【原创】有限状态机设计

1. 状态机的基本概念

数字系统分两大类FSM：Moore和Mealy。FSM是用来表示有限个状态之间转移和动作等行为。

1.2 Moore状态机

Moore FSm由Edward F. Moore 提出。特点是输出只由当前状态确定，与输入没有关系。

Moore FSM状态图中每一个状态都包含一个输出信号。一旦当前状态改变几乎会立即导致输出改变。Moore FSM输出在时钟脉冲的有效边沿后的有限个门延迟之后才会达到稳定值，Moore最大的特点是将输入和输出信号隔离开来。

图1 Moore 状态机示意图

 

1.3 Mealy状态机

　　Mealy FSM是由G.H.Mealy在1951年提出来的，输出和当前状态也和输入有关系，因此在状态转移图中每条转移边需要包含输入和输出的信息，每一个Mealy机都有一个等价的Moore机。

Mealy FMS的输出直接受输入的直接影响，而输入的信号可能在一个时钟周期内任何时刻发生改变，所以Mealy FSM对输入的响应要比Moore FSM早一个周期，而且输入信号的噪声也可能影响到输出信号。

图2 Mealy 状态机示意图

1.3状态初始化

 　　初始化是对FSM内部的所有reg还有mem进行复位和初始化，一定要防止出现伪初始化或者不完全初始化的情况，特别针对一些总线或者有位宽要求的信号和变量。

未完全初始化的示例：

always    @(posedge clk or negedge rst_n)
    begin 
        if(!rst_n)
            state <= IDLE;
        else case(state)
                    IDLE:begin
                                S[0] <=1'b1;
                                state <=ACT1;
                          end
                    ACT1:begin
                                S[1] <=1'b1;
                                state <=ACT2;
                          end
                    ACT2:begin
                                S[2] <=1'b1;
                                state <=CMP;
                          end
                    CMP:begin
                                S[3] <=1'b1;
                                state <=IDLE;
                          end
                    default:state <= IDLE;
                endcase
    end 

　　这个FSM表示在不同的状态给S[3:0]的不同位置，在异步复位的地方只是对state初始化，但是对于S[3：0]并没有初始化，解决这个初始化的最好方法就是对所有的输出都进行初始化。从根本上讲，所有的初始化动作都需要对FSM中的每个输出信号和变量进行初始化，另外要特别注意default分支语句，避免进入死锁。修改如下例：

always    @(posedge clk or negedge rst_n)
    begin 
        if(!rst_n)
            begin
                state <= IDLE;
                S <= 4'b0000;
            end
        else case(state)
                    IDLE:begin
                                S[0] <=1'b1;
                                state <=ACT1;
                          end
                    ACT1:begin
                                S[1] <=1'b1;
                                state <=ACT2;
                          end
                    ACT2:begin
                                S[2] <=1'b1;
                                state <=CMP;
                          end
                    CMP:begin
                                S[3] <=1'b1;
                                state <=IDLE;
                          end
                    default:state <= IDLE;
                endcase
    end 

1.4 Full Case和Parallel Case

　　Full Case在Sunplify中一般采用/*synthesis full_case*/来实现，Parallel case在Sunplify中一般采用/*synthesis parallel_case*/来实现

 1.4.1 Full Case下FSM设计

module syntax_ctrl(s0,s1,s2,s3,next)
 //数据声明
    input s0,s1,s2,s3;
    output  reg[1:0] next;
 //
    parameter IDLE = 4'b1xxx,
                 READ = 4'bx1xx,
                 TALK = 4'bxx1x,
                 STOP = 4'bxxx1;
 //
    always    @(s0 or s1 or s2 or s3)
        begin 
                     casex({s0,s1,s2,s3})
                        IDLE: 
                                    next <=0;
                        READ: 
                                    next <=1;
                        TALK:  
                                    next <=2;
                        STOP: 
                                    next <=3;
                        default: next <=0;
                    endcase
        end 
    endmodule 

1.4.2 Parallel case FSM实现

module syntax_ctrl(s0,s1,s2,s3,next)
 //数据声明
    input s0,s1,s2,s3;
    output  reg[1:0] next;
 //
    parameter IDLE = 4'b1xxx,
                 READ = 4'bx1xx,
                 TALK = 4'bxx1x,
                 STOP = 4'bxxx1;
 //
    always    @(s0 or s1 or s2 or s3)
        begin 
                     casex({s0,s1,s2,s3})
                        IDLE: 
                                    next <=0;
                        READ: 
                                    next <=1;
                        TALK:  
                                    next <=2;
                        STOP: 
                                    next <=3;
                        default: next <=0;
                    endcase
        end 
    endmodule 

　　两者区别在：

　　 Full case中FSM把所有的编码向量与case中某个分支匹配，如果编码是4bits则有16个状态编码向量同case中的某个分支映射起来。

 　　Parallel case 中，每个case中判断条件表达式有且仅有一个分支语句与之对应。

Full case可以增加设计的安全性，Parallel case可以优化状态机的逻辑编码，不过，一般比较推荐采用Parallel case，因为从功能和门级仿真的结果来看，Parallel case比较符合硬件行为的要求。

注意：在一般的仿真工具并不认识上面所述的注释，所以一般而言当需要使用优先级编码逻辑的时候，采用casez语句，可以确保case语句涉及的是全面的；当要使用Parallel case时采用case语句，而且case语句中各条分支语句必须是相互排斥的。