verilog 有限状态机的基本概念和三种写法介绍

“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，这就要用到状态机思想。什么是状态机呢？简单的说，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（臂如不同的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繁琐。状态机的提出会大大简化这一工作。”

——特权同学《深入浅出玩转FPGA》

一、状态机分类：

1.Moore型：状态机的状态变化仅和当前状态有关（特权同学《深入浅出玩转FPGA》）；时序逻辑电路的输出只取决于当前状态（夏宇闻《Verilog数字系统设计》）。设计高速电路时常用此类状态机，把状态变化直接用作输出。

2.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（特权同学《深入浅出玩转FPGA》）；时序逻辑的输出不但取决于状态还取决于输入（夏宇闻《Verilog数字系统设计》）。平常使用较多的是此类状态机。

“其实这几种状态机之间，只要做一些改变，便可以从一种形式转变为另一种形式。把状态机精确的分为这类或那类，其实并不重要，重要的是设计者如何把握输出的结构能满足设计的整体目标，包括定时的准确性和灵活性。”

——夏宇闻《Verilog数字系统设计》

二、状态机编码：

状态机的参数定义采用的都是独热码，和格雷码相比，虽然独热码多用了触发器，但所用组合电路可以省一些，因而使电路的速度和可靠性有显著提高，而总的单元数并无显著增加。采用独热编码后有了多余的状态，就有一些不可达到的状态。为此在case语句的最后需要增加default分支向。这可以用默认项表示该项，也可以用确定项表示，以确保回到初始状态。一般综合器都可以通过综合指令的控制来合理地处理默认项。

三、实例分析

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，他们在速度、面积、代码可维护性等各个方面互有优劣，不要对任何一种写法给出“一棍子打死”的定论。手头上刚好有一个状态机的例子，借此记录一下三种状态机的Verilog写法。

要求：

售货机里有价值4元的脉动饮料，支持1元和2元硬币。请设计一个状态机，检测投入的硬币，当累计投入币值大于等于脉动价格时，售货机自动找零并弹出1瓶脉动饮料。硬币和商品都是一个一个的进出，不会出现一次性投很多个硬币弹出很多瓶脉动的情况。

信号	含义
clk	时钟信号
rst_n	复位信号
in	输入信号，币值，有1和2两种，投钱
out	输出信号，币值，有1和2两种，找零
out_vld	输出信号，脉动，为1则输出1瓶脉动

状态转移图：

根据要求，我们先把状态转移图画出来，绘画软件：Visio，如果没有安装也可以用wps自带应用的“流程图”功能：

testbench：

`timescale 1ns/1ps  //时间精度
`define    Clock 20 //时钟周期

module FSM_3_tb;
//--------------------< 端口 >------------------------------------------
reg                     clk                 ;
reg                     rst_n               ;
reg  [1:0]              in                  ;
wire [1:0]              out                 ;
wire                    out_vld             ;

//----------------------------------------------------------------------
//--   模块例化
//----------------------------------------------------------------------
FSM_3 u_FSM_3
(
    .clk                (clk                ),
    .rst_n              (rst_n              ),
    .in                 (in                 ),
    .out                (out                ),
    .out_vld            (out_vld            )
);

//----------------------------------------------------------------------
//--   状态机名称查看器
//----------------------------------------------------------------------
localparam S0           = 4'b0001           ;
localparam S1           = 4'b0010           ;
localparam S2           = 4'b0100           ;
localparam S3           = 4'b1000           ;
//2字符16位
reg [15:0]              state_name          ;

always@(*)begin
    case(u_FSM_3.state_c)
        S0:     state_name = "S0";
        S1:     state_name = "S1";
        S2:     state_name = "S2";
        S3:     state_name = "S3";
        default:state_name = "S0";
    endcase
end

//----------------------------------------------------------------------
//--   时钟信号和复位信号
//----------------------------------------------------------------------
initial begin
    clk = 1;
    forever
    #(`Clock/2) clk = ~clk;
end

initial begin
    rst_n = 0; #(`Clock*20+1);
    rst_n = 1;
end

//----------------------------------------------------------------------
//--   设计输入信号
//----------------------------------------------------------------------
initial begin
    #1;
    in = 0;
    #(`Clock*20+1); //初始化完成
//情况1--------------------------
    in = 1;         //1块钱
    #(`Clock*1);
    in = 0;
    #(`Clock*1);
    in = 1;         //1块钱
    #(`Clock*1);
    in = 0;
    #(`Clock*1);
    in = 1;         //1块钱
    #(`Clock*1);
    in = 0;
    #(`Clock*1);
    in = 1;         //1块钱
    #(`Clock*1);
    in = 0;
    #(`Clock*10);
//情况2--------------------------
    in = 1;         //1块钱
    #(`Clock*1);
    in = 0;
    #(`Clock*1);
    in = 1;         //1块钱
    #(`Clock*1);
    in = 0;
    #(`Clock*1);
    in = 1;         //1块钱
    #(`Clock*1);
    in = 0;
    #(`Clock*1);
    in = 2;         //2块钱
    #(`Clock*1);
    in = 0;
    #(`Clock*10);
//情况3--------------------------
    in = 1;         //1块钱
    #(`Clock*1);
    in = 0;
    #(`Clock*1);
    in = 1;         //1块钱
    #(`Clock*1);
    in = 0;
    #(`Clock*1);
    in = 2;         //2块钱
    #(`Clock*1);
    in = 0;
    #(`Clock*10);
//情况4--------------------------
    in = 1;         //1块钱
    #(`Clock*1);
    in = 0;
    #(`Clock*1);
    in = 2;         //2块钱
    #(`Clock*1);
    in = 0;
    #(`Clock*1);
    in = 2;         //2块钱
    #(`Clock*1);
    in = 0;
    #(`Clock*10);
//情况5--------------------------
    in = 2;         //2块钱
    #(`Clock*1);
    in = 0;
    #(`Clock*1);
    in = 2;         //2块钱
    #(`Clock*1);
    in = 0;
    #(`Clock*10);


    $stop;
end


endmodule

1. 一段式状态机

只定义一个转移状态：state，总体结构是一段always时序逻辑，用于描述状态转移和输出。

//======================================================================
// --- 名称 : FSM_1
// --- 作者 : xianyu_FPGA
// --- 日期 : 2018-12-15
// --- 描述 : 售货机练习，采用一段式状态机
//======================================================================

module FSM_1
//---------------------<端口声明>---------------------------------------
(
input                   clk                 ,
input                   rst_n               ,
input      [1:0]        in                  ,
output reg [1:0]        out                 ,
output reg              out_vld
);
//---------------------<信号定义>---------------------------------------
reg  [3:0]              state               ;
//---------------------<状态机参数>-------------------------------------
localparam S0           = 4'b0001           ;
localparam S1           = 4'b0010           ;
localparam S2           = 4'b0100           ;
localparam S3           = 4'b1000           ;

//----------------------------------------------------------------------
//--   状态机第1段
//----------------------------------------------------------------------
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)begin
        state   <= S0;
        out     <= 0 ;
        out_vld <= 0 ;
    end
    else begin
        case(state)
            S0: begin
                if(in==1)begin
                    state   <= S1;
                end
                else if(in==2)begin
                    state   <= S2;
                end
                else begin
                    out     <= 0 ;
                    out_vld <= 0 ;
                end
            end
            S1: begin
                if(in==1)begin
                    state   <= S2;
                end
                else if(in==2)begin
                    state   <= S3;
                end
            end
            S2: begin
                if(in==1)begin
                    state   <= S3;
                end
                else if(in==2)begin
                    state   <= S0;
                    out_vld <= 1 ;
                end
            end
            S3: begin
                if(in==1)begin
                    state   <= S0;
                    out_vld <= 1 ;
                end
                else if(in==2)begin
                    state   <= S0;
                    out     <= 1 ;
                    out_vld <= 1 ;
                end
            end
            default:state   <= S0;
        endcase
    end
end



endmodule

仿真波形如下：

结论：波形和预想一致！

2. 二段式状态机：

二段式状态机，第一段用时序逻辑描述state_c（现态）；第二段用组合逻辑描述状态转移（state_n（次态））和输出。由于是组合逻辑，为避免产生锁存器，else处一定要写上if 中未提到的情况。

//======================================================================
// --- 名称 : FSM_2
// --- 作者 : xianyu_FPGA
// --- 日期 : 2018-12-15
// --- 描述 : 售货机练习，采用二段式状态机
//======================================================================

module FSM_2
//---------------------<端口声明>---------------------------------------
(
input                   clk                 ,
input                   rst_n               ,
input      [1:0]        in                  ,
output reg [1:0]        out                 ,
output reg              out_vld
);
//---------------------<信号定义>---------------------------------------
reg  [3:0]              state_c             ;
reg  [3:0]              state_n             ;
//---------------------<状态机参数>-------------------------------------
localparam S0           = 4'b0001           ;
localparam S1           = 4'b0010           ;
localparam S2           = 4'b0100           ;
localparam S3           = 4'b1000           ;

//----------------------------------------------------------------------
//--   状态机第1段
//----------------------------------------------------------------------
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)
        state_c <= S0;
    else
        state_c <= state_n;
end

//----------------------------------------------------------------------
//--   状态机第2段
//----------------------------------------------------------------------
always@(*)begin
    case(state_c)
        S0: begin
            if(in==1)begin
                state_n = S1;
            end
            else if(in==2)begin
                state_n = S2;
            end
            else begin
                state_n = state_c;
                out     = 0 ;
                out_vld = 0 ;
            end
        end
        S1: begin
            if(in==1)begin
                state_n = S2;
            end
            else if(in==2)begin
                state_n = S3;
            end
            else begin
                state_n = state_c;
            end
        end
        S2: begin
            if(in==1)begin
                state_n = S3;
            end
            else if(in==2)begin
                state_n = S0;
                out_vld = 1 ;
            end
            else begin
                state_n = state_c;
                out_vld = 0;
            end
        end
        S3: begin
            if(in==1)begin
                state_n = S0;
                out_vld = 1 ;
            end
            else if(in==2)begin
                state_n = S0;
                out     = 1 ;
                out_vld = 1 ;
            end
            else begin
                state_n = state_c;
                out     = 0;
                out_vld = 0;
            end
        end
        default:state_n = S0;
    endcase
end


endmodule

仿真波形如下：

结论：波形和预想一致！但是产生了毛刺，这也是二段式状态机的缺点。

毛刺产生原因：状态机通常包含主控时序进程、主控组合进程和辅助进程三个部分。其中，主控组合进程的任务是根据外部输入的控制信号和当前状态的状态值确定下一 状态的取向，并确定对外输出内容和对内部其他组合或时序进程输出控制信号的内容。

一方面，由于有组合逻辑进程的存在，状态机输出信号会出现毛刺——竞争冒险现象；另一方面，如果状态信号是多位值的，则在电路中对应了多条信号线。由于存在传输延迟，各信号线上的值发生改变的时间则存在先后，从而使得状态迁移时在初始状态和目的状态之间出现临时状态——毛刺。

简单理解为：state_n会因为组合逻辑原因不断出现临时状态，这些状态是无效的，而输出也因为组合逻辑原因产生这些临时状态，即毛刺。

3. 三段式状态机：

三段式状态机，第一段用时序逻辑描述state_c（现态）；第二段用组合逻辑描述状态转移，也即确定state_n（次态）；第三段用时序逻辑描述输出，第三段可以是多个always块。

//======================================================================
// --- 名称 : FSM_3
// --- 作者 : xianyu_FPGA
// --- 日期 : 2018-12-15
// --- 描述 : 售货机练习，采用三段式状态机
//======================================================================

module FSM_3
//---------------------<端口声明>---------------------------------------
(
input                   clk                 ,
input                   rst_n               ,
input      [1:0]        in                  ,
output reg [1:0]        out                 ,
output reg              out_vld
);
//---------------------<信号定义>---------------------------------------
reg  [3:0]              state_c             ;
reg  [3:0]              state_n             ;
//---------------------<状态机参数>-------------------------------------
localparam S0           = 4'b0001           ;
localparam S1           = 4'b0010           ;
localparam S2           = 4'b0100           ;
localparam S3           = 4'b1000           ;

//----------------------------------------------------------------------
//--   状态机第1段
//----------------------------------------------------------------------
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)
        state_c <= S0;
    else
        state_c <= state_n;
end

//----------------------------------------------------------------------
//--   状态机第2段
//----------------------------------------------------------------------
always @(*)begin
    case(state_c)
        S0: begin
            if(in==1)
                state_n = S1;
            else if(in==2)
                state_n = S2;
            else
                state_n = state_c;
        end
        S1: begin
            if(in==1)
                state_n = S2;
            else if(in==2)
                state_n = S3;
            else
                state_n = state_c;
        end
        S2: begin
            if(in==1)
                state_n = S3;
            else if(in==2)
                state_n = S0;
            else
                state_n = state_c;
        end
        S3: begin
            if(in==1 || in==2)      // in != 0也行
                state_n = S0;
            else
                state_n = state_c;
        end
        default:state_n = S0;
    endcase
end

//----------------------------------------------------------------------
//--   状态机第3段
//----------------------------------------------------------------------
//找零钱
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)
        out <= 0;
    else if(state_c==S3 && in==2)
        out <= 1;
    else
        out <= 0;
end

//输出脉动
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(rst_n==1'b0)
        out_vld <= 0;
    else if((state_c==S2 && in==2) || (state_c==S3 && in!=0))
        out_vld <= 1;
    else
        out_vld <= 0;
end


endmodule

仿真波形如下：

结论：波形和预想一致！这也是较多书籍推荐的写法。

4. 一段式和三段式结合的状态机（by 威三学院FPGA教程）

V3学院状态机，只定义一个转移状态：state。第一段用时序逻辑描述state状态转移，第二段用时序逻辑描述输出，第二段可以是多个always块。由于是时序逻辑能够自动保持，所以可以省略else。这种状态机的优点是既消除了组合逻辑可能产生的毛刺，又减少了代码量。

//======================================================================
// --- 名称 : FSM_V3
// --- 作者 : xianyu_FPGA
// --- 日期 : 2019-06-12
// --- 描述 : 售货机练习，采用V3学院的状态机
//======================================================================

module FSM_V3
//---------------------<端口声明>---------------------------------------
(
input                   clk                 ,
input                   rst_n               ,
input      [1:0]        in                  ,
output reg [1:0]        out                 ,
output reg              out_vld
);
//---------------------<信号定义>---------------------------------------
reg  [3:0]              state               ;
//---------------------<状态机参数>-------------------------------------
localparam S0           = 4'b0001           ;
localparam S1           = 4'b0010           ;
localparam S2           = 4'b0100           ;
localparam S3           = 4'b1000           ;

//----------------------------------------------------------------------
//--   状态机
//----------------------------------------------------------------------
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)
        state <= S0;
    else begin
        case(state)
            S0: begin
                if(in==1)
                    state <= S1;
                else if(in==2)
                    state <= S2;
            end
            S1: begin
                if(in==1)
                    state <= S2;
                else if(in==2)
                    state <= S3;
            end
            S2: begin
                if(in==1)
                    state <= S3;
                else if(in==2)
                    state <= S0;
            end
            S3: begin
                if(in==1 || in==2)      // in != 0也行
                    state <= S0;
            end
            default:state <= S0;
        endcase
    end
end

//----------------------------------------------------------------------
//--   输出
//----------------------------------------------------------------------
//找零钱
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)
        out <= 0;
    else if(state==S3 && in==2)
        out <= 1;
    else
        out <= 0;
end

//输出脉动
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(rst_n==1'b0)
        out_vld <= 0;
    else if((state==S2 && in==2) || (state==S3 && in!=0))
        out_vld <= 1;
    else
        out_vld <= 0;
end


endmodule

仿真波形如下：

结论：波形和预想一致！