来自正点原子的学习笔记
我在学习的过程中会尽量把它和C语言进行比较，毕竟有较大的相似之处

RTL设计主要有组合电路和时序电路两个部分，还有一个非常重要的部分就是状态机，都应该熟练的掌握（刷题网站里都有对应的题目哦！~）

状态机是Verilog里非常常用的语法结构

状态机

1 状态机概念
- 1.1 引子
- 1.2 概念
2 状态机模型
3 状态机设计
- 3.1 状态空间定义
- 3.2 状态跳转（时序逻辑）
- 3.3 下个状态判断（组合逻辑）
- 3.4 各个状态下的动作
- 3.5 例子

1 状态机概念

1.1 引子

状态机非常适合在Verilog里实现一些顺序的逻辑（例子里的8023四个数字的输入和检测就是顺序逻辑）
而Verilog语言是并行的，不能像C语言一样顺序执行，因此采用状态机

从这个例子里我们能总结出状态机的概念

1.2 概念

状态机（State Machine）：
有限状态机（Finite State Machine，简称FSM）
在有限个状态之间按一定规律转换的时序电路。

2 状态机模型

下面介绍状态机的两个模型

状态寄存器由一组触发器组成，用来记忆状态机当前所处的状态，状态的改变只发生在时钟的跳变沿。

组合逻辑F 不仅与输入有关，还与 当前状态 有关（F是当前状态和输入信号的函数）。

状态机的输出是由 输出组合逻辑G 提供的，G也是当前状态和输入信号的函数。（“解锁”就是状态机的输出结果）
更准确的说，刚才的“电子门锁”的G输出不直接（不）受输入的影响（当然，都与当前状态直接相关）
应该是Moore状态机

3 状态机设计

设计状态机的方法：四段论(八股文啊哈哈，严格的写法)
1 状态空间定义
2 状态跳转
3 下个状态判断
4 各个状态下的动作

3.1 状态空间定义

（偏抽象）
编码方式一：

//define  state space                               //定义了一天的四种状态，这个集合统称为“状态空间”
parameter  SLEEP   = 2'b00;                         //对四个状态进行编码，因为Verilog只能处理二进制数
parameter  STUDY    = 2'b01;                        //用parameter来定义参数类型的数据
parameter  EAT          = 2'b10;                  //具体编码的值其实是无所谓的，顺序也是。
parameter  AMUSE    = 2'b11;                        //但是还是尽量按照状态跳转的顺序来编码// internal variable                                //定义储存状态的两个变量
reg     [1:0]   current_state;
reg     [1:0]   next_state;

编码方式二：独热码
：每个状态只有一个寄存器置位，译码逻辑简单

//define  state space
parameter  SLEEP   = 4'b1000;
parameter  STUDY    = 4'b0100;
parameter  EAT          = 4'b0010;
parameter  AMUSE    = 4'b0001;   ;                     // internal variable
reg     [3:0]   current_state;                       //状态位宽保持一致
reg     [3:0]   next_state;

3.2 状态跳转（时序逻辑）

// transition
always @（posedge  clk or negedge rst_n）beginif ( ! rst_n)current_state  <=  SLEEP;else current_state  <= next _state;            //时序逻辑里用非阻塞赋值，组合逻辑里用阻塞赋值
end

3.3 下个状态判断（组合逻辑）

“F是当前状态和输入信号的函数” 体现在 敏感列表上：

always @（current_state  or input_signals）begin
//此处也可以用*，将块语句的中的所有变量添加到敏感列表中去

latch是电平触发的一个锁存器，会影响整个电路的时序分析，应避免
产生情况：
1.有if没else
2.case表达式没完全（比如default）

3.4 各个状态下的动作

组合逻辑有两种表达方式
方式一：assign的赋值语句

// action
wire read_book;
assign read_book = (current_state ==STUDY)   ?   1'b1  : 1'b0          //条件运算符
//适用于输出信号不复杂

方式二：always 的组合语句

always @（current_stat）beginif (current_state == STUDY)read_book  =  1;else read_book  =  0;
end
//适用于输出信号复杂

3.5 例子

除去状态空间定义，剩下 状态跳转、下个状态判断、各个状态下的动作，三个部分
因此也叫三段式状态机

模块的端口声明
独热码来编码状态
s0没有位置置1，标明是初始状态

此处，状态空间定义完毕
///
下面开始三段式状态机

第一段：状态跳转(时序逻辑）

第二段：下个状态判断(组合逻辑）
至于当前状态有关，与输入无关

第三段：各个状态下的动作(时序逻辑）
虽然上文讲解的时候是组合逻辑但是在此处使用时序逻辑，还是有好处的
此处多了一个输出寄存器，多运用了一次时序逻辑，用于输出。

因此，三段式可以在组合逻辑后再增加一级寄存器来实现时序逻辑输出：
1.可以有效滤去组合逻辑输出的毛刺；
2.可以有效地进行时序计算与约束；
3.另外，对于总线形式的输出信号来说，容易使总线数据对齐，从而减小总线数据间的偏移（到达时间不同），减小接收端数据采样出错的频率。

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