Verilog-有限状态机设计说明

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。

章节课堂
7
3、主控组合过程
➢ 主控组合过程根据当前状态和外部的信号发出控制信号，
E
同时确定下一状态的走向。
D
A 技
术 • 在时钟的作用下，REG时序过程将次态信号的内容next_state传递
与
给现态信号current_state
应
• COM组合过程通过信号current_state中的状态值，进入相应的状态; • 在此状态中根据外部的信号（如state_inputs）向内或向外发出控制
应
reg [3: 0] comb_outputs;
用
parameter s0=0, s1=1, s2=2, s3=3, s4=4; //定义状态参数 reg [4: 0] c_st, next_state; //定义现态和次态的状态变量
always @ (posedge clk or negedge reset) begin//主控时序过程
D
或用于配合状态机工作的其他时序过程等。
A 例10-1
技
module FSM_EXP (clk, reset, state_inputs, comb_outputs);
术
input clk; input reset;
//状态机工作时钟 //状态机复位控制
与
input [0: 1] state_inputs;//来自外部的状态机控制信号 output [3: 0] comb_outputs;//状态机对外部发出的控制信号输出
用
以便下一个状态中向锁存 器锁入可靠的数据。
章节课堂
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例10-2 ：ADC0809采样控制
module ADC0809 (D, CLK, EOC, RST, ALE, START, OE, ADDA, Q,

begin
case( state )
state0:
out = 3'b001;
state1:
out = 3'b010;
state2:
out = 3'b100;
state3:
out = 3'b111;
default:
out = 3'b001;
endcase
end
endmodule
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8.2 有限状态机的Verilog描述
begin if(clr) qout<=0;
//异步复位
else case(qout)
3'b000: qout<=3'b001;
3'b001: qout<=3'b010;
3'b010: qout<=3'b011;
3'b011: qout<=3'b100;
3'b100: qout<=3'b000;
default: qout<=3'b000; /*default语句*/
state2 = 2’b11, state3 = 2’b10; // 格雷码
always @( posedge clk or posedge clr ) begin
if( clr ) state <= state0; // 定义初态 state <= next_state; end
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always @( state or start or step2 or step3 ) // 状态转换
EDA技术与应用
第八章 有限状态机设计
1

为什么要设计有限状态机？ 为什么要设计有限状态机？
10ns
clock t S1 S2 S3 t S4 t Sn t 开 关 t t
为什么要设计有限状态机？ 为什么要设计有限状态机？
如果我们能设计这样一个电路： 如果我们能设计这样一个电路： 1）能记住自己目前所处的状态 ； 2）状态的变化只可能在同一个时钟的跳变沿 时刻发生，而不可能发生在任意时刻； 时刻发生，而不可能发生在任意时刻； 3）在时钟跳变沿时刻，如输入条件满足，则 在时钟跳变沿时刻，如输入条件满足， 进入下一状态，并记住自己目前所处的状态， 进入下一状态，并记住自己目前所处的状态， 否则仍保留原来的状态； 否则仍保留原来的状态； 4）在进入不同的状态时刻，对系统的开关阵 在进入不同的状态时刻， 列做开启或关闭的操作。 列做开启或关闭的操作。
如果能严格以时钟跳变沿为前提，按排 如果能严格以时钟跳变沿为前提， 好时序， 好时序，来操作逻辑系统中每一个开关 Si，则系统中数据的流动和处理会按同 Si，则系统中数据的流动和处理会按同 一时钟节拍有序地进行 节拍有序地进行， 一时钟节拍有序地进行，避免了冒险和 竞争现象， 竞争现象，时延问题就能有效地加以解 决。 利用有限状态机就能产生复杂的以时钟 跳变沿为前提的同步时序逻辑， 跳变沿为前提的同步时序逻辑，并提供 操作逻辑系统的开关阵列所需要的复杂 具有信号无锁和先后次序等要求的）。 控制时序（具有信号无锁和先后次序等要求的）。
成的网络。常用的有：计数器、复杂的数据流动控制 成的网络。常用的有：计数器、 逻辑、运算控制逻辑、指令分析和操作控制逻辑。 逻辑、运算控制逻辑、指令分析和操作控制逻辑。同 步时序逻辑的设计是设计复杂的数字逻辑系统的核心。 步时序逻辑的设计是设计复杂的数字逻辑系统的核心。