三段式狀態(tài)機(jī)編寫(xiě)問(wèn)題及三段式狀態(tài)機(jī)各部分功能分析

在 Verilog的江湖里，流傳著一段，兩段，三段式狀態(tài)機(jī)的傳說(shuō)。它們各有優(yōu)劣，本文就書(shū)寫(xiě)三段式狀態(tài)機(jī)的錯(cuò)誤原因進(jìn)行探尋。

本文會(huì)涉及到Verilog的基本語(yǔ)法，需要一定的Verilog基礎(chǔ)，包括對(duì)reg，always，狀態(tài)機(jī)的一些認(rèn)識(shí)，數(shù)字電路基礎(chǔ)。

三段式狀態(tài)機(jī)，將狀態(tài)機(jī)分為三段，功能為狀態(tài)轉(zhuǎn)移，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件判斷，輸出邏輯等。

存在問(wèn)題的“三段式狀態(tài)機(jī)”代碼如下：

程序比較簡(jiǎn)單，于是直接上板驗(yàn)證。

經(jīng)過(guò)上板調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題存在于當(dāng)empty為低時(shí)，rd_en并沒(méi)有拉高。于是，我首先懷疑整個(gè)系統(tǒng)是不是一直處于復(fù)位狀態(tài)。

經(jīng)過(guò)查找，發(fā)現(xiàn)rst一直保持低電平，整個(gè)程序不在復(fù)位狀態(tài)。這就很神奇了。

后來(lái)，經(jīng)過(guò)提醒和仔細(xì)查找原因，才發(fā)現(xiàn)這個(gè)狀態(tài)機(jī)寫(xiě)的其實(shí)存在問(wèn)題。狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件判斷和狀態(tài)轉(zhuǎn)移都使用時(shí)序邏輯，兩者并行運(yùn)行，問(wèn)題就凸顯出來(lái)了。

舉例說(shuō)明，假設(shè)當(dāng)前狀態(tài)state， next_state都處于IDLE狀態(tài)；

事實(shí)上，這么寫(xiě)，造成的問(wèn)題是state相對(duì)其他信號(hào)可能會(huì)晚一節(jié)拍。狀態(tài)機(jī)晚一節(jié)拍，可能會(huì)導(dǎo)致時(shí)序錯(cuò)亂。

而事實(shí)上，三段式狀態(tài)機(jī)當(dāng)然不是這么寫(xiě)的。

首先，三段式狀態(tài)機(jī)由三部分（段）組成，前面也提到了，是狀態(tài)轉(zhuǎn)移，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件判斷，輸出邏輯等。

首先談到狀態(tài)轉(zhuǎn)移，三段式狀態(tài)機(jī)有state, next_state信號(hào)作為指示。兩者在位寬，信號(hào)類型上一模一樣，都是reg型變量。

狀態(tài)轉(zhuǎn)移很簡(jiǎn)單，大致如下：

其中，IDLE是預(yù)先定義的常量，使用localparam，parameter定義即可，或者可以使用`define定義宏變量參數(shù)，然后放在一個(gè)通用的參數(shù)模塊文件里，供項(xiàng)目里所有文件調(diào)用，后續(xù)再詳細(xì)講解這塊吧。

這塊的內(nèi)容，僅僅是將next_state的值打一拍，通過(guò)了一個(gè)寄存器，意義何在呢，要結(jié)合狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件判斷一起看。

狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件判斷代碼大致如下：

這塊的內(nèi)容主要是做next_state值變更的條件判斷，結(jié)合功能來(lái)說(shuō)，就是做狀態(tài)值的更新。

那可能有人會(huì)問(wèn):

• always @ (*) 是什么意思

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，always @ ( ) 意為每時(shí)每刻都在運(yùn)行，也就是組合邏輯，你也可以使用always @ (state, a, b)方式來(lái)代替always @ ( )。但是，假如always列表里的信號(hào)不全，可能造成的影響又是什么呢？

• reg類型為什么放在組合邏輯里面做

reg型變量最后綜合的電路也可能是組合邏輯，也不是說(shuō)always塊一定綜合出時(shí)序邏輯，主要還是跟敏感列表有關(guān)，其次always里只能使用reg型變量

• 為什么你的if沒(méi)有補(bǔ)全else

對(duì)于時(shí)序邏輯來(lái)說(shuō)，沒(méi)有補(bǔ)全else，default等不會(huì)生成鎖存器；對(duì)于組合邏輯來(lái)說(shuō)，沒(méi)有else，default確實(shí)可能生成鎖存器，但是鎖存器生成的原因是因?yàn)樵O(shè)計(jì)代碼中要求組合邏輯去保持或者說(shuō)記憶住某個(gè)值，這本該是時(shí)序邏輯該干的事，組合邏輯干不了，所以生成鎖存器；而本段代碼，第一行代碼就相當(dāng)于已經(jīng)為所有無(wú)法進(jìn)入if條件的情況增加了默認(rèn)情況，就是賦值為state的狀態(tài)。

這兩塊內(nèi)容都跟狀態(tài)轉(zhuǎn)移有關(guān)，第二塊進(jìn)行條件判斷，而判斷不僅要根據(jù)外部信號(hào)，也要根據(jù)自身所在的狀態(tài)，所以第一塊進(jìn)行狀態(tài)值的更新。

那么這么做的好處是什么呢？跟一段式狀態(tài)機(jī)相比，將狀態(tài)轉(zhuǎn)移與判斷和輸出邏輯分開(kāi)寫(xiě)，方便后續(xù)的調(diào)試。

因?yàn)樵谡{(diào)試階段，查找問(wèn)題時(shí)會(huì)去查找問(wèn)題所在的狀態(tài)，然后再比對(duì)代碼中該狀態(tài)的判斷條件，沒(méi)有錯(cuò)誤再比對(duì)該條件下問(wèn)題信號(hào)的輸出邏輯，調(diào)試更為方便。

那么第三段的輸出邏輯，代碼大致如下：

首先，輸出邏輯這段并不是要求只用一個(gè)always寫(xiě)完所有的輸出邏輯；其次，使用時(shí)序邏輯輸出，更利于信號(hào)的時(shí)序分析和時(shí)序收斂。

當(dāng)然，一段式狀態(tài)機(jī)也并不是一無(wú)是處，很多時(shí)候，在一些邏輯簡(jiǎn)單，功能簡(jiǎn)單的場(chǎng)景下，我也愿意使用一段式狀態(tài)機(jī)。兩段式狀態(tài)機(jī)用的比較少，感覺(jué)像是一段式和三段式狀態(tài)機(jī)的過(guò)渡狀態(tài)，有點(diǎn)雞肋的感覺(jué)。