怎樣寫好FPGA三段式狀態(tài)機（共29頁PDF）

ID:292351 · 發(fā)表于 2018-3-15 16:06

如何寫好狀態(tài)機
節(jié)選自《Verilog設(shè)計與驗證》作者：吳繼華、王誠

狀態(tài)機是邏輯設(shè)計的重要內(nèi)容，狀態(tài)機的設(shè)計水平直接反應(yīng)工程師的邏輯功底，所以許多公司的硬件和邏輯工程師面試中，狀態(tài)機設(shè)計幾乎是必選題目。本章在引入狀態(tài)機設(shè)計思想的基礎(chǔ)上，重點討論如何寫好狀態(tài)機。
本章主要內(nèi)容如下：
·  狀態(tài)機的基本概念；
·  如何寫好狀態(tài)機；
·  使用 Synplify Pro 分析 FSM。
6.1  狀態(tài)機的基本概念
本節(jié)的重點在于幫助讀者理解狀態(tài)機的基本概念和應(yīng)用場合。
6.1.1  狀態(tài)機是一種思想方法
相信大多數(shù)工科學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)字電路時都學(xué)習(xí)過狀態(tài)機的基本概念，了解一些使用狀態(tài)機描述時序電路的基本方法。但是，筆者希望大家能擴展思維，認識到狀態(tài)機不僅僅是一種時序電路設(shè)計工具，它更是一種思想方法。我們先看下面一個簡單的例子。在大學(xué)生活中，某學(xué)生的在校的學(xué)習(xí)生活可以簡單地概括為宿舍、教室、食堂之間的周而復(fù)始，用圖 6-1 就可以形象地表現(xiàn)出來。這里畫這張圖，并不是要討論這個學(xué)生是否是一個“乖乖”類型學(xué)生，請大家注意，如果將圖中的“地點”認為是“狀態(tài)” ，將“功能”認為是狀態(tài)的“輸出” ，這張圖就是一張標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，也就是說，我們用狀態(tài)機的方式清晰地描述了這個學(xué)生的在校生活方式。

同樣如果將圖中的“地點”認為是“狀態(tài)” ，將“功能”認為是狀態(tài)的“輸出” ，將“條件”認為是狀態(tài)轉(zhuǎn)移的“輸入條件” ，圖 6-2 也是一張標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，通過狀態(tài)機的方式我們再次清晰地描述另一個學(xué)生的在校生活方式。事實上使用狀態(tài)機方式，我們可以細致入微地描述任何一個學(xué)生的在校生活方式。大家通過前面兩個簡單舉例已經(jīng)發(fā)現(xiàn)狀態(tài)機特別適合描述那些有發(fā)生有先后順序，或者有邏輯規(guī)律的事情——其實這就是狀態(tài)機的本質(zhì)。狀態(tài)機的本質(zhì)就是對具有邏輯順序或時序規(guī)律事件的一種描述方法。這個論斷的最重要的兩個詞就是“邏輯順序”和“時序規(guī)律” ，這兩點就是狀態(tài)機所要描述的核心和強項，換言之，所有具有邏輯順和時序規(guī)律的事情都適合用

狀態(tài)機描述。
很多初學(xué)者不知道何時應(yīng)用狀態(tài)機。這里介紹兩種應(yīng)用思路：第一種思路，從狀態(tài)變量入手。如果一個電路具有時序規(guī)律或者邏輯順序，我們就可以自然而然地規(guī)劃出狀態(tài)，從這些狀態(tài)入手，分析每個狀態(tài)的輸入，狀態(tài)轉(zhuǎn)移和輸出，從而完成電路功能；第二種思路是首先明確電路的輸出的關(guān)系，這些輸出相當(dāng)于狀態(tài)的輸出，回溯規(guī)劃每個狀態(tài)，和狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件與狀態(tài)輸入。無論那種思路，使用狀態(tài)機的目的都是要控制某部分電路，完成某種具有邏輯順序或時序規(guī)律的電路設(shè)計。
其實對于邏輯電路而言，小到一個簡單的時序邏輯，大到復(fù)雜的微處理器，都適合用狀
態(tài)機方法進行描述。請讀者打開思路，不要僅僅局限于時序邏輯，發(fā)現(xiàn)電路的內(nèi)在規(guī)律，認電路的“狀態(tài)變量” ，大膽使用狀態(tài)機描述電路模型。由于狀態(tài)機不僅僅是一種電路描述工具，它更是一種思想方法，而且狀態(tài)機的 HDL 語言表達方式比較規(guī)范，有章可循，所以很多有經(jīng)驗的設(shè)計者習(xí)慣用狀態(tài)機思想進行邏輯設(shè)計，對各種復(fù)雜設(shè)計都套用狀態(tài)機的設(shè)計理念，從而提高設(shè)計的效率和穩(wěn)定性。

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