在Verilog中實(shí)現(xiàn)Moore型和Mealy型狀態(tài)機(jī)的方法簡(jiǎn)析

編寫能夠被綜合工具識(shí)別的狀態(tài)機(jī)，首先需要理解狀態(tài)機(jī)的基本概念和分類。狀態(tài)機(jī)(FSM)是表示有限個(gè)狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的邏輯結(jié)構(gòu)。在FPGA的設(shè)計(jì)中，狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)思想至關(guān)重要，因?yàn)樗軌蚴沟肍PGA在并行處理的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)與CPU類似的串行處理效果，同時(shí)具有高效的順序控制模型、容易利用EDA工具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)等特性。

首先，你需要根據(jù)設(shè)計(jì)需求選擇摩爾(Moore)型或米勒(Mealy)型狀態(tài)機(jī)。Moore型狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)變化僅與當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，而Mealy型狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)變化還依賴于輸入信號(hào)。

狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)

首先，定義一個(gè)模塊，包括時(shí)鐘、復(fù)位信號(hào)以及輸入輸出端口。并使用參數(shù)來定義狀態(tài)，例如使用獨(dú)熱碼（one-hot）進(jìn)行狀態(tài)編碼。

module moore_state_machine (
  input wire clk, // 時(shí)鐘信號(hào)
  input wire rst_n, // 復(fù)位信號(hào)
inputwireA_in,//輸入信號(hào)
outputregB_out//輸出信號(hào)
)


parameters0=4'b0000;//狀態(tài)0
parameters1=4'b0010;//狀態(tài)1
//其他狀態(tài)...

然后，使用always @(posedge clk or negedge rst_n)語句來描述時(shí)鐘邊沿或復(fù)位邊沿觸發(fā)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移邏輯，常包含三個(gè)部分：下一個(gè)狀態(tài)的邏輯電路、存儲(chǔ)當(dāng)前狀態(tài)的時(shí)序邏輯電路、輸出組合邏輯電路。

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
  if (!rst_n) begin
    state <= s0; // 復(fù)位到初始狀態(tài)
  end else begin
????//?根據(jù)輸入和當(dāng)前狀態(tài)計(jì)算下一個(gè)狀態(tài)
    case (state)
      s0: begin
????????if?(A_in?==?1)?state?<=?s1;?//?當(dāng)輸入為1時(shí)，轉(zhuǎn)移到s1
        // 其他條件...
      end
      // 其他狀態(tài)轉(zhuǎn)移...
    endcase
  end
end

最后再根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)計(jì)算輸出信號(hào)。

assignB_out=...;//根據(jù)state計(jì)算輸出表達(dá)式

與Moore型狀態(tài)機(jī)類似，定義模塊并包含必要的輸入輸出端口，同樣使用參數(shù)定義狀態(tài)。Mealy型狀態(tài)機(jī)的輸出是在輸入信號(hào)變化后立即發(fā)生變化的。因此，需要在always @(posedge clk or negedge rst_n)語句中同時(shí)考慮輸入的變化，并且最后需要根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和輸入計(jì)算輸出信號(hào)。

另外，在實(shí)際進(jìn)行狀態(tài)機(jī)的編程過程中，需要繪制狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，明確每個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件和結(jié)果狀態(tài)，再根據(jù)繪制的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，編寫verilog實(shí)現(xiàn)代碼。

為了測(cè)試狀態(tài)機(jī)的正確性，還需要編寫相應(yīng)的testbench代碼，提供輸入信號(hào)并觀察輸出結(jié)果是否符合預(yù)期。最后在EDA工具中對(duì)代碼進(jìn)行編譯、布局布線，上板驗(yàn)證狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)的正確性。

如何選擇狀態(tài)機(jī)類型

盡管這兩種類型的狀態(tài)機(jī)都廣泛應(yīng)用于數(shù)字電路設(shè)計(jì)、雷達(dá)通信系統(tǒng)等領(lǐng)域，但它們各自的特點(diǎn)決定了它們?cè)谔囟☉?yīng)用場(chǎng)景下的適用性。因此需要根據(jù)項(xiàng)目的具體需求、對(duì)響應(yīng)速度的要求、是否需要根據(jù)輸入信號(hào)調(diào)整輸出以及對(duì)狀態(tài)數(shù)的需求等因素綜合考慮：

時(shí)序與響應(yīng)速度：Moore型狀態(tài)機(jī)的時(shí)序更好，但其響應(yīng)要慢一拍；而Mealy型狀態(tài)機(jī)的響應(yīng)最快，但在時(shí)序上要差一些。這意味著如果項(xiàng)目對(duì)電路的響應(yīng)速度有較高要求，可能會(huì)傾向于選擇Mealy型狀態(tài)機(jī)。

輸出邏輯：Moore型狀態(tài)機(jī)的輸出只與當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，而Mealy型狀態(tài)機(jī)的輸出不僅與當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，還與輸入信號(hào)有關(guān)。這表明如果需要根據(jù)不同的輸入信號(hào)來調(diào)整輸出，Mealy型狀態(tài)機(jī)可能是更合適的選擇。

狀態(tài)數(shù)需求：實(shí)現(xiàn)同等功能時(shí)，Moore型狀態(tài)機(jī)需要的狀態(tài)數(shù)更多，因?yàn)镸ealy型狀態(tài)機(jī)可以根據(jù)狀態(tài)和輸入結(jié)合來看需不需要執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，從而減少一些狀態(tài)。因此，如果項(xiàng)目允許，且對(duì)狀態(tài)數(shù)的要求不是特別高，使用Mealy型狀態(tài)機(jī)會(huì)更加高效。

設(shè)計(jì)原則與要求：在設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)時(shí)，需要考慮安全性、穩(wěn)定性、速度、面積以及設(shè)計(jì)的清晰度等因素。選擇Moore型或Mealy型狀態(tài)機(jī)應(yīng)基于這些綜合因素進(jìn)行權(quán)衡。

審核編輯：劉清