Verilog状态机 (verilog HDL)
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Verilog状态机
状态机作为时序逻辑电路的重要组成部分，在大型复杂系统中应用广泛。
其核心概念是“有限状态机”（FSM），强调状态转换在时钟作用下同步进行，且状态转换仅由输入信号决定。
状态机根据输出是否仅依赖当前状态分为Moore型和Mealy型。
Moore型状态机的输出与状态紧密相关，而Mealy型状态机的输出还考虑了输入信号。
状态机的每一个状态代表一个事件，状态跳转到下一事件使得系统“活”起来，正常运转。
状态机可以描述除相对论和量子力学外的任何事情，尤其适合描述有顺序或规律的事件，如计数器或微处理器。
在具体应用中，如设计可乐机，实现每次仅接受一枚1元硬币，且在投入3枚后可提供可乐。
完整的状态转移图需明确输入、输出和状态三个要素：输入决定是否转换状态及输出，输出是根据当前状态和输入决定的执行动作，状态由输入和上一状态共同决定。
在此背景下，Moore型状态机（输出仅依赖状态）和Mealy型状态机（输出考虑状态和输入）均可用于描述状态转移。
在实现过程中，状态转移图提供了状态机的逻辑框架。
状态编码使用独热码以优化资源利用，例如，3个状态使用3位变量，4个状态使用4位变量。
独热码的比较器优化使状态机在高速系统中运行更稳定，减少组合逻辑资源消耗。
二进制码或格雷码也可用于状态编码，格雷码在状态机设计中同样有效。
实现状态机的关键步骤包括端口列表、状态编码、状态变量定义、状态转移逻辑和输出逻辑。
端口列表明确输入和输出信号。
状态编码采用独热码以节省资源，并可能根据实际需求选择二进制码或格雷码。
状态变量的位宽取决于状态数量，例如3个状态需3位变量。
状态转移逻辑根据输入和当前状态确定下一状态，输出逻辑综合考虑输入和状态确定输出。
状态机的核心部分是状态转移和输出逻辑的实现。
新的二段式状态机方法简化了代码，使得设计者更加关注状态转移图，而非遵循固定的理论模型。
这种改进方法消除了组合逻辑可能产生的毛刺，减小了代码量，并易于实现，相比传统的状态机写法，更加直观和高效。
二段式状态机采用两个always块：一个用于描述状态转移，另一个用于输出逻辑。
这种方法不仅简化了代码结构，还提高了设计效率，适用于现代综合器的识别。
Verilog 状态机
状态机概述状态机，又称同步有限状态机，特点是状态跳转在时钟作用下进行，且状态数量有限。
适用场景包括时序电路，如自动售卖机、FPGA解码AD7606、FPGA控制AD5764模拟输出、FPGA解码BISS-C编码器。
根据输出原因，状态机分为Moore型和Mealy型，后者输出与输入和状态都相关，而前者仅与状态相关。
状态机在时序逻辑电路中起着至关重要的作用。
状态机功能描述与设计以按键控制LED灯亮灭为例，功能描述为电容按键按下5次，LED灯状态翻转。
设计模块时，需要输入、输出信号，如时钟(sys_clk)、复位信号(rst_n)、电容按键输入(key_touch)及LED状态输出。
设计状态转移图，明确输入、输出与状态之间的关系，实现完整功能。
绘制状态转移图与代码实现分析功能描述，确定输入、输出、状态，绘制状态转移图。
输入包括按键按下与未按下，输出为LED状态翻转与不变，状态为按键未按下、按下一次至五次。
根据这些要素绘制状态转移图，实现从初始状态到按键按下五次的LED状态翻转。
状态转移图清晰表示状态、输入、输出之间的关系，便于代码实现。
代码编写与板级验证编写代码实现状态机功能，可采用Moore型或Mealy型状态机，具体形式取决于输出与状态、输入之间的关系。
板级验证通过Signal Tap进行，确保状态机按照预期工作。
总结状态机设计的关键在于明确输入、状态、输出，绘制状态转移图。
Moore型状态机的输出与状态相关，而Mealy型状态机的输出与输入、状态都相关。
在代码实现中，通常采用两段式状态机，第一段描述状态转移，第二段描述输出，确保逻辑清晰、易于实现。
verilog语法学习2：完全掌握有限状态机的写法
有限状态机（FSM）是Verilog中一个核心概念。
本文将对这一概念进行梳理。
一、使用状态机的目的使用状态机是为了实现有序的逻辑操作。
由于Verilog编程通常在硬件平台上运行，而硬件平台支持并行执行。
然而，并非所有任务都适合并行执行，如泡茶过程就需要按顺序进行，因此，状态机通过状态转换来执行特定的顺序逻辑。
二、状态机的结构与分类状态机的四个要素包括：当前输入、当前状态、下一状态、当前输出值。
状态转换由外部输入（如时钟和当前输入）驱动。
根据输入不同，可分为Moore型和Mealy型两种状态机。
Moore型状态机的输出仅与当前状态有关，而Mealy型状态机的输出与当前状态和输入有关。
仿真结果显示，两者均可实现相同功能，但Mealy型状态机的输出与输入变化同步，而Moore型状态机的输出比输入晚一个时钟周期。
三、状态机的书写流程与要点在了解状态机结构和分类后，我们需要掌握其书写流程。
一般步骤包括：设计状态转移图、编写代码、仿真测试。
其中，格雷码和独热码编码方法需要特别注意。
四、状态机的书写方法常用的状态机书写方法包括一段式、两段式、三段式和特殊状态机。
三段式状态机最为推荐，其资源消耗适中，易于维护。
特殊状态机适用于高速状态机。
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