当前位置: 首页 > news >正文

基于Verilog HDL的状态机描述方法

⭐本专栏针对FPGA进行入门学习,从数电中常见的逻辑代数讲起,结合Verilog HDL语言学习与仿真,主要对组合逻辑电路与时序逻辑电路进行分析与设计,对状态机FSM进行剖析与建模。
🔥文章和代码已归档至【Github仓库:hardware-tutorial】,需要的朋友们自取。或者关注公众号【AIShareLab】,回复 FPGA 也可获取。

文章目录

    • 状态图的建立过程
    • 状态图描述方法
      • 单个always块描述状态机的方法(尽量避免)
      • 两个always块描述状态机的方法(推荐写法)
      • 使用三个always块分别描述
      • 三种描述方法比较

状态图的建立过程

设计一个序列检测器电路。功能是检测出串行输入数据Sin中的4位二进制序列0101(自左至右输入),当检测到该序列时,输出Out=1;没有检测到该序列时,输出Out=0。(注意考虑序列重叠的可能性,如010101,相当于出现两个0101序列)。

解:首先,确定采用米利型状态机设计该电路。因为该电路在连续收到信号0101时,输出为1,其他情况下输出为0,所以采用米利型状态机。

其次,确定状态机的状态图。根据设计要求,该电路至少应有四个状态,分别用S1、S2、S3、S4表示。若假设电路的初始状态用S0表示,则可用五个状态来描述该电路。根据分析,可以画出图(a)所示的原始状态图。

观察该图可以看出,S2、S4为等价状态,可用S2代替S4,于是得到简化状态图。

然后,根据上面的状态图给出该状态机的输出逻辑。该状态机只有一个输出变量Out,其输出逻辑非常简单,直接标注在状态图中了。若输出变量较多,则可以列出输出逻辑真值表。

最后,就可以使用硬件描述语言对状态图进行描述了。

状态图描述方法

利用Verilog HDL语言描述状态图主要包含四部分内容:

  1. 利用参数定义语句parameter描述状态机中各个状态的名称,并指定状态编码。例如,对序列检测器的状态分配可以使用最简单的自然二进制码,其描述如下:

    parameter  S0=2'b00, S1=2'b01, S2 = 2'b10, S3 = 2'b11;
    

    或者,

    parameter [1:0] S0=2'b00, S1=2'b01, S2 = 2'b10, S3 = 2'b11;
    
  2. 用时序的always 块描述状态触发器实现的状态存储。

  3. 使用敏感表和case语句(也可以采用if-else等价语句)描述的状态转换逻辑。

  4. 描述状态机的输出逻辑。

描述状态图的方法多种多样,下面介绍几种:

单个always块描述状态机的方法(尽量避免)

用一个always块对该例的状态机进行描述,其代码如下:

module Detector1 ( Sin, CP, nCR, Out) ;input Sin, CP, nCR;    //声明输入变量output Out ;                //声明输出变量reg Out; reg [1:0] state;  
// 声明两个状态触发器变量state[1]和state[0],记忆电路现态
//The state labels and their assignments
parameter [1:0] S0=2'b00, S1=2'b01, S2 = 2'b10, S3 = 2'b11;
always @(posedge CP or negedge nCR)   
begin
if (~nCR)
state <= S0;  //在nCR跳变为0时,异步清零
elsecase(state) S0: begin Out =1’b0; state <= (Sin==1)? S0 : S1; endS1: begin Out = 1’b0; state <= (Sin==1)? S2 : S1; endS2: begin Out = 1’b0; state <= (Sin==1)? S0 : S3; end	  S3: if (Sin==1)  begin Out =1’b1; state <=  S2; endelse               begin Out =1’b0; state <= S1; end               	endcase
end
endmodule

严格地说,对序列检测器电路用单个always块的描述方法所描述的逻辑存在着一个隐含的错误,即输出信号Out的描述。

case语句中对输出向量的赋值应是下一个状态输出,这点易出错;状态向量与输出向量都由寄存器实现,面积大,不能实现异步米勒状态机。因此,单个always块描述状态机的写法仅仅适用于穆尔型状态机。单个always块写法的电路结构框图可以用下图进行概括。

两个always块描述状态机的方法(推荐写法)

用两个always块对该例的状态机进行描述,其代码如下:

module  Detector2 ( Sin, CP, nCR, Out) ;
input Sin, CP, nCR;    //定义输入变量
output Out ;                //定义输出变量
reg Out; 
reg [1:0] Current_state, Next_state;
parameter [1:0] S0=2'b00, S1=2'b01, S2 = 2'b10, S3 = 2'b11;
//状态转换,时序逻辑always @(posedge CP or negedge nCR ) 
begin
if (~nCR)Current_state <= S0;   //异步清零
elseCurrent_state <= Next_state; //在CP上升沿触发器状态翻转end//下一状态产生和输出信号,组合逻辑
always @( Current_state or Sin) begin	Next_state =2’bxx;                                                                                                                                                                                                                      Out=1’b 0;case(Current_state )S0: begin Out =1’b0; Next_state = (Sin==1)? S0 : S1; endS1: begin Out =1’b0; Next_state = (Sin==1)? S2 : S1; endS2: begin Out =1’b0; Next_state = (Sin==1)? S0 : S3; end	 S3: if (Sin==1)begin Out =1’b1; Next_state = S2; endelsebegin Out =1’b0; Next_state = S1; end	  endcaseend	endmodule

用两个always块描述状态机的写法是值得推荐的方法之一,两个always块写法的电路结构框图可以用下图进行概括。

两个always块写法的电路结构框图概括。

第一个always模块采用同步时序逻辑方式描述状态转移(中间方框); 第二个always模块采用组合逻辑方式描述状态转移规律(第一个方框)和描述电路的输出信号(第三个方框)。

使用三个always块分别描述

即第一个always模块采用同步时序逻辑方式描述状态转移(中间方框); 第二个always模块采用组合逻辑方式描述状态转移规律(第一个方框); 第三个always模块描述电路的输出信号,在时序允许的情况下,通常让输出信号经过一个寄存器再输出,保证输出信号中没有毛刺。

用三个always块对该例的状态机进行描述,其代码如下:

module  Detector3 ( Sin, CP, nCR, Out) ;input Sin, CP, nCR;    //定义输入变量output Out ;                //定义输出变量reg Out; reg [1:0] Current_state, Next_state;parameter [1:0] S0=2'b00, S1=2'b01, S2 = 2'b10, S3 = 2'b11;
//状态转换,时序逻辑
always @(posedge CP or negedge nCR )beginif (~nCR)Current_state <= S0;                 //异步清零elseCurrent_state <=  Next_state; //在CP上升沿触发器状态翻转end //下一状态产生,组合逻辑
always @( Current_state or Sin) begin	Next_state =2’bxx;                                                                                                                                                                                                                      case(Current_state )S0: begin Next_state = (Sin==1)? S0 : S1; endS1: begin Next_state = (Sin==1)? S2 : S1; endS2: begin Next_state = (Sin==1)? S0 : S3; end	 S3: if (Sin==1)begin Next_state = S2; endelsebegin Next_state = S1; end	  endcaseend	/* 输出逻辑: 让输出信号经过一个寄存器再输出,可以消除Out信号中的毛刺,时序逻辑*/
always @ (posedge CP or negedge nCR )beginif (~nCR)    Out <= 1’b 0;else begin case(Current_state )S0, S1, S2:          Out <= 1’b0;	 S3:               if (Sin==1)  Out <= 1’b1; else             Out <= 1’b0; endcaseend	end	
endmodule

三种描述方法比较

1-always2-always3-always
结构化设计
代码编写/理解不宜,理解难
输出信号寄存器输出组合逻辑输出寄存器输出
不产生毛刺产生毛刺不产生毛刺
面积消耗最小
时序约束不利有利有利
可靠性、可维护性较高最高
后端物理设计不利有利有利

参考文献:

  1. Verilog HDL与FPGA数字系统设计,罗杰,机械工业出版社,2015年04月
  2. Verilog HDL与CPLD/FPGA项目开发教程(第2版), 聂章龙, 机械工业出版社, 2015年12月
  3. Verilog HDL数字设计与综合(第2版), Samir Palnitkar著,夏宇闻等译, 电子工业出版社, 2015年08月
  4. Verilog HDL入门(第3版), J. BHASKER 著 夏宇闻甘伟 译, 北京航空航天大学出版社, 2019年03月

相关文章:

基于Verilog HDL的状态机描述方法

⭐本专栏针对FPGA进行入门学习&#xff0c;从数电中常见的逻辑代数讲起&#xff0c;结合Verilog HDL语言学习与仿真&#xff0c;主要对组合逻辑电路与时序逻辑电路进行分析与设计&#xff0c;对状态机FSM进行剖析与建模。 &#x1f525;文章和代码已归档至【Github仓库&#xf…...

6年软件测试经历:成长、迷茫、奋斗

前言 测试工作6年&#xff0c;经历过不同产品、共事过不同专业背景、能力的同事&#xff0c;踩过测试各种坑、遇到过各种bug。测试职场生涯积极努力上进业务和技术能力快速进步过、也有努力付出却一无所得过、有对测试生涯前景充满希望认为一片朝气蓬勃过、也有对中年危机思考不…...

OpenMMLab AI实战营第五次课程

语义分割与MMSegmentation 什么是语义分割 任务&#xff1a; 将图像按照物体的类别分割成不同的区域 等价于&#xff1a; 对每个像素进行分类 应用&#xff1a;无人驾驶汽车 自动驾驶车辆&#xff0c;会将行人&#xff0c;其他车辆&#xff0c;行车道&#xff0c;人行道、交…...

【软考】系统集成项目管理工程师(二十)项目风险管理

一、项目风险管理概述1. 风险概念2. 风险分类3. 风险成本二、项目风险管理子过程1. 规划风险管理2. 识别风险3. 实施定性风险分析4. 实施定量风险分析5. 规划风险应对6. 控制风险三、项目风险管理流程梳理一、项目风险管理概述 1. 风险概念 风险是一种不确定事件或条件,一旦…...

2017-PMLR-Neural Message Passing for Quantum Chemistry

2017-PMLR-Neural Message Passing for Quantum Chemistry Paper: https://arxiv.org/pdf/1704.01212.pdf Code: https://github.com/brain-research/mpnn 量子化学的神经信息传递 这篇文献作者主要是总结了先前神经网络模型的共性&#xff0c;提出了一种消息传递神经网络&am…...

Python:每日一题之全球变暖(DFS连通性判断)

题目描述 你有一张某海域 NxN 像素的照片&#xff0c;"."表示海洋、"#"表示陆地&#xff0c;如下所示&#xff1a; ....... .##.... .##.... ....##. ..####. ...###. ....... 其中"上下左右"四个方向上连在一起的一片陆地组成一座岛屿…...

企业级安全软件装机量可能大增

声明 本文是学习大中型政企机构网络安全建设发展趋势研究报告. 而整理的学习笔记,分享出来希望更多人受益,如果存在侵权请及时联系我们 研究背景 大中型政企机构是网络安全保护的重中之重&#xff0c;也是国内网络安全建设投入最大&#xff0c;应用新技术、新产品最多的机构…...

为什么要用频谱分析仪测量频谱?

频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器&#xff0c;用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量&#xff0c;可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数&#xff0c;是一种多用途的电子测量仪器。从事通信工程的技术人员&#xff0c;在很多时候…...

Python环境搭建、Idea整合

1、学python先要下载什么&#xff1f; 2、python官网 3、idea配置Python 4、idea新建python 学python先要下载什么&#xff1f; python是一种语言&#xff0c;首先你需要下载python&#xff0c;有了python环境&#xff0c;你才可以在你的电脑上使用python。现在大多使用的是pyt…...

HTTP请求返回304状态码以及研究nginx中的304

文章目录1. 引出问题2. 分析问题3. 解决问题4. 研究nginx中的3044.1 启动服务4.2 ETag说明4.3 响应头Cache-Control1. 引出问题 之前在调试接口时&#xff0c;代码总出现304问题&#xff0c;如下所示&#xff1a; 2. 分析问题 HTTP 304: Not Modified是什么意思&#xff1f; …...

【GD32F427开发板试用】使用Arm-2D显示电池电量

本篇文章来自极术社区与兆易创新组织的GD32F427开发板评测活动&#xff0c;更多开发板试用活动请关注极术社区网站。作者&#xff1a;boc 【虽迟但到】 由于快递的原因&#xff0c;11月份申请的&#xff0c;12月1日才收到GD32F427开发板。虽然姗姗来迟&#xff0c;但也没有减少…...

TS第二天 Typesrcipt编译

文章目录自动编译tsconfig.json配置选项include 比较重要excludeextendsfilescompilerOptions 比较重要自动编译 手动模式&#xff1a;每次ts文件修改完&#xff0c;手动编译一次 tsc 01.ts监视模式&#xff1a;ts文件修改完&#xff0c;自动监视编译 tsc 01.ts -w编译所有文…...

基于C#制作一个飞机大战小游戏

此文主要基于C#制作一个飞机大战游戏&#xff0c;重温经典的同时亦可学习。 实现流程1、创建项目2、界面绘制3、我方飞机4、敌方飞机5、子弹及碰撞检测实现流程 1、创建项目 打开Visual Studio&#xff0c;右侧选择创建新项目。 搜索框输入winform&#xff0c;选择windows窗体…...

git修改历史提交(commit)信息

我们在开发中使用git经常会遇到想要修改之前commit的提交信息&#xff0c;这里记录下怎么使用git修改之前已经提交的信息。一、修改最近一次commit的信息 首先通过git log查看commit信息。 我这里一共有6次commit记录。 最新的commit信息为“Merge branch ‘master’ of https:…...

代码解析工具cpg

cpg 是一个跨语言代码属性图解析工具&#xff0c;它目前支持C/C (C17), Java (Java 13)并且对Go, LLVM, python, TypeScript也有支持&#xff0c;在这个项目的根目录下: cpg-core为cpg解析模块的核心功能&#xff0c;主要包括将代码解析为图&#xff0c;core模块只包括对C/C/Ja…...

Linux虚拟机部署Java环境-Jdk-Mysql

Linux虚拟机部署 author hf 1.安装 电脑安装x-shell工具&#xff0c;然后使用堡垒机基础控件windows版进行安装扫描&#xff0c;最后点击自动检测&#xff0c;保证能扫描到X-shell工具的安装路径 使用堡垒机登录快照夏选择工具点击Xshell进行连接 查看linux版本 root:~# ca…...

每日学术速递2.9

CV - 计算机视觉 | ML - 机器学习 | RL - 强化学习 | NLP 自然语言处理 Subjects: cs.CV、cs.AI、cs.LG、cs.IR 1.Graph Signal Sampling for Inductive One-Bit Matrix Completion: a Closed-form Solution(ICLR 2023) 标题&#xff1a;归纳单比特矩阵完成的图信号采样&am…...

【Linux】进程优先级 | 进程的切换 | 环境变量详解

&#x1f923; 爆笑教程 &#x1f449; 《看表情包学Linux》&#x1f448; 猛戳订阅 &#x1f525; ​ &#x1f4ad; 写在前面&#xff1a;我们先讲解进程的优先级&#xff0c;探讨为什么会存在优先级&#xff0c;以及如何查看系统进程、进程优先级的修改。然后讲解进程的切…...

leaflet 实现左卷帘效果 (代码示例045)

第045个 点击查看专栏目录 本示例的目的是介绍演示如何在vue+leaflet中实现左卷帘效果,这里主要引用了leaflet-side-by-side这个插件,直接调用的话,CSS方面有些问题,需要自行调整一下。 直接复制下面的 vue+leaflet源代码,操作2分钟即可运行实现效果 文章目录 示例效果配…...

程序的翻译环境和执行环境

程序环境和预处理&#x1f996;程序的翻译环境和执行环境&#x1f996;详解编译链接&#x1f433; 翻译环境&#x1f433; 详解编译过程&#x1f433; 运行环境&#x1f996;预处理详解&#x1f433; 预定义符号&#x1f433; #define&#x1f980; #define 定义标识符&#x1…...

KubeSphere 容器平台高可用:环境搭建与可视化操作指南

Linux_k8s篇 欢迎来到Linux的世界&#xff0c;看笔记好好学多敲多打&#xff0c;每个人都是大神&#xff01; 题目&#xff1a;KubeSphere 容器平台高可用&#xff1a;环境搭建与可视化操作指南 版本号: 1.0,0 作者: 老王要学习 日期: 2025.06.05 适用环境: Ubuntu22 文档说…...

Spark 之 入门讲解详细版(1)

1、简介 1.1 Spark简介 Spark是加州大学伯克利分校AMP实验室&#xff08;Algorithms, Machines, and People Lab&#xff09;开发通用内存并行计算框架。Spark在2013年6月进入Apache成为孵化项目&#xff0c;8个月后成为Apache顶级项目&#xff0c;速度之快足见过人之处&…...

【入坑系列】TiDB 强制索引在不同库下不生效问题

文章目录 背景SQL 优化情况线上SQL运行情况分析怀疑1:执行计划绑定问题?尝试:SHOW WARNINGS 查看警告探索 TiDB 的 USE_INDEX 写法Hint 不生效问题排查解决参考背景 项目中使用 TiDB 数据库,并对 SQL 进行优化了,添加了强制索引。 UAT 环境已经生效,但 PROD 环境强制索…...

大型活动交通拥堵治理的视觉算法应用

大型活动下智慧交通的视觉分析应用 一、背景与挑战 大型活动&#xff08;如演唱会、马拉松赛事、高考中考等&#xff09;期间&#xff0c;城市交通面临瞬时人流车流激增、传统摄像头模糊、交通拥堵识别滞后等问题。以演唱会为例&#xff0c;暖城商圈曾因观众集中离场导致周边…...

大数据零基础学习day1之环境准备和大数据初步理解

学习大数据会使用到多台Linux服务器。 一、环境准备 1、VMware 基于VMware构建Linux虚拟机 是大数据从业者或者IT从业者的必备技能之一也是成本低廉的方案 所以VMware虚拟机方案是必须要学习的。 &#xff08;1&#xff09;设置网关 打开VMware虚拟机&#xff0c;点击编辑…...

1688商品列表API与其他数据源的对接思路

将1688商品列表API与其他数据源对接时&#xff0c;需结合业务场景设计数据流转链路&#xff0c;重点关注数据格式兼容性、接口调用频率控制及数据一致性维护。以下是具体对接思路及关键技术点&#xff1a; 一、核心对接场景与目标 商品数据同步 场景&#xff1a;将1688商品信息…...

JVM 内存结构 详解

内存结构 运行时数据区&#xff1a; Java虚拟机在运行Java程序过程中管理的内存区域。 程序计数器&#xff1a; ​ 线程私有&#xff0c;程序控制流的指示器&#xff0c;分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都依赖这个计数器完成。 ​ 每个线程都有一个程序计数…...

沙箱虚拟化技术虚拟机容器之间的关系详解

问题 沙箱、虚拟化、容器三者分开一一介绍的话我知道他们各自都是什么东西&#xff0c;但是如果把三者放在一起&#xff0c;它们之间到底什么关系&#xff1f;又有什么联系呢&#xff1f;我不是很明白&#xff01;&#xff01;&#xff01; 就比如说&#xff1a; 沙箱&#…...

第八部分:阶段项目 6:构建 React 前端应用

现在&#xff0c;是时候将你学到的 React 基础知识付诸实践&#xff0c;构建一个简单的前端应用来模拟与后端 API 的交互了。在这个阶段&#xff0c;你可以先使用模拟数据&#xff0c;或者如果你的后端 API&#xff08;阶段项目 5&#xff09;已经搭建好&#xff0c;可以直接连…...

倒装芯片凸点成型工艺

UBM&#xff08;Under Bump Metallization&#xff09;与Bump&#xff08;焊球&#xff09;形成工艺流程。我们可以将整张流程图分为三大阶段来理解&#xff1a; &#x1f527; 一、UBM&#xff08;Under Bump Metallization&#xff09;工艺流程&#xff08;黄色区域&#xff…...