当前位置:网站首页>【深入浅出玩转FPGA学习4----漫谈状态机设计】
【深入浅出玩转FPGA学习4----漫谈状态机设计】
2022-07-02 07:29:00 【周猿猿】
状态机的基本概念
硬件设计很讲究并行设计思想,虽然用Verilog描述的电路大都是并行实现的,但是对于实际的工程应用,往往需要让硬件来实现一些具有一定顺序的工作,这就要用到状态机的思想。简单的说,状态机就是通过不同的状态迁移来完成一些特定的顺序逻辑。硬件的并行性决定了用Verilog描述的硬件实现(譬如不同的always语句)都是并行执行的,那么如果希望分多个时间完成一个任务,怎么办?也许可以用多个使能信号来衔接多个不同的模块,但是这样做多少显得有些繁琐。状态机的提出就会大大简化这一工作。
下面举一个SRAM控制的例子来说明状态机。如图所示,它表示了一个SRAM控制状态的变化
首先,在系统复位信号rst_n=0(复位有效)后,进入IDLE状态。每当rst_n=0(复位有效)时,都会保持在IDLE状态;当rst_n=1(复位完成),如果wr_req=1就进入WR_S1状态,如果rd_req=1就会进入RD_S1状态,否则保持IDLE状态不变。相应的,只要满足一定条件或者有时不需要任何条件,系统会在这些固定的状态间进行切换。这样做的好处在于每当需要操作SRAM时,其他模块只要发出一个wr_req或者rd_req信号(置高),系统就会进入相应状态并根据不同状态对SRAM的控制总线、地址总线和数据总线进行赋值。
构成状态机的基本要素是状态机的输入、输出和状态。输入就是一些引发状态变化的条件,比如图中的wr_req和rd_req的变化会引发状态的迁移,那么它们就是输入;输出就是状态变化后引起的变化,图中的控制总线、地址总线和数据总线的输出值就是由状态变化后引起的变化,状态就是IDLE、WR_S1、WR_S2等,它们一般是由一些逻辑值来表示。
状态机根据其状态变化是否与输入条件相关分为两类,即Moore型状态机和Mealy型状态机。Moore型状态机的状态变化仅和当前状态有关,而与输入条件无关;Mealy型状态机的状态变化不仅与当前的状态有关,还取决于当前的输入条件。
有些分类还会提出有限状态机(FSM)和无限状态机(ISM),但是实际设计中一般都指的是有限状态机。
三种不同状态机写法
状态机一般有三种不同的写法,即一段式、两段式和三段式的状态机写法,它们在速度、面积、代码可维护性等各个方面互有优劣。以下为SRAM控制状态机给出的三种不同的写法以及它们综合出的效果。wr_req和rd_req作为输入,cmd为输出,cstate、nstate为状态寄存器。
一段式状态机
一段式状态机代码如下:
reg[3:0] cstate;
always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
cstate <= IDLE;
cmd <= 3'b111;
end
else
case(cstate)
IDLE: if(wr_req) begin
cstate <= WR_S1;
cmd <= 3'b011;
end
else begin
cstate <= IDLE;
cmd <= 3'b111;
end
WR_S1: begin
cstate <= WR_S2;
cmd <= 3'b101;
end
WR_S2: begin
cstate <= IDLE;
cmd <= 3'b111;
end
RD_S1: if (wr_req) begin
cstate <= WR_S2;
cmd <= 3'b101;
end
else begin
cstate <= RD_S2;
cmd <= 3'b110;
end
RD_S2: if (wr_req) begin
cstate <= WR_S1;
cmd <= 3'b011;
end
else begin
cstate <= IDLE;
cmd <= 3'b111;
end
default: cstate <= IDLE;
endcase
end
一段式状态机RTL视图见图:
一段式状态机综合后资源使用报告:
两段式状态机
两段式状态机代码如下:
reg[3:0] cstate;
reg[3:0] nstate;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n) cstate <= IDLE;
else cstate <= nstate;
always @ (cstate or wr_req or rd_req) begin
case(cstate)
IDLE: if(wr_req) begin
nstate = WR_S1;
cmd = 3 'b011;
end
else if(rd_req) begin
nstate = RD_S1;
cmd = 3'b011;
end
else begin
nstate = IDLE;
cmd = 3'b111;
end
WR_S1: begin
nstate = WR_S2;
cmd = 3'b101;
end
WR_S2: begin
nstate = IDLE;
cmd = 3'b111;
end
RD_S1: if(wr_req) begin
nstate = WR_S2;
cmd = 3'b101;
end
else begin
nstate = RD_S2;
cmd = 3'b110;
end
RD_S2: if(wr_req) begin
nstate = WR_S1;
cmd = 3'b011;
end
else begin
nstate = IDLE;
cmd = 3'b111;
end
default: nstate = IDLE;
endcase
end
两段式状态机RTL视图见图:
两段式状态机综合后资源使用报告:
三段式状态机
三段式状态机代码如下:
reg[3:0] cstate;
reg[3:0] nstate;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n) cstate <= IDLE;
else cstate <= nstate;
always @ (cstate or wr_req or rd_req) begin
case(cstate)
IDLE: if(wr_req) nstate = WR_S1;
else if(rd_req) nstate = RD_S1;
else nstate = IDLE;
WR_S1: nstate = WR_S2;
WR_S2: nstate = IDLE;
RD_S1: if(wr_req) nstate = WR_S2;
else nastate = RD_S2;
RD_S2: if(wr_req) nstate = WR_S1;
else nstate = IDLE;
default: nstate = IDLE;
endcase
end
always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) cmd <= 3'b111;
else
case(nstate)
IDLE: if(wr_req) cmd <= 3'b011;
else if(rd_req) cmd <= 3'b011;
else cmd <= 3'b111;
WR_S1: cmd <= 3'b101;
WR_S2: cmd <= 3'b111;
RD_S1: if(wr_req) cmd <= 3'b101;
else cmd <= 3'b110;
RD_S2: if(wr_req) cmd <= 3'b011;
else cmd <= 3'b111;
default: ;
endcase
end
三段式状态机RTL视图见图:
三段式状态机综合后资源使用报告:
从上面的三个实例来看,一段式状态机似乎是一锅端,把所有逻辑(包括输入、输出、状态)都在一个always里解决了;这种写法看上去好像很简洁,但是往往不利于维护,也许这个实例中体现得还不那么明显,如果状态复杂一些就很容易出错了;这种写法一般不太推荐,但是在一些简单得状态机中还是可以使用的。两段式状态机是一种常用的写法,他把时序逻辑和组合逻辑划分开来,时序逻辑里进行当前状态和下一状态得切换,组合逻辑实现各个输入、输出以及状态判断;这种写法相对容易维护,不过组合逻辑输出较易出现毛刺等常见问题。三段式状态机写法也是一种比较推荐得写法,代码容易维护,时序逻辑得输出解决了两段式写法种组合逻辑得毛刺问题;但是从资源消耗上来讲,三段式得资源消耗多一些;另外,三段式从输入到输出比一段式和两段式会延时一个时钟周期。
边栏推荐
猜你喜欢
Special topic of binary tree -- acwing 1497 Traversal of the tree (use post and mid order traversal to build a binary tree)
华为游戏初始化init失败,返回错误码907135000
《实习报告》Skywalking分布式链路追踪?
Hdu1236 ranking (structure Sorting)
[visual studio] visual studio 2019 community version cmake development environment installation (download | install relevant components | create compilation execution project | error handling)
Jsp webshell Free from killing - The Foundation of JSP
Easyexcel, a concise, fast and memory saving excel processing tool
【AI应用】海康威视iVMS-4200软件安装
(五)APA场景搭建之挡位控制设置
【快应用】text组件里的文字很多,旁边的div样式会被拉伸如何解决
随机推荐
PCL projection point cloud
PCL extracts a subset from a point cloud
[SUCTF2018]followme
PCL eigen introduction and simple use
static 函数中的静态变量
使用sqlcipher打开加密的sqlite方法
VSCode工具使用
面对不确定性,供应链的作用
4. Random variables
JVM之垃圾回收器
Oracle notes
点云投影图片
Is the account above changtou school safe?
二叉树专题--AcWing 3384. 二叉树遍历(已知先序遍历 边建树 边输出中序遍历)
MySQL environment configuration
Retrofit's callback hell is really vulnerable in kotlin synergy mode!
二叉树专题--洛谷 P1229 遍历问题(乘法原理 已知前、后序遍历求中序遍历个数)
Start class, data analysis, high salary training plan, elite class
力扣(LeetCode)182. 查找重复的电子邮箱(2022.07.01)
Thanos Receiver