(D_in == 0))
next_state = S_0;
else
next_state = S_idle;
S_0: if(D_in == 0)
next_state = S_0;
else if(D_in == 1)
next_state = S_1;
else
next_state = S_idle;
S_1: if(D_in == 0)
next_state = S_0;
else if(D_in == 1)
next_state = S_2;
else
next_state = S_idle;
S_2: if(D_in == 0)
next_state = S_0;
else if(D_in == 1)
next_state = S_3;
else
next_state = S_idle;
S_3: if(D_in == 0)
next_state = S_0;
else if(D_in == 1)
next_state = S_3;
else
next_state = S_idle;
default: next_state = S_idle;
endcase
end
//状态转移时序逻辑
always@(posedge clk, negedge rst_n)begin
if(!rst_n)
state <= S_idle;
else
state <= next_state;
end
//输出组合逻辑
always@(*) begin
D_out = (state == S_3);
end
//寄存输出
always @(posedge clk, negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
D_out_r1 <= 0;
else
D_out_r1 <= D_out;
end
//寄存输出(下一状态)
always@(posedge clk, negedge rst_n)begin
if(!rst_n)
D_out_r2 <= 0;
else
D_out_r2 <= (next_state == S_3);
end
endmodule一个简单的testbench如下所示，图8所示的仿真截图显示了三种不同形式的输出。
`timescale 1ns / 1ns
module t_Seq();
reg D_in, clk, rst_n,En;
wire D_out, D_out_r1, D_out_r2;
Seq_Rec_Moore Seq_Rec_Moore_1 (.D_in(D_in), .clk(clk), .rst_n(rst_n), .D_out(D_out), .En(En), .D_out_r1(D_out_r1), .D_out_r2(D_out_r2));
initial begin
D_in = 0;
clk = 0;
rst_n = 1;
En = 0;
end
initial begin
#5 rst_n = 0;
#4 rst_n = 1;
end
always begin
#5 clk = 0;
#5 clk = 1;
end
initial begin
#5 En =1;
end
initial begin
#5 D_in = 1;
end
endmodule
图8 Moore状态机仿真截图
下面是Mealy型序列检测器的Verilog描述。
module Seq_Rec_Mealy(output reg D_out, D_out_r1, D_out_r2, input D_in, En, clk, rst_n);
parameter S_idle = 3'd0;
parameter S_0 = 3'd1;
parameter S_1 = 3'd2;
parameter S_2 = 3'd3;
parameter S_3 = 3'd4;
reg [2:0] state, next_state;
//下一状态组合逻辑
always@(*)begin
case(state)
S_idle: if((En == 1)&&(D_in == 1))
next_state = S_1;
else if((En == 1)&&(D_in == 0))
next_state = S_0;
else
next_state = S_idle;
S_0: if(D_in == 0)
next_state = S_0;
else if(D_in == 1)
next_state = S_1;
else
next_state = S_idle;
S_1: if(D_in == 0)
next_state = S_0;
else if(D_in == 1)
next_state = S_2;
else
next_state = S_idle;
S_2: if(D_in == 0)
next_state = S_0;
else if(D_in == 1)
next_state = S_3;
else
next_state = S_idle;
S_3: if(D_in == 0)
next_state = S_0;
else if(D_in == 1)
next_state = S_3;
else
next_state = S_idle;
default: next_state = S_idle;
endcase
end
//状态转移时序逻辑
always@(posedge clk, negedge rst_n)begin
if(!rst_n)
state <= S_idle;
else
state <= next_state;
end
//输出组合逻辑
always@(*) begin
D_out = (state == S_3)&(D_in == 1);
end
//寄存输出
always @(posedge clk, negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
D_out_r1 <= 0;
else
D_out_r1 <= D_out;
end
//寄存输出(下一状态)
always@(posedge clk, negedge rst_n)begin
if(!rst_n)
D_out_r2 <= 0;
else
D_out_r2 <= (next_state == S_3)&(D_in == 1);
end
endmodule
图9 Mealy状态机仿真截图
一个简单的testbench如下所示，图9的仿真截图显示了如果使用寄存输出，而输入无法维持到下个时钟沿，则会丢失寄存输出信号。
`timescale 1ns / 1ns
module t_Seq();
reg D_in, clk, rst_n,En;
wire D_out, D_out_r1, D_out_r2;
Seq_Rec_Mealy Seq_Rec_Mealy_1 (.D_in(D_in), .clk(clk), .rst_n(rst_n), .D_out(D_out), .En(En), .D_out_r1(D_out_r1), .D_out_r2(D_out_r2));
initial begin
D_in = 0;
clk = 0;
rst_n = 1;
En = 0;
end
initial begin
#5 rst_n = 0;
#4 rst_n = 1;
end
always begin
#5 clk = 0;
#5 clk = 1;
end
initial begin
#5 En =1;
end
initial begin
#5 D_in = 1;
#30 D_in = 0;
#10 D_in = 1;
#37 D_in = 0;
end
endmodule