采用米利型的狀態(tài)機電路設計

1.0 序列檢測器電路設計

設計一個序列檢測器電路，功能是：檢測出串行輸入數(shù)據(jù)Sin中的4位二進制序列0101（自左至右輸入），當檢測到該序列時，輸出Out=1；沒有檢測到該序列時，輸出Out=0（注意考慮序列重疊的可能性，如010101，相當于出現(xiàn)兩個0101序列）。

經(jīng)過分析，首先可以確定采用米利型狀態(tài)機設計該電路。因為該電路在連續(xù)收到信號0101時，輸出為1，其他情況下輸出為0，所以采用米利型狀態(tài)機。

其次，確定狀態(tài)機的狀態(tài)圖，該電路必須能記憶所收到的輸入數(shù)據(jù)0、連續(xù)收到前兩個數(shù)據(jù)01.。。可見至少要是個狀態(tài)，分別用S1，S2，S3，S4，再加上電路初始態(tài)S0。根據(jù)要求可以畫出狀態(tài)圖：

觀察該圖可以看出，當狀態(tài)機處以S2、S4的時候，如果輸入Sin = 1，則電路會轉(zhuǎn)移到相同的次態(tài)S0，如果輸入Sin = 0，則電路會轉(zhuǎn)移到相同的次態(tài)S3，且兩種情況下輸出Out都為0。所以，S2、S4為等價狀態(tài)，可用S2代替S4，于是得到簡化的狀態(tài)圖：

如果用CPLD/FPGA器件實現(xiàn)狀態(tài)機，則邏輯綜合器會自動化簡狀態(tài)機。

利用Verilog HDL描述狀態(tài)圖主要包括：

（1） 利用參數(shù)定義語句parameter描述狀態(tài)機中各個狀態(tài)的名稱，并指定狀態(tài)編碼。

（2） 用時序的always塊描述狀態(tài)觸發(fā)器實現(xiàn)的狀態(tài)存儲。

（3） 使用敏感表和case語句（也可以采用if-else語句）描述狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯。

（4） 描述狀態(tài)機的輸出邏輯。

這個電路我試著用3種方式來描述，看看他們的差別在哪里。

（1） 單個always塊描述狀態(tài)機方法（應該避免的寫法）

生成的RTL視圖：

State模塊里面其實就是一個狀態(tài)機：

仿真結(jié)果有時會出錯：

在每個clk上升沿讀取數(shù)據(jù)，可以看到是0101，在285ps時輸出oOut應該是高電平，但不是，這是為什么了？再看下面一張圖

這張是對的，為什么有時對又是錯了，如果是這樣那就失去了它的意義了。

對序列檢測器電路用單個always塊的描述的邏輯存在一個隱含的錯誤，即輸出信號oOut的描述存在錯誤。其原因是：oOut信號是由狀態(tài)機的當前狀態(tài)和輸入信號共同決定的，它是一個純組合邏輯電路，如果當前狀態(tài)不變，而輸入信號變了，oOut信號應立即發(fā)生變化，而不是等到時鐘上升沿來了才變化。因此，單個always塊描述狀態(tài)機的寫法僅僅適用于穆爾型狀態(tài)機。這雖然是個問題，但是跟我出現(xiàn)的問題貌似沒有什么直接關(guān)系，郁悶。。。繼續(xù)思考。

在實際應用中，為了消除組合邏輯輸出信號中的毛刺，在時序允許的情況下，通常允許米利型狀態(tài)機中輸出信號通過寄存器輸出。但是單個的always塊的描述方法將狀態(tài)轉(zhuǎn)換判斷的組合邏輯和狀態(tài)觸發(fā)器轉(zhuǎn)移的時序邏輯混合編寫在同一個always塊中，不符合將時序和組合邏輯分開描述的代碼風格（Coding Style），而且在描述當前狀態(tài)時還要考慮下一個狀態(tài)的邏輯，整個代碼的結(jié)構(gòu)不清晰，不利于修改和維護，不利于時序約束條件的加入，不利于綜合器對設計的優(yōu)化。所以不推薦使用單個always塊的描述方式。

必須為自己的粗心大意買單，還說輸出有時會出錯原來狀態(tài)圖都是錯了，不經(jīng)意的一眼，看來不能隨便啊。case語句后的 S1：當條件滿足時（iSin == 1‘b1）時會跳到S2否則還會停留在S1。改過來看看正確的狀態(tài)機就不會出錯了。太粗心了！

正確的狀態(tài)機：

（2） 兩個always塊描述狀態(tài)機的方法（推薦寫法）

值得注意的是Next_state = 2’bxx;對狀態(tài)的默認賦值有3種方式：（1） 全部設置成不定狀態(tài)（x）； （2） 設置成預先規(guī)定的初始狀態(tài)； （3） 設置成FSM中的某一有效狀態(tài)。設置成不定狀態(tài)（x）的好處是：（1） 在仿真時可以很好地考察所設計的FSM的完備性，若設計的FSM不完備，則進入任意狀態(tài)，仿真時容易發(fā)現(xiàn)；（2） 綜合器對代碼進行綜合時，會忽略沒有定義的狀態(tài)觸發(fā)器向量。

生成的RTL視圖：

和上面的比較了一下，少了個D觸發(fā)器，這是為什么呢？并且仿真的結(jié)果也不一樣了。仿真圖：

當然新的問題也就隨之而來：

我們可以明顯的看到這種寫法和上面寫法的區(qū)別，最重要的是：輸出oOut不在是在clk上升沿來的時候才能發(fā)生變化，它是一個純組合邏輯電路只要輸入條件滿足輸出就立馬發(fā)生改變。隨著毛刺的出現(xiàn)，毛刺是一個很重要的問題，很值得我們認真思考。為什么會出現(xiàn)毛刺了，我們可以清楚的看到這時次態(tài)是完全由組合邏輯電路決定的，時序電路做的事情僅僅是在clk上升沿來的時候把，把次態(tài)賦給現(xiàn)態(tài)。在445ps時在S1狀態(tài)，輸出為0、在455ps時在S2狀態(tài)，輸出為0、在465ps時在S3狀態(tài)，此時就算clk的posedge不來，只要iSin == 1，輸出同樣會為1，正如上圖，但在這里，clk 的上升沿和iSin 的高電平是同時來的，所以，在 iSin 的高電平來的那一瞬間，輸出oOut = 1，就在同時狀態(tài)裝換到S2，輸出oOut = 0;

這就導致了上面毛刺的產(chǎn)生。怎么解決這個問題呢？我們來看看第三種方法。

（3） 3個always塊描述狀態(tài)機（推薦寫法）

分析一下代碼，我們很容易看出：第一個always塊采用同步時序邏輯方式描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移（在電路框圖的中間框），第二個always塊采用組合邏輯方式描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)律（一般是第一個方框），第三個always塊描述電路的輸出信號，在時序允許的情況下，通常讓輸出信號經(jīng)過一個寄存器再輸出，保證輸出信號中沒有毛刺。

綜合后的RTL視圖，就跟第一版程序是一樣的了，又有了D觸發(fā)器，仿真結(jié)果和第一版也是一樣的，但是兩版代碼的風格（Coding Style）是不一樣的。