FPGA开发基础之三段式状态机

状态机由状态寄存器和组合逻辑电路构成，能够根据控制信号按照预先设定的状态进行状态转移，程序的运行其本质也是状态机，根据输入完成输出，得到新的状态。

在平时硬件电路的设计中经常需要用到状态机，例如CPU的取指、译码、执行，这个流程可以使用状态机来控制，相比于流水线能够有效的较少资源的消耗，再或者序列检测上，也可以使用状态机。

状态机有一段、二段、和三段式，三段式的写法复杂些，但是相比于两段式可以使输出信号由寄存器来驱动，能够有效的消除组合逻辑的不稳定与毛刺等隐患。

首先给出三段式状态机的通用形式:

三段式状态机

Mealy型（米勒型）三段式状态机

当前输出与当前状态和输入有关

parameter S0=3'b000,state1=3'b001,state2=3'b010,S3=3'b011;reg [2:0] current_state;
reg [2:0] next_state;//在第一个always块中只实现状态的迁移，将第二个always块中计算出的次态在时钟上升沿复制给current_state
always @(posedge clk or negedge rst_n)
beginif(!rst_n)begincurrent_state<=0;next_state<=0;endelsebegincurrent_state<=next_state;end
end//在第二个always块中计算next_state,使用组合逻辑来完成
always @(*)
begincase(current_state)S0:if(..) //当然此刻的if判断也能用三目运算法来实现，看上去会更便捷一些:next_state=S1;elsenext_state=S0;S1:if(..) next_state=state?;elsenext_state=state?;S2:if(..) next_state=state?;elsenext_state=state?;S3:if(..) next_state=state?;elsenext_state=state?;default:next_state=S0;endcase
end
//在第三个always块中计算输出,在满足什么情况下输出
always @(posedge clk or negedge rst_n)
beginif(!rst_n)beginsignal_out<=0;endelsebeginif(current_state==state?&&signal_in==?)signal_out<=1;elsesignal_out<=0;    end
end

Moore型（摩尔型）三段式状态机

当前输出仅仅与当前状态有关

parameter S0=3'b000,state1=3'b001,state2=3'b010,S3=3'b011;reg [2:0] current_state;
reg [2:0] next_state;//在第一个always块中只实现状态的迁移，将第二个always块中计算出的次态在时钟上升沿复制给current_state
always @(posedge clk or negedge rst_n)
beginif(!rst_n)begincurrent_state<=0;next_state<=0;endelsebegincurrent_state<=next_state;end
end//在第二个always块中计算next_state,使用组合逻辑来完成
always @(*)
begincase(current_state)S0:if(..) //当然此刻的if判断也能用三目运算法来实现，看上去会更便捷一些:next_state=S1;elsenext_state=S0;S1:if(..) next_state=state?;elsenext_state=state?;S2:if(..) next_state=state?;elsenext_state=state?;S3:if(..) next_state=state?;elsenext_state=state?;default:next_state=S0;endcase
end
//在第三个always块中计算输出,在满足什么情况下输出
always @(posedge clk or negedge rst_n)
beginif(!rst_n)beginsignal_out<=0;endelsebeginif(current_state==state?)signal_out<=1;elsesignal_out<=0;    end
end

两种三段式状态机的状态图会有区别

测试用例

接下来我们使用具体的场景来介绍两者不同

设计一个状态机，用来检测序列 10111，要求:

1、进行非重叠检测即101110111 只会被检测通过一次

2、寄存器输出且同步输出结果

信号示意图:

输入描述：

输入信号 clk rst data
类型 wire

输出描述：

输出信号 flag
类型 reg

首先第一件事就是画出状态转移，在此刻我们一定要注意到，flag是在检测完成的这一个周期拉高的，而不是下个周期

Mealy型（米勒型）状态图——输出与输入和现态有关

这个时候我们来解析这张图

复位之后当前状态是S0,假设在第一个时钟上升沿之前，data输入1，则通过第二个always组合逻辑块，会计算出next_state=S1,在第一个时钟上升沿，next_state=S1就会被赋值给current_state，也就是说从第一个上升沿之后到第二个上升沿之前，current会一直保持S1的状态。

假设在第一个上升沿之后到第二个上升沿之前，data输入变为了0，那么同理，组合逻辑会计算出新的next_state=S2，在第二个时钟上升沿倘若data不发生变化，则新的next_state会被赋值给current_state,从第二个上升沿之后到第三个上升沿之前，current会一直保持S2的状态。

假设在第二个上升沿之后到第三个上升沿之前，data输入变为了1，那么同理，组合逻辑会计算出新的next_state=S3，在第三个时钟上升沿倘若data不发生变化，则新的next_state会被赋值给current_state,从第三个上升沿之后到第四个上升沿之前，current会一直保持S3的状态。

假设在第三个上升沿之后到第四个上升沿之前，data输入变为了1，那么同理，组合逻辑会计算出新的next_state=S4，在第四个时钟上升沿倘若data不发生变化，则新的next_state会被赋值给current_state,从第四个上升沿之后到第五个上升沿之前，current会一直保持S4的状态。

假设在第四个上升沿之后到第五个上升沿之前，data输入变为了1，此时注意，前面我们谈到过，在这个题目中，在完成序列检测的这一个周期，flag就要拉高，此时我们需要第五个上升沿将flag拉高，因此需要在第三个always语句块中定位到这个时刻，也就是current_state= =S4&&data= =1，这也就是输出和现态以及输入都有关，之后current_state将变为S0,重新进行一轮新的检测。

`timescale 1ns/1nsmodule sequence_test1(input wire clk  ,input wire rst  ,input wire data ,output reg flag
);parameter S0=0,S1=1,S2=2,S3=3,S4=4,S5=5;reg [2:0] current_state;reg [2:0] next_state;always @(posedge clk or negedge rst)beginif(!rst)begincurrent_state<=0;next_state<=0;endelsebegincurrent_state<=next_state;endendalways @(*)begincase(current_state)S0:beginnext_state<=data==1?S1:S0;endS1:beginnext_state<=data==0?S2:S0;endS2:beginnext_state<=data==1?S3:S0;endS3:beginnext_state<=data==1?S4:S0;endS4:beginnext_state<=S0;endenddefault:nex_state<=S0;endcaseendalways @(posedge clk or negedge rst)beginif(!rst)beginflag<=0;endelsebeginif(current_state==S4&&data==1) flag<=1;elseflag<=0;endendendmodule

Moore型（摩尔型）状态图——输出只与现态有关

Moore型（摩尔型）状态机与米勒型稍有不同，下面我们尝试用摩尔状态机来解决这个问题

倘若在某个时钟上升沿时，当前current_state=S4时，此时若data=1，按照题目的要求，在这个上升沿结束之后flag就应该立刻拉高，而Moore型状态机的输出只与现态有关，在这个时刻current_state=S4,仅仅根据这个条件我们无法判断输出是0还是1，若将flag拉高了，但是data为0，那就是错误的，因此在当前时刻必须结合输入才能得出正确的输出，在下一个时钟上升沿，检测到current_state=S5时才能将flag拉高，这是才是正确的，因此Moore型状态机相比Mealy状态机会延迟一个周期。

代码如下

`timescale 1ns/1nsmodule sequence_test1(input wire clk  ,input wire rst  ,input wire data ,output reg flag
);parameter S0=0,S1=1,S2=2,S3=3,S4=4,S5=5;reg [2:0] current_state;reg [2:0] next_state;always @(posedge clk or negedge rst)beginif(!rst)begincurrent_state<=0;next_state<=0;endelsebegincurrent_state<=next_state;endendalways @(*)begincase(current_state)S0:beginnext_state<=data==1?S1:S0;endS1:beginnext_state<=data==0?S2:S0;endS2:beginnext_state<=data==1?S3:S0;endS3:beginnext_state<=data==1?S4:S0;endS4:beginnext_state<=data==1?S5:S0;endS5:beginnext_state<=S0;enddefault:nex_state<=S0;endcaseendalways @(posedge clk or negedge rst)beginif(!rst)beginflag<=0;endelsebeginif(current_state==S5) ,flag<=1;elseflag<=0;endendendmodule

修改后的Moore型（摩尔型）状态机

我们可以通过将判断条件改为next_state==S5，这种方式将输出提前一个周期，因为next_state本就是根据current_state和data得出的，所以提前一个周期用也无妨。

`timescale 1ns/1nsmodule sequence_test1(input wire clk  ,input wire rst  ,input wire data ,output reg flag
);parameter S0=0,S1=1,S2=2,S3=3,S4=4,S5=5;reg [2:0] current_state;reg [2:0] next_state;always @(posedge clk or negedge rst)beginif(!rst)begincurrent_state<=0;next_state<=0;endelsebegincurrent_state<=next_state;endendalways @(*)begincase(current_state)S0:beginnext_state<=data==1?S1:S0;endS1:beginnext_state<=data==0?S2:S0;endS2:beginnext_state<=data==1?S3:S0;endS3:beginnext_state<=data==1?S4:S0;endS4:beginnext_state<=data==1?S5:S0;endS5:beginnext_state<=S0;enddefault:nex_state<=S0;endcaseendalways @(posedge clk or negedge rst)beginif(!rst)beginflag<=0;endelsebeginif(next_state==S5) ,flag<=1;elseflag<=0;endendendmodule

这种方法相比于Mealy机多了一个状态S5