FSM 有限状态机 verilog

《FSM有限状态机Verilog实现详解》 在数字电路设计中，有限状态机（Finite State Machine，简称FSM）是一种重要的控制结构，它能够使硬件系统按照预定义的顺序执行一系列操作。本文主要探讨了如何使用Verilog语言来描述和实现FSM，特别是Moore FSM和Mealy FSM的架构及其编码风格的比较。 Moore FSM，以其创始人Moore的名字命名，是一种常见且实用的状态机模型。它的特点在于输出仅依赖于当前状态，不受到输入信号的影响。Moore FSM由三个基本组成部分组成：Next state logic，State register和Output logic。Next state logic负责根据当前输入和状态计算下一个状态；State register则是一个D触发器，用于存储当前状态；而Output logic则根据当前状态生成输出。在Verilog中，Moore FSM的实现通常有三种编码风格，即一段式、二段式和三段式。这些编码风格的主要区别在于如何分配Next state logic和Output logic的职责，以及如何处理状态寄存器的更新。 对于Moore FSM的各种编码风格的比较，我们可以以一个简单的例子来说明。假设有一个任务，当输入信号`w_i`连续两个时钟周期为高电平时，输出`z_o`会在下一个时钟周期产生一个宽度为1T的高脉冲。对应的Moore FSM状态图可以清晰地描述这个行为。然后，我们可以用三种不同的编码风格来实现这个状态机。 1. 三段式编码（simple_fsm_moore_3_always_best.v）： 在这种编码方式中，状态机的Next state logic、状态寄存器更新和Output logic被分别放在三个独立的`always`块中，这样的划分使得代码更易读且易于维护。例如，状态寄存器的更新通常在一个`always @(posedge clk or negedge rst_n)`块中进行，而Next state logic和Output logic则分别在其他两个`always`块中定义。 文章中并未给出完整的所有编码风格的实现，但可以理解，每种编码风格都有其优缺点。例如，一段式将Next state logic和Output logic合并在一起，简化了代码，但可能导致逻辑复杂度增加；二段式将它们分开，提高了可读性，但可能增加了设计的面积；三段式则兼顾了可读性和模块化，但可能使得代码略显冗余。 接着，文章可能会讨论Mealy FSM的架构，Mealy FSM的输出不仅取决于当前状态，还受到输入信号的影响。这使得Mealy FSM在某些应用场景中比Moore FSM更为灵活。与Moore FSM类似，Mealy FSM也有多种编码风格，这些风格同样可以通过具体的例子来对比和分析其优劣。 文章会提出在实际工程中推荐的编码风格，这通常取决于设计的复杂度、可读性、综合效率和项目规范。通常，三段式编码由于其良好的模块化和可读性，成为很多设计师的选择。 FSM在数字电路设计中扮演着核心角色，而Verilog作为一种强大的硬件描述语言，为实现各种类型的FSM提供了便利。理解并熟练掌握不同FSM编码风格的使用，是成为一名优秀的数字系统设计师的关键。