Verilog HDL代码描述对状态机综合的研究
1 引言
Verilog HDL作为当今国际主流的HDL语言,在芯片的前端设计中有着广泛的应用。它的语法丰富,成功地应用于设计的各个阶段：建模、仿真、验证和综合等。可综合是指综合工具能将Verilog HDL代码转换成标准的门级结构网表,因此代码的描述必须符合一定的规则。大部分数字系统都可以分为控制单元和数据单元两个部分,控制单元的主体是一个状态机,它接收外部信号以及数据单元产生的状态信息,产生控制信号,因而状态机性能的好坏对系统性能有很大的影响。
有许多可综合状态机的Verilog代码描述风格,不同代码描述风格经综合后得到电路的物理实现在速度和面积上有很大差别。优秀的代码描述应当易于修改、易于编写和理解,有助于仿真和调试,并能生成高效的综合结果。
2 有限状态机
有限状态机(Finite State Machine,FSM)在数字系统设计中应用十分广泛。根据状态机的输出是否与输入有关,可将状态机分为两大类：摩尔(Moore)型状态机和米莉(Mealy)型状态机。Moore型状态机的输出仅与现态有关;Mealy型状态机的输出不仅与现态有关,而且和输入也有关。图1是有限状态机的一般结构图,它主要包括三个部分,其中组合逻辑部分包括状态译码器和输出译码器,状态译码器确定状态机的下一个状态,输出译码器确定状态机的输出,状态寄存器属于时序逻辑部分,用来存储状态机的内部状态。
图1 状态机的结构框图
2.1 好的状态机标准
好的状态机的标准很多,最重要的几个方面如下：
第一,状态机要安全,是指FSM不会进入死循环,特别是不会进入非预知的状态,而且由于某些扰动进入非设计状态,也能很快的恢复到正常的状态循环中来。这里面有两层含义。其一要求该FSM的综合实现结果无毛刺等异常扰动,其二要求FSM要完备,即使受到异常扰动进入非设计状态,也能很快恢复到正常状态。
第二,状态机的设计要满足设计的面积和速度的要求。
第三,状态机的设计要清晰易懂、易维护。
需要说明的是,以上各项标准,不是割裂的,它们有着直接紧密的内在联系。在芯片设计中,对综合结果评判的两个基本标准为：面积和速度。“面积”是指设计所占用的逻辑资源数量;“速度”指设计在芯片上稳定运行所能够达到的最高频率。两者是对立统一的矛盾体,要求一个设计同时具备设计面积最小,运行频率最高,这是不现实的。科学的设计目标应该是：在满足设计时序要求(包含对设计最高频率的要求)的前提下,占用最小
的芯片面积,或者在所规定的面积下,使设计的时序余量更大,频率更高。另外,如果要求FSM安全,则很多时候需要使用“full case”的编码方式,即将状态转移变量的所有向量组合情况都在FSM 中有相应的处理,这经常势必意味着要多花更多的设计资源,有时也会影响FSM的频率所以,上述的标准要综合考虑,根据设计的要求进行权衡。
2.2 状态机描述方法
状态机描述时关键是要描述清楚几个状态机的要素,即如何进行状态转移,每个状态的输出是什么,状态转移的条件等。具体描述时方法各种各样,最常见的有三种描述方式：
第一,整个状态机写到一个always模块里面,在该模块中既描述状态转移,又描述状态的输入和输出;
第二,用两个always模块来描述状态机,其中一个always模块采用同步时序描述状态转移;另一个模块采用组合逻辑判断状态转移条件,描述状态转移规律以及输出;
第三,在两个always模块描述方法基础上,使用三个always模块,一个always模块采用同步时序描述状态转移,一个采用组合逻辑判断状态转移条件,描述状态转移规律,另一个always模块描述状态的输出(可以用组合电路输出,也可以时序电路输出)。
一般而言,推荐的FSM 描述方法是后两种。这是因为:FSM和其他设计一样,最好使用同步时序方式设计,以提高设计的稳定性,消除毛刺。状态机实现后,一般来说,状态转移部分是同步时序电路而状态的转移条件的判断是组合逻辑。
第二种描述方法同第一种描述方法相比,将同步时序和组合逻辑分别放到不同的always模块中实现,这样做的好处不仅仅是便于阅读、理解、维护,更重要的是利于综合器优化代码,利于用户添加合适的时序约束条件,利于布局布线器实现设计。在第二种方式的描述中,描述当前状态的输出用组合逻辑实现,组合逻辑很容易产生毛刺,而且不利于约束,不利于综合器和布局布线器实现高性能的设计。第三种描述方式与第二种相比,关键在于根据状态转移规律,在上一状态根据输入条件判断出当前状态的输出,从而在不插入额外时钟节拍的前提下,实现了寄存器输出。
2.3 状态机的编码
二进制编码(Binary)、格雷码(Gray-code)编码使用最少的触发器,较多的组合逻辑,而独热码(One-hot)编码反之。独热码编码的最大优势在于状态比较时仅仅需要比较一个位,从而一定程度上简化了比较逻辑,减少了毛刺产生的概率。由于CPLD更多地提供组合逻辑资源,而FPGA更多地提供触发器资源,所以CPLD多使用二进制编码或格雷码,而FPGA多使用独热码编码。另一方面,对于小型设计使用二进制和格雷码编码更有效,而大型状态机使用独热码更高效。
三段式状态机
时序电路的状态是一个状态变量集合，这些状态变量在任意时刻的值都包含了为确定电路的未来行为而必需考虑的所有历史信息。
状态机采用VerilogHDL语言编码，建议分为三个always段完成。
三段式建模描述FSM的状态机输出时，只需指定case敏感表为次态寄存器，然后直接在每个次态的case分支中描述该状态的输出即可，不用考虑状态转移条件。
三段式描述方法虽然代码结构复杂了一些，但是换来的优势是使FSM做到了同步寄存器输出，消除了组合逻辑输出的不稳定与毛刺的隐患，而且更利于时序路径分组，一般来说在FPGA/CPLD 等可编程逻辑器件上的综合与布局布线效果更佳。
示列如下：
//第一个进程，同步时序always模块，格式化描述次态寄存器迁移到现态寄存器
always @ (posedge clk or negedge rst_n) //异步复位
if(!rst_n)
current_state <= IDLE;
else
current_state <= next_state;//注意，使用的是非阻塞赋值
//第二个进程，组合逻辑always模块，描述状态转移条件判断
always @ (current_state) //电平触发
begin
next_state = x; //要初始化，使得系统复位后能进入正确的状态 case(current_state)
S1: if(...)
next_state = S2; //阻塞赋值
...
endcase
end
//第三个进程，同步时序always模块，格式化描述次态寄存器输出
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
...//初始化
case(next_state)
S1:
out1 <= 1'b1; //注意是非阻塞逻辑
S2:
out2 <= 1'b1;
default:... //default的作用是免除综合工具综合出锁存器。
endcase
end
三段式并不是一定要写为3个always块，如果状态机更复杂，就不止3段了。
3 实例说明
下面通过实例来说明Verilog HDL代码描述对状态机综合结果的影响。
设计一个序列检测器,用于检测串行的二进制序列,每当连续输入三个或三个以上的1时,序列检测器的输出为1,其它情况下输出为0。
假设初始的状态为s0,输入一个1的状态记为s1,连续输入二个1后的状态记为s2,输入三个或以上1的状态记为s3,不论现态是何种状态一旦输入0的话,就返回到初始状态。根据题意,可画出状态图如图2所示。
图2 状态图
根据状态图以及前面状态机的介绍,可以采用一个always模块来描述,状态编码采用二进制编码,程序如下：module fsm(clk,ina,out);
input clk,ina;
output out;
reg out;
parameter s0 = 3'bOO,s1 =3'b01,s2 =3'b10,s3=3'b11;
reg[0:1]state;
always @ (posedge clk)
begin
state<=s0;
out =0;
case(state)
s0:begin
state<=(ina)?s1:s0;out=0;
end
s1:begin
state<=(ina)?s2:s0;out=0;
end
s2:begin
state<=(ina)?s3:s0;out=0;
end
s3:begin
state<=(ina)?s3:s0;out=1;
end
endcase
end
endmodule
采用Synplify Pro工具在Altera EPF10K10系列器件上进行综合,其综合的结果如图3所示。
如果采用两个always来描述,程序的模块声明、端口定义和信号类型部分不变,只是改动逻辑功能描述部分,改动部分的程序如下：
alwys @ (posedge dk)
state fsm <=next_state;
always @ (state_fsm or ina)
begin
state<=s0;out =0;
case(state_fsm )
s0:begin
next_state=(ina)?s1:s0;out=0;
end
s1:begin
next state=(ina)?s2:s0;out=0：
end
s2:begin
next_state=(ina)?s3:s0;out=0;
end
s3:begin
next_state=(ina)?s3:s0;out=1;
end
endcase
end
endmodule
在相同的器件上其综合的结果如图4所示,比较图3与图4的综合结果,可以看出。两种综合结果都是采用了两个触发器来存储状态。其不同的地方是输出部分,采用一个always模块的输出结果是寄存器输出。采用两个always模块描述的是组合逻辑直接输出,这是因为代码中的输出赋值也放在了时钟的上升沿(always @ (posedge clk))。其综合的结果是寄存器,因此它比直接组合逻辑输出延迟一个时钟周期。
图4
如果采用一位hot编码,仅改动参数设置的两行程序。采用一个always模块描述,改动部分的程序如下：parameter s0 = 3'b0001,s1 =3'b0010,s2 =3'b0100,s3=3'b1000;
reg[0:3] state;
图5
综合的结果如图5所示。将图5与图3相比,可以看出：
图5中状态寄存器采用了4个触发器来存储状态,而图3采用了两个触发器来存储状态,这是由于它们的状态编码的不同而得到的不同的综合结果,采用二进制编码综合得到的触发器要比采用独热码综合得到的
触发器少。它们的共同之处都是采用了寄存器来输出的。
3 结束语
有多种可综合状态机的Verilog HDL代码描述风格。其综合的结果是不同的。其中广泛采用的是两个或三个always模块描述。组合逻辑输出型状态机不适合应用在高速复杂系统设计中,在高速系统中应当采用寄存器输出型状态机。寄存器类型信号不会产生毛刺,并且输出不含组合逻辑。会减少组合逻辑门延时。容
易满足高速系统设计要求。总之,状态机的设计是数字系统设计中的关键部分,设计时做到心中有电路。充分考虑其综合的结果,才能编写出高质量的综合代码。进而提高设计水平。
Moore型verilog源代码：FSM实现10010串的检测Moore状态转移图 module moorefsm(clk,rst,a,z); input clk,rst; input a; output z; reg z; reg [3:0] currentstate,nextstate; parameter S0 = 4'b0000; parameter S1 = 4'b0001; parameter S2 = 4'b0010; parameter S3 = 4'b0011; parameter S4 = 4'b0100; parameter S5 = 4'b0101; always@(posedge clk or negedge rst) begin if(!rst) currentstate <= S0; else
currentstate <= nextstate; end always@(currentstate or a or rst) begin if(!rst) nextstate = S0; else case(currentstate) S0: nextstate = (a==1)?S1:S0; S1: nextstate = (a==0)?S2:S1; S2: nextstate = (a==0)?S3:S1; S3: nextstate = (a==1)?S4:S0; S4: nextstate = (a==0)?S5:S1; S5: nextstate = (a==0)?S3:S1; default: nextstate = S0; endcase end always@(rst or currentstate) begin if(!rst) z = 0; else case(currentstate) S0: z = 0;S1: z = 0;S2: z = 0; S3: z = 0;S4: z = 0;S5: z = 1; default: z = 0; endcase end endmodule
Director 疑难解答 01. 如何制作一个放映机(projector)可以在不同分辨率下播放？ [A] 加入下列语句： on prepareMovie (the stage).rect = (the desktopRectList)[1] (the stage).drawRect = (the desktopRectList)[1] end 注意，这个语句是通过放大或缩小舞台来达到效果的，所以会有变形。 02. 如何导入photoshop的图层？ [A] Director7.0以后的版本你可以通过Medialab公司的Photocaster Xtra来实现。 03. 在程序中如何导入图片而不失去图片周围的白色部份？ [A] 通过指定图片的trim whitespace属性可以实现： m = new(#bitmap) m.trimWhiteSpace = 0 m.filename = the moviePath & ‘‘file.bmp‘‘ m.media = m.media 04. 如何得到全局变量列表？ [A] 在messages的窗口中，你可以输入showGlobals来显示所有的全局变量。以下的代码也可以显示所有的全局变量： repeat with x = 1 to (the globals).count put (the globals).getPropAt(x) & ‘‘= ‘‘& (the globals)[x] end repeat 05. 如何播放mpeg文件？ [A] 有一系列的方法，不能说哪一种更好，并且在pc机和mac机上是不一样的，下面是四种常见的方法： 1. 用一个xtra。这种方法用起来简单，且也有好的产品支持，但大多不能跨平台使用。当然，这是需要购买的。 2. 使用ActiveX控件。这只能在pc机上用，相对xtra而言会有更多的限制，但它是免费的，且与标准playback能够很好的集成。
题目1:串行通讯中，经常要检测数据包的开始标志，例如：USB 数据包的起 始数据是8‘b00101010设计一个电路，能够检测串行数据流中的特殊数据串，并在数据串有效时，给出相应的指示信号； (1)RTL Code /*信号定义与说明 Clk:同步时钟 rstb: 异步复位信号，低电平复位 up_down: 加/减计数方向控制信号，1为加计数 Din：串行数据输入 pat_det: 检测结果输出 */ `timescale 1ns/1ns module serialdata(din,clk,rstb,pat_det); input clk,rstb; input din; output pat_det; parameter S0='d0,S1='d1,S2='d2,S3='d3,S4='d4,S5='d5,S6='d6,IDLE='d7; reg[2:0] state; assign pat_det=(state= =S6&&din= =0)?1:0; always@(posedge clk or negedge rstb) begin if(!rstb) state<=IDLE; else begin case(state) IDLE: begin if(din==0) state<=S0; else state<=IDLE; end S0: begin if(din==0) state<=S1; else state<=IDLE; end S1: begin if(din==1) state<=S2; else state<=S1; end S2:
begin if(din==0) state<=S3; else state<=IDLE; end S3: begin if(din==1) state<=S4; else state<=S1; end S4: begin if(din==0) state<=S5; else state<=IDLE; end S5: begin if(din==1) state<=S6; else state<=S1; end S6: state<=IDLE; default: state<=IDLE; endcase end end endmodule (2)Test File `timescale 1ns/1ns `include "serialdata.v" module tb_serialdata; reg clk,rstb; wire din; wire pat_det; reg[31:0] data; assign din=data[31]; serialdata t1(din,clk,rstb,pat_det); initial begin clk=1'b0; rstb=1'b0; data=32'b1001_0010_1010_1100_1010_1000_1010_1010; #10 rstb=1'b1; #640 $stop; end
设计练习进阶 前言： 在前面九章学习的基础上，通过本章的练习，一定能逐步掌握Verilog HDL设计的要点。我们可以先理解样板模块中每一条语句的作用，然后对样板模块进行综合前和综合后仿真，再独立完成每一阶段规定的练习。当十个阶段的练习做完后，便可以开始设计一些简单的逻辑电路和系统。很快我们就能过渡到设计相当复杂的数字逻辑系统。当然，复杂的数字逻辑系统的设计和验证，不但需要系统结构的知识和经验的积累，还需要了解更多的语法现象和掌握高级的Verilog HDL系统任务，以及与C语言模块接口的方法（即PLI），这些已超出的本书的范围。有兴趣的同学可以阅读Verilog语法参考资料和有关文献，自己学习，我们将在下一本书中介绍Verilog较高级的用法。 练习一．简单的组合逻辑设计 目的: 掌握基本组合逻辑电路的实现方法。 这是一个可综合的数据比较器，很容易看出它的功能是比较数据a与数据b，如果两个数据相同，则给出结果1，否则给出结果0。在Verilog HDL中，描述组合逻辑时常使用assign 结构。注意equal=(a==b)1:0,这是一种在组合逻辑实现分支判断时常使用的格式。 模块源代码： " qual(equal),.a(a),.b(b)); 简单时序逻辑电路的设计 目的：掌握基本时序逻辑电路的实现。
在Verilog HDL中，相对于组合逻辑电路，时序逻辑电路也有规定的表述方式。在可综合的Verilog HDL模型，我们通常使用always块和@(posedge clk)或@(negedge clk)的结构来表述时序逻辑。下面是一个1/2分频器的可综合模型。 eset(reset),.clk_in(clk),.clk_out(clk_out)); endmodule 仿真波形： 练习：依然作clk_in的二分频clk_out，要求输出与上例的输出正好反相。编写测试模块，给出仿真波形。 练习三. 利用条件语句实现较复杂的时序逻辑电路 目的：掌握条件语句在Verilog HDL中的使用。 与常用的高级程序语言一样,为了描述较为复杂的时序关系，Verilog HDL提供了条件语句供分支判断时使用。在可综合风格的Verilog HDL模型中常用的条件语句有if…else和case…endcase两种结构，用法和C程序语言中类似。两者相较，if…else用于不很复杂的分支关系，实际编写可综合风格的模块、特别是用状态机构成的模块时，更常用的是case…endcase 风格的代码。这一节我们给的是有关if…else的范例，有关case…endcase结构的代码已后会经常用到。 下面给出的范例也是一个可综合风格的分频器，是将10M的时钟分频为500K的时钟。
Director MX 2004使用问答 Q: 为什么用MX2004打包后会显示标题栏？ A：把display template中的titlebat options里的选项都取消就可以了。 Q：如何在DR中打开word文件 A：1，在d内打开须使用activex 2，在d外打开调用word程序打开即可 Q：怎样实现让用户选择不同的背景音乐？ A：on mouseUp me,7v@ fileobj=new(xtra "fileio")~M+Hhf fileobj.setFilterMask("all file, *.*,mp3,*.mp3,wave, *.wav")i filename=displayOpen(fileobj)^|kHUb if filename="" or filename=void then exitU9 closefile(fileobj) jhI sound playFile 2, string(filename) end Q：请问怎么给mpg视频加遮照？ A：1，利用open widndow 做视频遮照 2，用MPEG advance xtra 插件，在属性窗口中把playback opitions 下的DTS取消了，就可以了，然后就在视频之上的通道里放你遮的图片即可 Q：怎么检测本机是否连接到intel网上？ A：WinSocket Xtra Ad可以实现，说明： WinSocket Xtra 是一套Sprite Xtra，一共有三个，分别为 TCPServer.X32,TCPClient.X32和UDPSocket.X32。TCPServer.X32是服务器端xtra，TCPClient.X32是客户端xtra，采用Tcp/ip协议。互相配套用于网络信息传递，可以构建类似聊天室，多人连线游戏。UDPSocket.X32采用UDP 协议。独立用于网络信息传递，也可以构建类似聊天室，多人连线游戏。 Q：flash动画导到dr后声音和动画不同步怎么解决？ A：使用线索点，最好调好以后把它锁定。 Q：如何检测用户是否安装quicktime，若无就提示安装？ A：on exitframe me if quicktimeversion()<5.0 then open the moviepath@"quicktime\fullinstallercn.exe“ halt() else go "start" end if end Q：为什么发布成exe文件后视频不能正常播放？ A：1.打包后Xtras文件夹是否在打包文件夹下,是否包含播放视频所需插件 2.视频是否为mpg,如使用DirectMediaXtras,mpg文件是否与exe在同级目录下 Q：如何实现点击打开本地文件夹？ A：gotoNetPage("c:\") 不过路径中不要有中文! Q：如何将dr里的flash导出？ A：ExportSWF.x32插件。说明： object = xtra("ExportSWF").new()
verilog可综合有限状态机的4种写法（夏文宇书注） 第一种：自然编码 module fsm1( input i_clk, input rst_n, input A, output reg K1, output reg K2, output reg [1:0] state ); parameter Idle=2'b00, Start=2'b01, Stop=2'b10, Clear=2'b11; [email=always@(posedge]always@(posedge[/email] i_clk) if(!rst_n) begin state<=Idle; K2<=0; K1<=0; end else case(state) Idle:if(A) begin state<=Start; K1<=0; end else begin state<=Idle; K2<=0; K1<=0; end Start:if(!A) state<=Stop; else state<=Start; Stop:if(A) begin state<=Clear; K2<=1;
else begin state<=Stop; K2<=0; K1<=0; end Clear:if(!A) begin state<=Idle; K1<=1; K2<=0; end else begin state<=Clear; K2<=0; K1<=1; end default: state<=Idle; endcase endmodule 这种大家应该都熟悉的 第二种：采用独热编码，据说其可靠性和速度都不错module fsm2( input i_clk, input rst_n, input A, output reg K1, output reg K2, output reg [3:0] state ); parameter Idle=4'b1000; parameter Start=4'b0100; parameter Stop=4'b0010; parameter Clear=4'b0001; always@(posedge i_clk) begin if(!rst_n)
Director实例剖析:Director的常用Lingo命令和句柄 常用lingo 利用控制director电影的重要方面就是利用控制各个方面的属性，下面列出常用的精灵属性、字段属性、造型成员属性，以及其他的一些常用的命令和句柄。 1．常用精灵属性 blend 语法：the blend of sprite whichsprite 用途：此属性决定了精灵的混合百分比 举例：set the blend of sprite 3 to 40 bottom 语法：the bottom of sprite whichsprite 用途：此属性决定了精灵矩形边框的下部边缘的坐标值，这个属性可以用来测试但是不能直接修改 举例：set lowest ＝put the botiom ofsprite （i ＋l） castlibnum 语法：the castlibnum of sprite whichsprite 用途：此属性决定了精灵所使用的造型成员的cast表的编号，可以被测试和修改。如果更改此属性但是不修改castnum属性，director会使用原来的造型成员编号在新的cast表中为精灵寻找造型成员 举例：set the castlibnum of sprite 3 to the number ofcastlib“newcast” constrainh 语法：constrainh（whichsprite，va1ue） 用途：此函数首先计算表达式va1ue的值，然后和精灵的左右矩形边缘坐标进行比较。如果表达式在精灵左右矩形边缘之间，就返回这个表达式；如果这个表达式小于精灵矩形边缘的左边的坐标值，就返回精灵矩形左边边缘的坐标值；如果表达式大于精灵矩形边缘右边的坐标值，就返回精灵矩形右边边缘的坐标值 举例：put constrainh（1，20） --30 put constrainh（1,60） --60 put constrainh（1,100） constrainv 语法：constrainv（whichsprite，va1ue） 用途：和constrainh类似，但是是和精灵矩形边枢的上下边缘进行比较。 举例：set the locv of sprite l to constrainv（3，the mousev） constraint 语法：the constraint of sprite whichsprite
Verilog三段式状态机(FSM) 网上收集整理…… 时序电路的状态是一个状态变量集合，这些状态变量在任意时刻的值都包含了为确定电路的未来行为而必需考虑的所有历史信息。 状态机采用VerilogHDL语言编码，建议分为三个always段完成。这是为什么呢？ 设计FSM的方法和技巧多种多样，但是总结起来有两大类：第一种，将状态转移和状态的操作和判断等写到一个模块（process、block）中。另一种是将状态转移单独写成一个模块，将状态的操作和判断等写到另一个模块中（在Verilog代码中，相当于使用两个“always”block）。其中较好的方式是后者。其原因如下。 首先FSM和其他设计一样，最好使用同步时序方式设计，好处不再累述。而状态机实现后，状态转移是用寄存器实现的，是同步时序部分。状态的转移条件的判断是通过组合逻辑判断实现的，之所以第二种比第一种编码方式合理，就在于第二种编码将同步时序和组合逻辑分别放到不同的程序块（process，block）中实现。这样做的好处不仅仅是便于阅读、理解、维护，更重要的是利于综合器优化代码，利于用户添加合适的时序约束条件，利于布局布线器实现设计。 三段式建模描述FSM的状态机输出时，只需指定case敏感表为次态寄存器，然后直接在每个次态的case分支中描述该状态的输出即可，不用考虑状态转移条件。 三段式描述方法虽然代码结构复杂了一些，但是换来的优势是使FSM做到了同步寄存器输出，消除了组合逻辑输出的不稳定与毛刺的隐患，而且更利于时序路径分组，一般来说在FPGA/CPLD等可编程逻辑器件上的综合与布局布线效果更佳。 示例如下： //第一个进程，同步时序always模块，格式化描述次态寄存器迁移到现态寄存器 always @ (posedge clk or negedge rst_n) //异步复位 if(!rst_n) current_state <= IDLE; else current_state <= next_state;//注意，使用的是非阻塞赋值 //第二个进程，组合逻辑always模块，描述状态转移条件判断 always @ (current_state) //电平触发 begin next_state = x; //要初始化，使得系统复位后能进入正确的状态 case(current_state) S1: if(...) next_state = S2; //阻塞赋值 ... endcase end
Verilog HDL代码描述对状态机综合的研究 1 引言 Verilog HDL作为当今国际主流的HDL语言,在芯片的前端设计中有着广泛的应用。它的语法丰富,成功地应用于设计的各个阶段：建模、仿真、验证和综合等。可综合是指综合工具能将Verilog HDL代码转换成标准的门级结构网表,因此代码的描述必须符合一定的规则。大部分数字系统都可以分为控制单元和数据单元两个部分,控制单元的主体是一个状态机,它接收外部信号以及数据单元产生的状态信息,产生控制信号,因而状态机性能的好坏对系统性能有很大的影响。 有许多可综合状态机的Verilog代码描述风格,不同代码描述风格经综合后得到电路的物理实现在速度和面积上有很大差别。优秀的代码描述应当易于修改、易于编写和理解,有助于仿真和调试,并能生成高效的综合结果。 2 有限状态机 有限状态机(Finite State Machine,FSM)在数字系统设计中应用十分广泛。根据状态机的输出是否与输入有关,可将状态机分为两大类：摩尔(Moore)型状态机和米莉(Mealy)型状态机。Moore型状态机的输出仅与现态有关;Mealy型状态机的输出不仅与现态有关,而且和输入也有关。图1是有限状态机的一般结构图,它主要包括三个部分,其中组合逻辑部分包括状态译码器和输出译码器,状态译码器确定状态机的下一个状态,输出译码器确定状态机的输出,状态寄存器属于时序逻辑部分,用来存储状态机的内部状态。 图1 状态机的结构框图 2.1 好的状态机标准 好的状态机的标准很多,最重要的几个方面如下： 第一,状态机要安全,是指FSM不会进入死循环,特别是不会进入非预知的状态,而且由于某些扰动进入非设计状态,也能很快的恢复到正常的状态循环中来。这里面有两层含义。其一要求该FSM的综合实现结果无毛刺等异常扰动,其二要求FSM要完备,即使受到异常扰动进入非设计状态,也能很快恢复到正常状态。 第二,状态机的设计要满足设计的面积和速度的要求。 第三,状态机的设计要清晰易懂、易维护。 需要说明的是,以上各项标准,不是割裂的,它们有着直接紧密的内在联系。在芯片设计中,对综合结果评判的两个基本标准为：面积和速度。“面积”是指设计所占用的逻辑资源数量;“速度”指设计在芯片上稳定运行所能够达到的最高频率。两者是对立统一的矛盾体,要求一个设计同时具备设计面积最小,运行频率最高,这是不现实的。科学的设计目标应该是：在满足设计时序要求(包含对设计最高频率的要求)的前提下,占用最小
有限状态机实验报告 一、实验目的 ●进一步学习时序逻辑电路 ●了解有限状态机的工作原理 ●学会使用“三段式”有限状态机设计电路 ●掌握按键去抖动、信号取边沿等处理技巧 二、实验内容 用三段式有限状态机实现序列检测功能电路 a)按从高位到低位逐位串行输入一个序列，输入用拨动开关实现。 b)每当检测到序列“1101”（不重叠）时，LED指示灯亮，否则灭，例如 i.输入：1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 ii.输出：0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 c)用八段数码管显示最后输入的四个数，每输入一个数，数码管变化一次 d)按键按下的瞬间将拨动开关状态锁存 i.注意防抖动（按键按下瞬间可能会有多次的电平跳变） 三、实验结果 1.Rst_n为0时数码管显示0000，led灯不亮，rst_n拨为1，可以开始输入，将输 入的开关拨到1，按下按钮，数码管示数变为0001，之后一次类推分别输入1， 0,1，按下按钮后，数码管为1101，LED灯亮，再输入1，LED灯灭，之后再输 入0，1（即共输入1101101使1101重叠，第二次LED灯不亮），之后单独输入
1101，LED灯亮 2.仿真图像 刚启动时使用rst_n 一段时间后 其中Y代表输出，即控制led灯的信号，sel表示数码管的选择信号，seg表示数码管信号 四、实验分析 1、实验基本结构
其中状态机部分使用三段式结构： 2、整体结构为：
建立一下模块： Anti_dither.v 输入按键信号和时钟信号，输出去除抖动的按键信号生成的脉冲信号op 这一模块实现思路是利用按钮按下时会持续10ms以上而上下抖动时接触时间不超过10ms来给向下接触的时间计时，达到上限时间才产生输出。 Num.v 输入op和序列输入信号A,时钟信号clk和复位信号，复位信号将num置零，否则若收到脉冲信号则将num左移一位并将输入存进最后一位。输出的num即为即将在数码管上显示的值 Scan.v 输入时钟信号，对其降频以产生1ms一次的扫描信号。 Trigger.v 这一模块即为状态机模块，按三段式书写。 整个模块的输入为时钟信号，脉冲信号，序列输入变量，复位信号，输出LED灯控制信号Y。 第一段是状态转换模块，为时序逻辑电路，功能是描述次态寄存器迁移到现态寄存器。即如果收到复位信号将现态置零，否则将上次得到的next_state赋给current_state。
ChartDirector 常见用法（示例代码） 最近在尝试在ChartDirector 里进行坐标的设置，想在这里写写最近最近的学习成果。 下面是我的代码实例，里面就是实现如何在ChartDirector 里进行坐标的设置，代码如下： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 public void createChart(ChartViewer viewer, int index) { // 这是两组数据，X 和Y 会一一对应生成；多在多纵轴图中使用，横坐标点会自动调整。 double[] dataY0 = { 4.5, 5}; Date[] dataX0 = { new GregorianCalendar(1999, 1, 1).getTime(), new GregorianCalendar(2000, 8, 6).getTime() }; double[] dataY1 = {7, 6.5, 6, 5, 6.5, 7, 6, 5.5, 5,9,8,7,8}; Date[] dataX1 = {new GregorianCalendar(1999, 1, 1).getTime(), new GregorianCalendar(1999, 6, 1).getTime(), new GregorianCalendar(1999, 11, 1).getTime(), new GregorianCalendar(1999, 11, 15).getTime(), new GregorianCalendar(1999, 12, 9).getTime(), new GregorianCalendar(2000, 2, 3).getTime(), new GregorianCalendar(2000, 7, 13).getTime(), new GregorianCalendar(2001, 4, 5).getTime(), new GregorianCalendar(2001, 8, 16).getTime(), new GregorianCalendar(2001, 10, 16).getTime(),new GregorianCalendar(2001, 12, 16).getTime(),new GregorianCalendar(2002, 2, 16).getTime(),new GregorianCalendar(2002, 4, 16).getTime()}; //这是单独的横坐标数据，横坐标会根据数据进行调整，Y 轴会按照顺利一一对应。 Date[] dataX2 = { new GregorianCalendar(1999, 1, 1).getTime(), new
转《明德扬分享》之【状态机的使用】 （本文档由明德扬精心设计，版权归明德扬科教所有，转载请注明出处，否则明德扬有权追究其法律责任） 1.状态机概述 1.1 状态机的定义及作用 有限状态机FSM(Finite State Machine)简称状态机，通俗地说，状态机就是把全部的情况分成几个场景，这些场景的工作方式明显不同。广义而言，因触发器本身就是若干状态的集合，故只要涉及触发器应用的电路都属于状态机范畴，也即任何时序模型都可以归结为一个状态机。 状态机是数字系统设计的重要组成部分，对于数字系统设计工程师，面对的只要是时序电路设计，状态机的概念则是必须贯穿于整个设计始终的最基本的设计思想和设计方法论。只有从电路状态的角度去考虑，才能从根本上把握可靠、高效的时序逻辑的设计关键。在现代数字系统设计中，状态机的设计对系统的高速性能、高可靠性、高稳定性都具有决定性的作用。 状态机应用广泛（特别是对于操作和控制流程非常明确的系统设计），在数字通信领域、自动化控制领域、CPU设计领域等都拥有不可或缺的重要地位。 1.2 状态机的分类 按照不同的标准，状态机也有多种不同的分类形式，主要有以下几种： 1) 以状态机的信号输出方式分，有Mealy型和Moore型两种状态机。Mealy型状态机输出由当前状态和输入共同确定，Moore型状态机输出则仅取决于当前状态。 2) 以状态机的描述结构上分，有一段式、两段式、三段式三种类型状态机。 l 将整个状态机写到1个进程模块里，在该模块中既描述状态转移又描述状态的输入输出，称为一段式描述方法，即所谓的单进程状态机； l 一个模块用同步时序描述状态转移，另一个模块用组合逻辑判断状态转移条件、描述状态转移规律及逻辑输出，称为两段式描述方法；
汇报总结 1、偶数分频 偶数倍分频相对简单，可以通过计数器对预分频的脉冲沿计数实现，如果要进行N倍（N为整数）偶数分频，可由预分频的时钟触发计数器计数，当计数器从0计数到N/2—1时，输出时钟进行翻转，并给计数器一个复位信号，使得下一个时钟从零开始计数，以此循环下去。分频的主体程序如下： `define div_en 8 module freq_div_even(clk_in, reset, clk_out ); input clk_in; input reset; output clk_out; reg clk_out; reg[2:0] count; initial begin count=0; clk_out=0; end always@(posedge clk_in) begin if(!reset) begin count<=0; clk_out<=0; end else if(count==(`div_en/2-1)) begin clk_out<=~clk_out; count<=0; end else begin count<=count+1; end end endmodule 下面定义N为8,对一个脉冲8分频,测试程序如下: `timescale 1ns/1ns module testbench; reg reset; reg clk_in; reg[2:0] count;
wire clk_out; freq_div_even test(.clk_in(clk_in), .reset(reset), .clk_out(clk_out) ); initial begin reset=0; clk_in=0; #5 reset=1; end always #10 clk_in=~clk_in; endmodule 波形图如下: 2、奇数分频 对于对占空比没有特殊要求的奇数分频，需要对上升沿和下降沿脉冲进行计数，利用下降沿产生的波形移相半个输入脉冲的作用，最后用错位“异或”法实现。一个n(n=3)分频的程序如下： module clk_divN( clk_in, reset, clk_out ); input clk_in; input reset; output clk_out; integer cnt1,cnt2; reg clk_divp; reg clk_divn; parameter n=3; always@(posedge clk_in) begin if(!reset) begin clk_divp<=0; cnt1<=0; end else
1、F i l e菜单快捷键 命令快捷键 New Movie(新影片)Ctrl+N NewCast(新演员表)Ctrl+Alt+N Open(打开)Ctrl+O Close(关闭)Ctrl+F4 Save(保存)Ctrl+S Import(输入)Ctrl+R Export(输出)Ctrl+Shift+R Preview inBrowser(在浏览器中预览)F12 Page Setup(页面设置)Ctrl+Shift+P Print(打印)Ctrl+P General Preferences(基本参数设置)Ctrl+U Exit/Quit(退出)Alt+F4 2、Edit菜单快捷键 命令快捷键 Undo(撤消)Ctrl+Z Repeat(重复)Ctrl+Y Cut(剪切)Ctrl+X 命令快捷键 Copy(拷贝)Ctrl+C Paste(粘贴)Ctrl+V Clear(清除)Backspace Duplicate(复制)Ctrl+D Select All(全选)Ctrl+A Find Text(查找文本)Ctrl+F Find Handler(查找处理程序)Ctrl+Shift+; Find Cast Member(查找演员)Ctrl+; Find Selection(查找选区)Ctrl+H Find Again(再查找)Ctrl+Alt+F Replace Again(再替换)Ctrl+Alt+E Edit Sprite Frames(编辑角色的帧)Ctrl+Alt+] Edit Entire Sprite(编辑整个角色)Ctrl+Alt+[ Exchange Cast Members(交换演员)Ctrl+E Launch External Editor(运行外部编辑器)Ctrl+,(逗号) 3、View菜单快捷键 命令快捷键 Next Marker(下一个标志)Ctrl+右箭头键 Previous Marker(前一个标志)Ctrl+左箭头键 Zoom In(变焦放大)Ctrl++ Zoom Out(变焦缩小)Ctrl+-(连字符) Show Grid(显示网格)Ctrl+Shift+Alt+G Snap to Grid(吸附于网格)Ctrl+Alt+G Show Rulers(显示标尺)Ctrl+Shift+Alt+R
Verilog状态机的写法－转 1 引言 Verilog HDL作为当今国际主流的HDL语言,在芯片的前端设计中有着广泛的应用。它的语法丰富，成功地应用于设计的各个阶段：建模、仿真、验证和综合等。可综合是指综合工具能将Verilog HDL代码转换成标准的门级结构网表，因此代码的描述必须符合一定的规则。大部分数字系统都可以分为控制单元和数据单元两个部分，控制单元的主体是一个状态机，它接收外部信号以及数据单元产生的状态信息，产生控制信号，因而状态机性能的好坏对系统性能有很大的影响。 有许多可综合状态机的Verilog代码描述风格，不同代码描述风格经综合后得到电路的物理实现在速度和面积上有很大差别。优秀的代码描述应当易于修改、易于编写和理解，有助于仿真和调试，并能生成高效的综合结果。 2 有限状态机 有限状态机(Finite State Machine,FSM)在数字系统设计中应用十分广泛。根据状态机的输出是否与输入有关，可将状态机分为两大类：摩尔(Moore)型状态机和米莉 (Mealy)型状态机。Moore型状态机的输出仅与现态有关；Mealy型状态机的输出不仅与现态有关，而且和输入也有关。图1是有限状态机的一般结构图，它主要包括三个部分，其中组合逻辑部分包括状态译码器和输出译码器，状态译码器确定状态机的下一个状态，输出译码器确定状态机的输出，状态寄存器属于时序逻辑部分，用来存储状态机的内部状态。 图1 状态机的结构框图 2.1 好的状态机标准 好的状态机的标准很多，最重要的几个方面如下： 第一，状态机要安全，是指FSM不会进入死循环，特别是不会进入非预知的状态，而且由于某些扰动进入非设计状态，也能很快的恢复到正常的状态循环中来。这里面有两层含义。其一要求该FSM的综合实现结果无毛刺等异常扰动，其
1 引言 Verilog HDL作为当今国际主流的HDL语言,在芯片的前端设计中有着广泛的应用。它的语法丰富，成功地应用于设计的各个阶段：建模、仿真、验证和综合等。可综合是指综合工具能将Verilog HDL代码转换成标准的门级结构网表，因此代码的描述必须符合一定的规则。大部分数字系统都可以分为控制单元和数据单元两个部分，控制单元的主体是一个状态机，它接收外部信号以及数据单元产生的状态信息，产生控制信号，因而状态机性能的好坏对系统性能有很大的影响。 有许多可综合状态机的Verilog代码描述风格，不同代码描述风格经综合后得到电路的物理实现在速度和面积上有很大差别。优秀的代码描述应当易于修改、易于编写和理解，有助于仿真和调试，并能生成高效的综合结果。 2 有限状态机 有限状态机(Finite State Machine,FSM)在数字系统设计中应用十分广泛。根据状态机的输出是否与输入有关，可将状态机分为两大类：摩尔(Moore)型状态机和米莉(Mealy)型状态机。Moore型状态机的输出仅与现态有关；Mealy型状态机的输出不仅与现态有关，而且和输入也有关。图1是有限状态机的一般结构图，它主要包括三个部分，其中组合逻辑部分包括状态译码器和输出译码器，状态译码器确定状态机的下一个状态，输出译码器确定状态机的输出，状态寄存器属于时序逻辑部分，用来存储状态机的内部状态。
图1 状态机的结构框图 2.1 好的状态机标准 好的状态机的标准很多，最重要的几个方面如下： 第一，状态机要安全，是指FSM不会进入死循环，特别是不会进入非预知的状态，而且由于某些扰动进入非设计状态，也能很快的恢复到正常的状态循环中来。这里面有两层含义。其一要求该FSM的综合实现结果无毛刺等异常扰动，其二要求FSM要完备，即使受到异常扰动进入非设计状态，也能很快恢复到正常状态。 第二，状态机的设计要满足设计的面积和速度的要求。 第三，状态机的设计要清晰易懂、易维护。 需要说明的是，以上各项标准，不是割裂的，它们有着直接紧密的内在联系。在芯片设计中，对综合结果评判的两个基本标准为：面积和速度。“面积”是指设计所占用的逻辑资源数量；“速度”指设计在芯片上稳定运行所能够达到的最高频率。两者是对立统一的矛盾体，要求一个设计同时具备设计面积最小，运行频率最高，这是不现实的。科学的设计目标应该是：在满足设计时序要求(包含对设计最高频率的要求)的前提下，占用最小的芯片面积，或者在所规定的面积下，使设计的时序余量更大，频率更高。另外，如果要求FSM安全，则很多时候需要使用“full case”的编码方式，即将状态转移变量的所有向量组合情况都在FSM 中有相应的处理，这经常势必意味着要多花更
时序状态机的设计入门与提高 计算机及具有存储器或按照所存储信息执行一系列操作的其他数字系统统称为“时序状态机”，其电路可以通过时序逻辑进行建模。时序状态机的性能与组合逻辑不同，因为时序状态机的输出不仅仅取决于当前的输入值，而且取决于历史的输入值。时序状态机被广泛应用于需要指定顺序操作的应用中。所有的时序状态机都具有如图的通用反馈结构，在这种结构中时序状态机的下一状态是由当前状态和当前输入一起形成的： 时序状态机可以按是否受一个公共的时钟控制（钟控）分为同步状态机和异步状态机；根据状态数目是否有限分为有限状态机和无限状态机。此处只讨论有限状态机。 有限状态机的（FSM）分类 有限状态机有米利（Mealy）机和摩尔（Moore）机： 米利（Mealy）机： 米利（Mealy）机的下一状态和输出都取决于当前状态和当前输入。 摩尔（Moore）机： 摩尔（Moore）机的下一状态取决于当前状态和当前输入，而输出仅仅取决于当前状态。 有限状态机常用的描述、开发方法 有限状态机可以借助时序图、状态表、状态图以及ASM图进行系统的描述与设计。
?时序图可以用于说明系统中及系统与周围环境的接口中信号的有效输入与状态转移之间的关系。 ?状态表与状态转移表以表格的形式表示在当前状态和输入的各种组合下状态机的下一状态和输出 ?状态转移图（STG）是一种有向图，图中带有标记的节点或顶点与时序状态机的状态一一对应。当系统处于弧线起点的状态时，用有向边或弧线表示在输入信号的作用下可能发生的状态转移。米利机STG的顶点用状态进行标记，状态转移图的有向边有下面两种标记方法： （1）用能够导致状态向指定的下一状态转移的输入信号来标记 （2）在当前状态下，用输入信号的输出来进行标记 摩尔机的状态转移图与米利机相类似，但它的输出是由各状态的顶点来表示的，而不是在弧线上表示 ?算法状态机（ASM）图是时序状态机功能的一种抽象，是模拟其行为特性的关键工具。 它类似于软件流程图，但显示的是计算流程图（如寄存器操作）的时间顺序，以及在状态机输入影响下发生的时序步骤。ASM图描述的是状态机的行为动作，而不是存储元件所存储的内容。有时候用机器工作期间的行为动作来描述状态机的状态，比起用状态机产生的数据进行描述更为方便也更为重要 ?ASMD图是ASM图的扩展。状态机的一个重要应用就是控制时序状态机数据通道上的寄存器操作，而该时序状态机已被分为控制器和数据通道。控制器可以用ASM图来描述，我们修改ASM图的目的是把它连接到状态机所控制的数据通道上。当控制器的状态沿着通道发生转移时，通过标注每个数据通道来指出那些在相关数据通道单元中所发生的寄存器操作以这种方式连接到数据通道的ASM图被称为算法状态机和数据通道（ASMD）图。在把时序状态机数据通道的设计从控制器的设计中分离出来，并在两个单元之间保持清晰联系的情况下，ASMD图有助于阐明这样的时序状态机设计方法。与状态转移并行发生的寄存器操作是在图的通道上标注的，而不是在通道上的条件框或状态框中标注的，因为这些寄存器并不是控制器的一部分。由控制器产生的输出是那些控制数据通道寄存器的信号，以及引发ASM图上标注的寄存器操作的信号。 基于状态转移图（STG）的设计 对于一个同步时序状态机的给定的STG，设计的任务就是确定下一状态和输出逻辑。如果用一个二进制码来表示时序状态机的状态，那么其值可以存储在触发器中。在时钟的各个有效沿处，状态保持触发器的输入变成下一个时钟周期的状态。同步时序状态机的设计就是要根据机器的状态和外部输入来确定能形成触发器输入的逻辑，该逻辑为组合逻辑，并且应该是最简逻辑。对于有效地STG而言，其每个顶点必须表示一个唯一的状态；每个弧线则表示在指定输入信号的作用下，从给定状态到下一状态的转移，并且从一个节点出发的各弧线必须对应一个唯一的输入。通常，与从一个节点出发的一组弧线有关的布尔条件必须满足和为1（即状态转移图必须考虑到从一个节点出发的所有的可能的状态转移），并且在给定状态下与输入变量判定有关的每个分支条件必须对应于一条唯一的弧线（即时序状态机仅可以由一个节点经过一条弧线转移到下一状态）。根据时钟到来之前的状态值和当前输入值，由同步时序状态机的STG所表示的状态转移将在时钟信号的有效沿处发生。 基于状态转移图（STG）的有限状态机的系统设计方法通常包括以下几个步骤： （1）构建状态机的STG （2）消去等价状态