关于状态机问题的汇总贴

fpga · 发表于 2010-5-11 10:13:59

状态机的编写方法

在中大型设计中，状态机的使用也越来越频繁，我们要如何编写一个让人容易读懂的状态机就是眼前最重要的事情。下面我们先来回顾一下状态机的分类。状态机共分为两大类一类是Moore状态机，一类是Mealy状态机。这两类状态机的区别主要是Moore的输出值只取决与当前状态，而Mealy状态机不仅与当前状态有关，还和输入值有关。如何区分是Moore还是Mealy型状态机，主要是看程序中状态转移的always语句中的条件转移变量。例如：
input a,clk;                                                                                                                                              input a,clk;
output dout;                                                                                                                                           output dout;
reg dout;                                                                                                                                                 reg dout;
parameter st0=1,st1=1,st2=2,st3=3;  （编码方式，下面再讲）                                                             parameter st0=1,st1=1,st2=2,st3=3;    (编码方式，下面再讲）
reg [1:0] state;                                                                                                                                        reg [1:0] state;
[email=always@(negedge]always@(negedge[/email] clk)                                                                                                                            [email=always@(negedge]always@(negedge[/email] clk)
case(state)------------(case中只有状态，没有输入a，所以他是Moore状态机）                                        case(state or a)------------(case既有有状态，也有输入a，所以他是Mealy状态机）
...                                                                                                                                                             ...
...                                                                                                                                                             ...
endcase                                                                                                                                                 endcase
endmodule                                                                                                                                              endmodule
下面我在介绍一下我们在写状态机的时候用什么样的编码方式。状态机的编码方式主要有二进制编码，格雷编码和一位热码编码。下面我就对这三种编码分别做以介绍。一般二进制编码就是用二进制来做编码，如000，001，010，111，等等。其实就是按照二进制的顺序进行编码，作为简单的编码，可以采用此编码方式，但是有一点要记住，再用此编码方式时，一定要做好毛刺处理的问题，因为当状态在发生变化的时候，编码也同时跟着发生变化，所以就会产生毛刺。产生毛刺的主要原因还是因为二进制码在变化时，最少有两位会同时发生变化，在时延上是不相等的。所以二进制码不能很好的剔除毛刺，同时会出现暂态过程，引起逻辑上的错误，从而造成程序跑飞。格雷编码其实就是变化的二进制编码，它主要要解决的问题就是去除毛刺，减少暂态过程。提高稳定性。例如：三位二进制码（000，001，010，011，100，101，110，111），变为格雷码（000，001，011，010，110，111，101，100）。在将二进制码变为格雷码时要记住变化时只能有一位变化，其他位保持不变。同时，要保证位数越高变化越慢。例如（000，001，101，111，011，010，110，100）在这个编码中最高位的变化速率是原来的两倍。在高速电路中这是一种不好的编码方式。最后我在讲讲一位热码编码。采用这种编码方式，相对于格雷码来说虽然增加了触发器，但是节省了组合电路。提高了电路的速度和可靠性。例如5位的热码编码（5'b00001,5'b00010,5'b00100,5'b01000,5'b10000;)。与格雷码一样都是一位进行变化，唯一不同的是，一位热码是不需要进行逻辑运算的。
最后我在讲讲整个状态机的编写如何让人很快的读懂。首先我们要知道自己的状态机一共有几部分组成，我在这里所指的几部分是说时序和组合逻辑。一般状态机都是由时序和组合逻辑两部分组成（只有一部分组成的在这里先不讲）。那么我们要怎么写才容易让人读懂呢？把状态机的时序部分作为第一部分，把状态机的组合逻辑作为第二部分。那么在第一部分里我们要做些什么工作呢？在第一部分里我们主要是用时序来控制状态机的同步描述，状态机的初始化。第二部分我们可以分为两个小步，第一步是进行状态机的状态转移，第二步是进行状态机的输出描述。其实第二部分也可以不分为两个小步，但是本人觉得分开后程序更清晰了。在第二部分中我们就可以选择是用Moore型还是Mealy型状态机了。
好了这次先讲这么多，有不对的地方请大家多多批评指正。在此新年之际祝大家新年快乐。

fpga · 发表于 2010-5-11 10:19:06

什么叫状态机
状态机就是在流程图的基础上，分配好各种状态的０１逻辑．
而流程图，是对一个事件的逻辑的处理的抽象

fpga · 发表于 2010-5-11 10:19:34

单进程的状态机从功能上来讲是没有问题的，但不是好的编码风格，不太好理解代码；同时，这种风格的状态机不利于eda工具进行分析，如在覆盖率分析时可能不会把这段代码映射成状态机，这样eda工具就不能很好的分析状态机的完整性和安全性，同样也不利于综合工具对其进行优化。采用两段式或者三段式的话，eda工具能知道你描述的是一个状态机，具体是采用两段式还是三段式，和具体设计相关（是FPGA还是ASIC，时序要求如何等）。