verilog经典三段式状态机设计实例

verilog 状态机最佳写法Verilog编程语言广泛应用于数字电路设计中，特别是在嵌入式系统和硬件描述语言中。

状态机是一种常用的设计模式，可以帮助我们描述复杂的行为和控制逻辑。

本文将介绍如何使用Verilog编写状态机，并提供一些最佳实践。

第一部分：Verilog简介Verilog是一种硬件描述语言，最初由美国自动化控制协会（ACM）开发。

它是一种用于描述、仿真和生成数字电路的高级编程语言。

Verilog提供了描述硬件的能力，使我们能够在逻辑级别上描述电路的行为。

第二部分：状态机简介状态机是一种抽象的数学模型，用于描述系统或程序的行为。

它由一组状态、输入和输出组成，并在不同状态之间进行转换。

状态机可以用于描述任何连续或离散的系统，包括硬件和软件。

第三部分：状态机的设计方法在Verilog中，我们可以使用参数化模块和状态寄存器来描述状态机。

参数化模块可以接受输入和输出，根据当前状态和输入转换到下一个状态，并产生相应的输出。

下面是一个简单的例子：```module fsm #(parameter N=3) (input logic clk, reset, input logic [N-1:0] input, output [N-1:0] output);typedef enum logic [1:0] {S0, S1, S2} state_t;state_t state, next_state;always_ff @(posedge clk or posedge reset) begin if (reset) beginstate <= S0;end else beginstate <= next_state;endendalways_comb begincase (state)S0: begin// State S0 behavioroutput = input;next_state = S1;endS1: begin// State S1 behavioroutput = ~input;next_state = S2;endS2: begin// State S2 behavioroutput = 2'b11;next_state = S0;enddefault: begin// Default behavioroutput = 2'b00;next_state = S0;endendcaseendendmodule```在这个例子中，我们定义了一个状态机模块，它有一个时钟信号、一个复位信号、一个输入信号和一个输出信号。

基于Verilog 的有限状态机设计与优化1 引言在集成电路的设计过程中, 不论是使用FPGA还是ASIC 来实现, 有限状态机经常是作为一个电路设计的关键部分而出现的. 状态机的功能是否完善( 是否强壮型) 对整个电路会产生重大的影响.有限状态机主要有两种类型: Moore 型状态机和M ealy 型状态机. Moore 型状态机是指输出只与当前状态有关, 与输入信号无直接关系. 而Mealy 型状态机的输出不只与当前状态有关, 还与输入信号有关.文中以目前常用的硬件描述语言Verilog HDL 为基础, 对不同的状态机编码类型和状态机描述风格对状态机性能的影响进行了深入的分析. 分别使用Xilinx ISE 和Design Compiler 对实例进行了综合,分析了面积、速度与功耗的信息, 给出了对于不同类型状态机的最佳编码风格.2 状态机编码状态的编码方式最常用的有二进制码、格雷码和独热码三种, 不同的状态机编码方式对状态机的影响非常大. 如表1 所示.二进制的编码从第一个状态到最后一个状态是按二进制码的顺序排列的, 是一种最普通的编码方式.表1 不同的编码比较十进制码Binary code Gray code One- hot code0 000 000 00011 001 001 00102 010 011 01003 011 010 1000用格雷码进行状态的变换时, 相邻状态转换只有一个状态位发生翻转. 这样就可以消除转换时由多条状态信号线的传输延迟所造成的毛刺, 大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆可以降低功耗.one- hot 状态译码简单, 只有1 位是1 其他位为0, 易于修改, 可以减少组合逻辑, 但会使用更多的触发, 增加电路面积.Binary- code、Gray- code 编码使用最少的触发器, 较多的组合逻辑, 而One- hot 编码反之.因此, Binary 和Gray- code 适用于触发器资源较少, 组合电路资源丰富的情况( CPLD) , 对于FP GA 则更适用One- hot code, 因为这样可以充分利用FPGA 丰富的触发器资源. 另外, 小型设计通常使用Binary- code 和Gray- code, 对于大型的设计使用One- hot code 效果更佳.3 状态机的描述方法状态机的描述方法通常有三种: 一段式( one al ways) 、二段式( two always) 和三段式( three always) .3. 1 一段式一段式的状态机描述方法是指将整个状态机写到一个alw ays 模块里, 该模块描述当前状态转移, 又描述状态的输入和输出.由于一段式的描述方法是给STATE 自身赋值, 所以本身就会引入一个周期的延时, 需要在设计中通过预计算考虑进去.一段式的描述方法所有输出都是寄存器输出的, 因此不会产生毛刺, 但是这种组合逻辑和时序逻辑都写到一起的方法是不可取的, 而且在描述当前状态的时候还要考虑到下一状态的输出. 这种描述方法可读性差、难于理解和维护, 不利于时许约束、功能更改及调试, 对于Mealy 型的状态机来说, 容易出现Latches.3. 2 二段式二段式的状态机描述方法是指使用两个always模块, 其中一个always 模块采用同步时序的方式描述当前状态和下一状态的转移, 另一个alw ays 模块采用组合逻辑来描述下一状态和输出向量的赋值.二段式的描述方法比一段式的更合理, 它更易于阅读、理解和维护, 更利于综合并优化代码. 但是它的缺点是第二个alw ays 块组合逻辑的输出会出现毛刺, 影响电路性能.3. 3 三段式三段式的状态机描述方法是由二段式发展而来的, 在二段式两个alw ays 的基础上又增加了一个alw ays 块来描述每个状态的输出, 用寄存器寄存了一拍, 达到同步输出的目的.需要注意的是, 增加的一级寄存器会引入一个周期的延时, 需要在设计中通过预计算考虑进去, 避免逻辑发生错误. 这样一级寄存器的引入, 也就形成了FSMs 输入逻辑的一级流水.引入了组合逻辑寄存, 输出同步不仅会带来运行性能的提升, 还会增加系统的稳定性, 防止输出信号出现毛刺, 防止组合回路的产生.4 实例分析下面以一个简单红绿灯状态转移为例进行分析, 当RESET 信号给出以后进入IDEL 状态, 之后状态机的描述方法通常有三种: 一段式( one al 进入RED 状态, 之后进入GREEN 状态, 之后进入YELLOW 状态, 最后回到RED 状态. Default 时进入IDEL 状态.一4. 1 使用Xilinx ISE 进行分析在使用Xilinx ISE 对例子进行综合的时候, 右键点中综合软件, 选属性选型, 在HDL Options 中有一个优化选项为FSM Encoding Algorithm, 在其下拉菜单中选中AUTO( 默认项) , 工具就可以自动修改设计中的状态机的状态编码, 使其成为对FPGA 来说最优的编码风格.对于本设计来说, 由于只有4 个状态, 所以状态编码被优化成了Gray- code. 但是经过验证, 在状态较多的状态机设计中, 状态编码一般都被优化成One- hot code.通过表2, 对Xilinx ISE 的综合后报表进行分析可以看到, 由于one always 的状态机全部为时序电路,所以最大频率会比two alw ays 和three always 大.在面积方面, two always 型的状态机所占面积最小, three alw ays 稍大, 而one alw ays 型的状态机所用门数最多, 所占面积也最大.对于功耗来说, 使用Xilinx ISE 集成的Xpower进行功耗分析, 所得到的三种状态机编码风格的功耗并不存在明显差异.表2 Xilinx ISE 的综合结果使用门数最大频率one alw ays 8 313. 283MHztwo always 43 312. 891MHzthree alw ays 67 312. 891MHz4. 2 使用Design Compiler 进行分析在使用Design Complier 对所举实例进行分析话时, 分别选取了1always& binary、1always& one - hot、2always& binary、2alw ays& one - hot 、3alw ays& binary、3always& one- hot 等6 种设计, 每个设计分别设定了2 个时钟周期( . ns 和7ns) 进行分析. 综合得到的面积和延时的结果按顺序标在图2、图3 中. 表3、表4 给出了详细的数据.由图2 可见, 2alw ays 在面积上具有明显优势,其次是3alw ays. 由图3 对时序的分析可见, 2alw ays也是具有一定的优势.比较使用Design Compiler 和Xilinx ISE 的综合结果可以发现, 不论是使用FPGA 还是ASIC, tw oalw ays 所占面积总是最小的, 其次是three alw ays,而one alw ays 所占面积最大. 这主要是由于one alw ays 的状态机全部为时序电路, 所以花费的面积最大, three alw ays 由于多采用一级寄存器同步, 所以所花费的面积比two always 的要大一些.5 比较分析通过以上分别使用Xilinx ISE 和Design Compiler 对实例进行的分析, 可见two alw ays 的编码风格存在巨大的优势. 因为Moore 型的状态机输出只有状态寄存器驱动, 状态机所受影响差异不会很大,所以建议对Moore 型状态机采用two alw ays 的编码风格.而Mealy 型状态机, 输出不只与当前状态有关,还与输入信号有关, 输出是组合逻辑的输出, 这样在每个STATE 中产生的信号复杂而且有不同的timeskew , 如果信号直接输出而不引用寄存器同步的话, 在高频的电路中很可能会导致时序上的错误. 所以建议使用three alw ays 风格, 将输出同步一拍.对于one alw ays 的风格, 虽然在一些开源的IP盒中经常见到, 但是通过以上的分析, 可以发现这种状态及描述风格存在着巨大的缺陷.至于状态编码的使用, 对于FPGA 来说建议使用工具自动优化状态机的状态编码, 而对于ASIC 来说, 建议在小型设计中使用Binary- code 和Gray code, 而对于大型的设计则使用One- hot code.6 结束语文中结合了一个Verilog HDL 的实例, 对三种不同的状态机编码和状态机描述方式进行了深入的研究, 分析了其各自的优缺点. 并分别使用Xilinx ISE 和Design Compiler 对一个实例进行了综合, 对面积、速度与功耗进行了分析. 结果表明one alw ays的写法需要被摒弃, two alw ays 的编码风格适合Moore 型状态机, 而three always 的编码风格适合Mealy 型状态机. 文中同时也给出了适合不同设计的最优状态编码。

利用V e r i l o g H D L设计状态机(共4页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--利用Verilog HDL设计状态机1.设计要求利用Verilog HDL设计一个电路，对输入的一串二进制数，用于检测序列中连续3个或者3个以上的1，状态转换如图所示：2.设计步骤第一步：安装Quartus II软件并破解第二步：根据设计要求编写程序代码第三步：生成仿真电路图和波形如图3.程序代码module moore(clk,din,op);input clk,din;output op;reg[1:0] current_state,next_state;reg op;parameter S0=2'b00,S1=2'b01,S2=2'b10,S3=2'b11;always@(posedge clk)begincurrent_state<=next_state; endalways@(current_state or din) begincase(current_state)S0:beginop=0;if(din==0)next_state=S0;elsenext_state=S1; endS1:beginop=0;if(din==0)next_state=S0;elsenext_state=S2; endS2:beginop=0;if(din==0)next_state=S0;elsenext_state=S3; endS3:beginop=1;if(din==0)next_state=S0;elsenext_state=S3; enddefault:beginop=0;next_state=S0;endendcaseendendmodule4.仿真电路图和波形图电路图如下图：图一电路原理图图二转换关系图波形图如下图：波形图5.实验结论与心得体会实验结果：由仿真波形可以看出，利用该状态机，可以实现输入一串二进制数然后检测序列中连续3个或者3个以上的1，实现上面转换图要求的功能，符合实验要求。

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 8module freq_div_even(clk_in,reset,clk_out);input clk_in;input reset;output clk_out;reg clk_out;reg[2:0] count;initialbegincount=0;clk_out=0;endalways@(posedge clk_in)beginif(!reset)begincount<=0;clk_out<=0;endelseif(count==(`div_en/2-1))beginclk_out<=~clk_out;count<=0;endelsebegincount<=count+1;endendendmodule下面定义N为8,对一个脉冲8分频,测试程序如下:`timescale 1ns/1nsmodule 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));initialbeginreset=0;clk_in=0;#5 reset=1;endalways #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。

verilog三段式
Verilog的三段式（Three-Level Hierarchy）是一种组织和设计Verilog代码的结构方法，它将代码分成三个级别，以实现模块化和可重用性。

这些级别分别是顶层（Top-level）、中层（Intermediate-level）和底层（Low-level），每个级别都有不同的功能和目的。

1.顶层（Top-level）：顶层是整个设计的最高级别，它组织和
连接所有的模块，包括顶层模块和其它外部模块。

在这个层次上，你可以定义主要的模块和其它全局信号，处理模块之间的接口和通信。

通常，顶层模块是设计的入口点，在这里实例化和连接所有的子模块。

2.中层（Intermediate-level）：中层是中间级别的模块，它们被
实例化在顶层模块中使用。

这些模块可以是包含顶层模块的主要子模块，也可以是一些复杂的功能模块。

在中层模块中，你可以定义局部信号和局部逻辑，用来实现特定的功能或任务。

这些模块有助于模块化和简化设计，提高代码的可读性和可维护性。

3.底层（Low-level）：底层是最低级别的模块，在中层模块中
被实例化和使用。

它们通常是具体的基础模块，实现了基本的功能和操作。

这些模块可以是逻辑门、寄存器、计数器等，也可以是包含简单组合逻辑的小模块。

底层模块通常是最基本的构建块，在设计中提供了底层的功能和细节。

按照这种三段式的组织方式，可以将设计分成几个层次，使代码模块化、结构清晰，并且方便维护和重用。

每个级别都负责不同的任务和功能，遵循了"自顶向下"的设计原则，让整个设计变得更加可靠和可管理。

有限状态机的verilog例子有限状态机（Finite State Machine, FSM）是数字电路设计中的一种基本构件，它可以用来实现各种复杂的控制逻辑。

在Verilog中，可以用模块（module）来描述一个有限状态机，使用参数（parameters）来定义状态数量和状态转移逻辑。

以下是一个简单的有限状态机的Verilog例子，该FSM有3个状态（S0, S1, S2）和两个输入（clk, rst_n）以及一个输出（next_state, out）：```verilogmodule fsm(input wire clk, // 时钟信号input wire rst_n, // 低电平复位信号input wire [1:0] in, // 输入信号，这里位宽为2，可以扩展output reg next_state, // 下一状态输出output reg out // 输出信号);// 状态参数parameter S0 = 2'b00;parameter S1 = 2'b01;parameter S2 = 2'b10;// 状态寄存器reg [1:0] state;// 状态转移逻辑always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n) begin// 当处于复位状态时，状态寄存器和输出都初始化为0state <= S0;out <= 1'b0;end else begin// 根据当前状态和输入信号，更新下一状态和输出case (state)S0: beginnext_state <= S1;out <= 1'b1;endS1: beginnext_state <= S2;out <= 1'b0;endS2: beginnext_state <= S0;out <= 1'b1;enddefault: beginnext_state <= S0;out <= 1'b0;endendcaseendendendmodule```在这个例子中：- `clk` 是时钟信号。

Verilog三段式状态机格式1. 引言在数字电路设计领域，状态机是一种非常重要的设计工具，它能够描述系统在不同状态下的行为。

Verilog是一种硬件描述语言，可以用于描述数字电路的设计和验证。

其中，三段式状态机格式是一种常用的描述方式，本文将针对这一主题展开深入探讨。

2. 三段式状态机的定义三段式状态机包括状态寄存器、组合逻辑和next state逻辑。

状态寄存器用于存储系统的当前状态。

组合逻辑根据输入信号和当前状态计算出输出信号和下一个状态。

next state逻辑用于确定下一个状态的取值。

三段式状态机可以清晰地描述系统的状态转移关系，具有良好的可读性和可维护性。

3. 深入理解三段式状态机在实际应用中，三段式状态机格式能够很好地应对复杂的状态转移逻辑。

通过合理的状态定义和状态转移规则，可以实现高效、稳定的系统设计。

三段式状态机还有利于设计验证和仿真，能够有效减少错误的引入，并提高系统的可靠性。

4. 三段式状态机在Verilog中的应用在Verilog语言中，可以通过module和always语句来描述三段式状态机。

通过module定义状态寄存器和组合逻辑，明确定义输入、输出和状态变量。

通过always语句描述next state逻辑，根据输入信号和当前状态计算下一个状态的取值。

采用Verilog描述三段式状态机，能够有效提高设计的可移植性和可重用性。

5. 个人理解与观点三段式状态机格式作为一种强大的状态机描述方式，在数字电路设计中具有广泛的应用。

我个人认为，深入理解并灵活应用三段式状态机格式，对于提高数字电路设计的效率和质量具有重要意义。

通过对状态机转移关系的清晰描述，可以有效减少设计错误和优化系统性能。

6. 总结与回顾三段式状态机格式在Verilog语言中的应用具有重要价值。

通过本文的探讨，我对三段式状态机的概念和应用有了更深入的理解。

在今后的数字电路设计中，我将更加灵活地运用三段式状态机格式，以期实现更高效、可靠的系统设计。

verilog三段式写法-回复Verilog是一种硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL），用于硬件设计和验证。

它是一种具有结构化特点的编程语言，广泛应用于数字电路设计、芯片设计和系统级仿真。

在这篇文章中，我们将深入探讨Verilog的三段式写法，以及如何使用它进行硬件设计和验证。

一、Verilog的三段式写法简介Verilog的三段式写法是指使用三个不同的部分来描述硬件设计，即模块声明、端口声明和行为描述。

通过将硬件描述划分为这三个部分，可以使代码更加清晰、易读和易于维护。

1. 模块声明（Module Declaration）：模块声明是Verilog代码的第一部分，用于定义模块的名称和端口列表。

模块是硬件设计的基本单位，一个模块可以包含多个输入端口和输出端口，用于实现特定的功能。

2. 端口声明（Port Declaration）：端口声明是Verilog代码的第二部分，用于定义模块的输入和输出端口。

输入端口用于接收输入信号，输出端口用于产生输出信号。

端口声明中包含了端口的名称、方向（输入或输出）以及数据类型。

3. 行为描述（Behavioral Description）：行为描述是Verilog代码的第三部分，用于描述模块的行为、逻辑和功能。

行为描述可以使用组合逻辑和时序逻辑来实现各种硬件功能。

组合逻辑指的是基于输入信号产生输出信号的逻辑，而时序逻辑则表示基于时钟和状态的逻辑。

二、模块声明模块声明是Verilog代码的第一部分，用于定义模块的名称和端口列表。

模块声明的语法如下所示：module module_name (port_list);输入和输出信号的声明input [n:0] input_signal;output [m:0] output_signal;内部信号的声明wire [p:0] internal_signal;模块行为描述...endmodule在模块声明中，语句`module module_name(port_list);`定义了一个模块的名称和端口列表。