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FPGA的特點(diǎn)是并行執(zhí)行，但如果需要處理一些具有前后順序的事件，就需要使用狀態(tài)機(jī)。狀態(tài)機(jī)是一種用于處理具有前后順序的事件的計算機(jī)模型，包含現(xiàn)態(tài)、條件、動作和次態(tài)四個要素，它可以將一個復(fù)雜的控制流程分解成多個互相獨(dú)立的狀態(tài)，從而簡化設(shè)計過程并提高了系統(tǒng)的可靠性和性能。本文將對FPGA狀態(tài)機(jī)進(jìn)行詳細(xì)介紹，幫助大家了解狀態(tài)機(jī)的設(shè)計和應(yīng)用。
一、FPGA狀態(tài)機(jī)基礎(chǔ)
1、基礎(chǔ)概念
FPGA狀態(tài)機(jī)是一種能夠描述對象在運(yùn)行周期內(nèi)的所有狀態(tài)，以及從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過程的抽象模型。狀態(tài)機(jī)可歸納為4個要素，即現(xiàn)態(tài)、條件、動作、次態(tài)。
①現(xiàn)態(tài)：當(dāng)前所處的狀態(tài)。
②條件：當(dāng)一個條件被滿足，將會觸發(fā)一個動作，或者執(zhí)行一次運(yùn)行狀態(tài)的變化。
③動作：條件滿足后執(zhí)行的動作。動作不是必需的，也可以直接遷移到新狀態(tài)而不進(jìn)行任何動作。
④次態(tài)：條件滿足后要跳轉(zhuǎn)到的新狀態(tài)。其中，“次態(tài)”是相對于“現(xiàn)態(tài)”而言的，一旦被跳轉(zhuǎn)后，“次態(tài)”就轉(zhuǎn)變成新的“現(xiàn)態(tài)”了。
2、狀態(tài)機(jī)分類
通常情況下，F(xiàn)PGA狀態(tài)機(jī)一般有兩種類型：
- Moore型狀態(tài)機(jī)：下一狀態(tài)只由當(dāng)前狀態(tài)決定 。
- Mealy 型狀態(tài)機(jī)：下一狀態(tài)不但與當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，還與當(dāng)前輸入值有關(guān) 。
由于Mealy型狀態(tài)機(jī)的輸出與輸入有關(guān)，輸出信號很容易出現(xiàn)毛刺，所以一般采用Moore型狀態(tài)機(jī)。
（1）Mealy狀態(tài)機(jī)
輸出邏輯不但取決于當(dāng)前“狀態(tài)”還取決于“輸入”，如圖所示。
（2）Moore狀態(tài)機(jī)
輸出邏輯僅僅取決于當(dāng)前狀態(tài)，且與當(dāng)前時刻的輸入無關(guān)，如圖所示。
二、FPGA狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)方式
FPGA狀態(tài)機(jī)的描述方式主要分為3種，分別是一段式、兩段式、三段式。
1、一段式狀態(tài)機(jī)
一段式狀態(tài)機(jī)使用1個always塊，把狀態(tài)跳轉(zhuǎn)和寄存器輸出邏輯都寫在一起，其輸出是寄存器輸出，無毛刺，但是這種方式代碼較混亂，邏輯不清晰，難于修改和調(diào)試，應(yīng)該盡量避免使用。
下面給出一個一段式的Mealy狀態(tài)機(jī)示例：
input clk,
input rst_n,
input [1:0] inp,
output reg outp
);
// 定義狀態(tài)
localparam STATE_0 = 0,
STATE_1 = 1,
STATE_2 = 2,
STATE_3 = 3;
// 定義狀態(tài)寄存器和初始狀態(tài)
reg [1:0] state_r;
// 初始化狀態(tài)寄存器
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (~rst_n) begin
state_r<= STATE_0;
end else begin
case (state_reg)
STATE_0: begin
if (inp == 2'b00) begin
state_r <= STATE_0;
outp <= 0;
end else if (inp == 2'b01) begin
state_r <= STATE_1;
outp <= 1;
end else if (inp == 2'b10) begin
state_r <= STATE_2;
outp <= 0;
end else begin
state_r <= STATE_3;
outp <= 1;
end
end
STATE_1: begin
if (inp == 2'b00) begin
state_r <= STATE_1;
outp <= 1;
end else if (inp == 2'b01) begin
state_r <= STATE_2;
outp <= 0;
end else if (inp == 2'b10) begin
state_r <= STATE_3;
outp <= 1;
end else begin
state_r <= STATE_0;
outp <= 0;
end
end
STATE_2: begin
if (inp == 2'b00) begin
state_r <= STATE_2;
outp <= 0;
end else if (inp == 2'b01) begin
state_r <= STATE_3;
outp <= 1;
end else if (inp == 2'b10) begin
state_r <= STATE_0;
outp <= 0;
end else begin
state_r <= STATE_1;
outp <= 1;
end
end
STATE_3: begin
if (inp == 2'b00) begin
state_r <= STATE_3;
outp <= 1;
end else if (inp == 2'b01) begin
state_r <= STATE_0;
outp <= 0;
end else if (inp == 2'b10) begin
state_r <= STATE_1;
outp <= 1;
end else begin
state_reg <= STATE_2;
outp <= 0;
end
end
endcase
end
end
endmodule
2、二段式狀態(tài)機(jī)
二段式狀態(tài)機(jī)使用2個always塊，都是時序邏輯，其中一個always塊用于寫狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)邏輯，另一個always塊用于寫當(dāng)前狀態(tài)下的寄存器輸出邏輯。這種方式邏輯代碼清晰，易于調(diào)試和理解，是比較推薦的一個方式。
下面給出一個二段式的Moore狀態(tài)機(jī)示例：
input clk,
input rst_n,
output reg out_reg
);
// 狀態(tài)寄存器和下一個狀態(tài)寄存器
reg [1:0] state_r;
// 狀態(tài)定義
parameter IDLE = 2'b00;
parameter STATE1 = 2'b01;
parameter STATE2 = 2'b10;
parameter STATE3 = 2'b11;
// always @(posedge clk or negedge rst_n) 時序邏輯代碼塊，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)邏輯
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(~rst_n) begin
state_r <= IDLE;
end else begin
case(state_r)
IDLE: begin
state_r <= STATE1;
end
STATE1: begin
state_r <= STATE2;
end
STATE2: begin
state_r <= STATE3;
end
STATE3: begin
state_r <= IDLE;
end
endcase
end
end
// always @(*) 時序邏輯代碼塊，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)輸出邏輯
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(~rst_n) begin
out_reg <= 1'b0;
end else begin
case(state_r)
IDLE: begin
out_reg <= 1'b0;
end
STATE1: begin
out_reg <= 1'b1;
end
STATE2: begin
out_reg <= 1'b1;
end
STATE3: begin
out_reg <= 1'b0;
end
endcase
end
end
endmodule
3、三段式狀態(tài)機(jī)
三段式狀態(tài)機(jī)使用3個always塊，其中一個組合always塊用于寫狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)邏輯，一個時序always塊用于緩存狀態(tài)寄存器，另一個always塊用于寫當(dāng)前狀態(tài)下的寄存器輸出邏輯。這種方式邏輯代碼清晰，易于調(diào)試和理解，也是比較推薦的一個方式。
input clk,
input rst_n,
input [1:0] inp,
output reg outp
);
// 定義狀態(tài)
localparam STATE_0 = 0,
STATE_1 = 1,
STATE_2 = 2,
STATE_3 = 3;
// 定義狀態(tài)寄存器和初始狀態(tài)
reg [1:0] state_r, next_state ;
// 定義狀態(tài)寄存器
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (~rst_n) begin
state_r <= STATE_0;
end else begin
state_r <= next_state;
end
end
// 定義狀態(tài)轉(zhuǎn)移邏輯
always @(*) begin
case (state_r)
STATE_0: begin
if (inp == 2'b00) begin
next_state = STATE_0;
end else if (inp == 2'b01) begin
next_state = STATE_1;
end else if (inp == 2'b10) begin
next_state = STATE_2;
end else begin
next_state = STATE_3;
end
end
STATE_1: begin
if (inp == 2'b00) begin
next_state = STATE_1;
end else if (inp == 2'b01) begin
next_state = STATE_2;
end else if (inp == 2'b10) begin
next_state = STATE_3;
end else begin
next_state = STATE_0;
end
end
STATE_2: begin
if (inp == 2'b00) begin
next_state = STATE_2;
end else if (inp == 2'b01) begin
next_state = STATE_3;
end else if (inp == 2'b10) begin
next_state = STATE_0;
end else begin
next_state = STATE_1;
end
end
STATE_3: begin
if (inp == 2'b00) begin
next_state = STATE_3;
end else if (inp == 2'b01) begin
next_state = STATE_0;
end else if (inp == 2'b10) begin
next_state = STATE_1;
end else begin
next_state = STATE_2;
end
end
endcase
end
// 定義輸出邏輯
always @(*) begin
case (state_r)
STATE_0: outp = 0;
STATE_1: outp = 1;
STATE_2: outp = 0;
STATE_3: outp = 1;
endcase
end
endmodule
注意：組合邏輯代碼中，if語句和case語句必須寫滿，否則容易形成latch，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行出問題。
三、狀態(tài)機(jī)的編碼方式
1、獨(dú)熱碼
獨(dú)熱碼（One-hot）是一種狀態(tài)編碼方式，其特點(diǎn)是對于任意給定的狀態(tài)，狀態(tài)寄存器中只有1位為1，其余位都為0。使用獨(dú)熱碼可以簡化譯碼邏輯電路，因?yàn)闋顟B(tài)機(jī)只需對寄存器中的一位進(jìn)行譯碼，同時可用省下的面積抵消額外觸發(fā)器占用的面積。相比于其他類型的有限狀態(tài)機(jī)，加入更多的狀態(tài)時，獨(dú)熱碼的譯碼邏輯并不會變得更加復(fù)雜，速度僅取決于到某特定狀態(tài)的轉(zhuǎn)移數(shù)量。
此外，獨(dú)熱碼還具有諸如設(shè)計簡單、修改靈活、易于綜合和調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。但值得注意的是，相對于二進(jìn)制碼，獨(dú)熱碼速度更快但占用面積較大。
input clk,
output reg [3:0] state_out
);
localparam STATE_A = 4'b0001;
localparam STATE_B = 4'b0010;
localparam STATE_C = 4'b0100;
localparam STATE_D = 4'b1000;
reg [3:0] current_state, next_state;
always @(posedge clk) begin
current_state <= next_state; // 當(dāng)時鐘上升沿到來時更新狀態(tài)
end
always @(*) begin
case (current_state)
STATE_A: next_state = STATE_B;
STATE_B: next_state = STATE_C;
STATE_C: next_state = STATE_D;
STATE_D: next_state = STATE_A;
default: next_state = STATE_A; // 默認(rèn)情況下返回初始狀態(tài)
endcase
end
assign state_out = current_state; // 將當(dāng)前狀態(tài)作為輸出
endmodule
2、格雷碼
格雷碼是一種相鄰的兩個碼組之間僅有一位不同的編碼方式。在格雷碼中，相鄰的兩個碼組之間僅有一位不同，這種編碼方式可以用于實(shí)現(xiàn)相鄰的兩個狀態(tài)之間只有一位不同的狀態(tài)機(jī)；
FPGA 中的狀態(tài)機(jī)通常需要高速運(yùn)行，因此使用格雷碼可以減少狀態(tài)轉(zhuǎn)換的開銷，并提高時序性能。
input clk,
output reg [3:0] state_out
);
localparam G0 = 4'b0000;
localparam G1 = 4'b0001;
localparam G2 = 4'b0011;
localparam G3 = 4'b0010;
reg [3:0] current_state, next_state;
always @(posedge clk) begin
current_state <= next_state; // 當(dāng)時鐘上升沿到來時更新狀態(tài)
end
always @(*) begin
case (current_state)
G0: next_state = G1;
G1: next_state = G3;
G2: next_state = G0;
G3: next_state = G2;
default: next_state = G0; // 默認(rèn)情況下返回初始狀態(tài)
endcase
end
assign state_out = current_state; // 將當(dāng)前狀態(tài)作為輸出
endmodule
3、普通二進(jìn)制碼
FPGA狀態(tài)機(jī)可以用普通二進(jìn)制碼表示，不同狀態(tài)按照二進(jìn)制數(shù)累加表示，是常用的一種方式，仿真調(diào)試時，狀態(tài)顯示清晰，易于理解代碼。
input clk,
output reg [1:0] state_out
);
localparam STATE_A = 2'b00;
localparam STATE_B = 2'b01;
localparam STATE_C = 2'b10;
reg [1:0] current_state, next_state;
always @(posedge clk) begin
current_state <= next_state; // 當(dāng)時鐘上升沿到來時更新狀態(tài)
end
always @(*) begin
case (current_state)
STATE_A: next_state = STATE_B;
STATE_B: next_state = STATE_C;
STATE_C: next_state = STATE_A;
default: next_state = STATE_A; // 默認(rèn)情況下返回初始狀態(tài)
endcase
end
assign state_out = current_state; // 將當(dāng)前狀態(tài)作為輸出
endmodule
4、格雷碼與普通二進(jìn)制碼互轉(zhuǎn)
- 二進(jìn)制碼：一個n位的二進(jìn)制碼可以表示2^n種狀態(tài)，它有2^(n-1)個相鄰狀態(tài)之間只有一個位不同。
- 格雷碼：一個n位的格雷碼可以表示2^n種狀態(tài)，它有2^(n-1)個相鄰狀態(tài)之間只有一位變化。
（1）二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成格雷碼
假設(shè)當(dāng)前的狀態(tài)用二進(jìn)制碼表示為B，那么它所對應(yīng)的格雷碼G可以按照以下方式計算得出：
G = B xor (B >> 1)
其中，">>"表示右移操作，"xor"表示異或操作。具體來說，我們先將B右移一位，再與原來的B進(jìn)行異或運(yùn)算，就可以得到對應(yīng)的格雷碼G。
（2）格雷碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼
假設(shè)當(dāng)前的狀態(tài)用格雷碼表示為G，那么它所對應(yīng)的二進(jìn)制碼B可以按照以下方式計算得出：
B = G xor (G >> 1)
與二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成格雷碼的方法類似，我們先將G右移一位，再與原來的G進(jìn)行異或運(yùn)算，就可以得到對應(yīng)的二進(jìn)制碼B。
個，下面給出“4位格雷碼與4位二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換”的示例代碼：
input [3:0] bin,
output reg [3:0] gray
);
always @* begin
gray[0] = bin[0];
gray[1] = bin[1] ^ bin[0];
gray[2] = bin[2] ^ bin[1];
gray[3] = bin[3] ^ bin[2];
end
endmodule
注意用來轉(zhuǎn)換格雷碼時，如果輸入的格雷碼不是有效的格雷碼，輸出的結(jié)果將會是無意義的。
四、總結(jié)
以上總結(jié)了FPGA狀態(tài)機(jī)中有關(guān)的知識點(diǎn)，大家可以參考下，建議狀態(tài)機(jī)的寫法一般用二段式或三段式，代碼邏輯清晰，易于理解和調(diào)試，同時需要注意always@(*)塊中的組合邏輯，使用if和case語句都要寫滿，否則綜合后容易形成latch，導(dǎo)致上板與仿真結(jié)果不一致。
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