VerilogHDL入門基礎(chǔ)之時(shí)序狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)

1、時(shí)序狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)入門與提高計(jì)算機(jī)及具有存儲(chǔ)器或按照所存儲(chǔ)信息執(zhí)行一系列操作的其他數(shù)字系統(tǒng)統(tǒng)稱為時(shí)序狀態(tài)機(jī)”其電路可以通過時(shí)序邏輯進(jìn)行建模。時(shí)序狀態(tài)機(jī)的性能與組合邏輯不同，因?yàn)闀r(shí)序狀 態(tài)機(jī)的輸出不僅僅取決于當(dāng)前的輸入值，而且取決于歷史的輸入值。時(shí)序狀態(tài)機(jī)被廣泛應(yīng)用于需要指定順序操作的應(yīng)用中。所有的時(shí)序狀態(tài)機(jī)都具有如圖的通用反饋結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中時(shí)序狀態(tài)機(jī)的下一狀態(tài)是由當(dāng)前狀態(tài)和當(dāng)前輸入一起形成的：時(shí)序狀態(tài)機(jī)可以按是否受一個(gè)公共的時(shí)鐘控制（鐘控）分為同步狀態(tài)機(jī)和異步狀態(tài)機(jī)；根據(jù)狀態(tài)數(shù)目是否有限分為有限狀態(tài)機(jī)和無(wú)限狀態(tài)機(jī)。此處只討論有限狀態(tài)機(jī)。有限狀態(tài)機(jī)的（FSM）分類有限狀態(tài)機(jī)有米利（Mealy）

2、機(jī)和摩爾（Moore ）機(jī): 米禾U（ Mealy）機(jī)：輸入*下一狀態(tài)組狀態(tài)寄存器輸出組合邏輸出.*合邏輯V八心寄4存右器1輯時(shí)鐘米利（Mealy）機(jī)的下一狀態(tài)和輸出都取決于當(dāng)前狀態(tài)和當(dāng)前輸入。摩爾（Moore）機(jī):輸出組合邏輯時(shí)鐘摩爾（Moore ）機(jī)的下一狀態(tài)取決于當(dāng)前狀態(tài)和當(dāng)前輸入，而輸出僅僅取決于當(dāng)前狀態(tài)。有限狀態(tài)機(jī)常用的描述、開發(fā)方法有限狀態(tài)機(jī)可以借助時(shí)序圖、狀態(tài)表、狀態(tài)圖以及ASM圖進(jìn)行系統(tǒng)的描述與設(shè)計(jì)。? 時(shí)序圖可以用于說明系統(tǒng)中及系統(tǒng)與周圍環(huán)境的接口中信號(hào)的有效輸入與狀態(tài)轉(zhuǎn)移之 間的關(guān)系。? 狀態(tài)表與狀態(tài)轉(zhuǎn)移表以表格的形式表示在當(dāng)前狀態(tài)和輸入的各種組合下狀態(tài)機(jī)的下一 狀態(tài)和輸出

3、? 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖（STG是一種有向圖，圖中帶有標(biāo)記的節(jié)點(diǎn)或頂點(diǎn)與時(shí)序狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)一 一對(duì)應(yīng)。當(dāng)系統(tǒng)處于弧線起點(diǎn)的狀態(tài)時(shí)，用有向邊或弧線表示在輸入信號(hào)的作用下可能 發(fā)生的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。米利機(jī)STG的頂點(diǎn)用狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)記， 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖的有向邊有下面兩種標(biāo)記方法：（1）用能夠?qū)е聽顟B(tài)向指定的下一狀態(tài)轉(zhuǎn)移的輸入信號(hào)來(lái)標(biāo)記（2）在當(dāng)前狀態(tài)下，用輸入信號(hào)的輸出來(lái)進(jìn)行標(biāo)記摩爾機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖與米利機(jī)相類似，但它的輸出是由各狀態(tài)的頂點(diǎn)來(lái)表示的，而不是 在弧線上表示? 算法狀態(tài)機(jī)（ASM）圖是時(shí)序狀態(tài)機(jī)功能的一種抽象，是模擬其行為特性的關(guān)鍵工具。 它類似于軟件流程圖，但顯示的是計(jì)算流程圖（如寄存器操作）的時(shí)間順序，以及在

4、狀 態(tài)機(jī)輸入影響下發(fā)生的時(shí)序步驟。ASM圖描述的是狀態(tài)機(jī)的行為動(dòng)作，而不是存儲(chǔ)元件所存儲(chǔ)的內(nèi)容。有時(shí)候用機(jī)器工作期間的行為動(dòng)作來(lái)描述狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)，比起用狀態(tài)機(jī) 產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行描述更為方便也更為重要? ASMD圖是ASM圖的擴(kuò)展。狀態(tài)機(jī)的一個(gè)重要應(yīng)用就是控制時(shí)序狀態(tài)機(jī)數(shù)據(jù)通道上的寄 存器操作，而該時(shí)序狀態(tài)機(jī)已被分為控制器和數(shù)據(jù)通道?？刂破骺梢杂肁SM圖來(lái)描述，我們修改ASM圖的目的是把它連接到狀態(tài)機(jī)所控制的數(shù)據(jù)通道上。當(dāng)控制器的狀態(tài)沿 著通道發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)， 通過標(biāo)注每個(gè)數(shù)據(jù)通道來(lái)指出那些在相關(guān)數(shù)據(jù)通道單元中所發(fā)生的 寄存器操作以這種方式連接到數(shù)據(jù)通道的ASM圖被稱為算法狀態(tài)機(jī)和數(shù)據(jù)通道 （ASMD

5、）圖。在把時(shí)序狀態(tài)機(jī)數(shù)據(jù)通道的設(shè)計(jì)從控制器的設(shè)計(jì)中分離出來(lái)，并在兩個(gè)單元之間保 持清晰聯(lián)系的情況下， ASMD圖有助于闡明這樣的時(shí)序狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)方法。與狀態(tài)轉(zhuǎn)移并 行發(fā)生的寄存器操作是在圖的通道上標(biāo)注的，而不是在通道上的條件框或狀態(tài)框中標(biāo)注的，因?yàn)檫@些寄存器并不是控制器的一部分。由控制器產(chǎn)生的輸出是那些控制數(shù)據(jù)通道 寄存器的信號(hào)，以及引發(fā) ASM圖上標(biāo)注的寄存器操作的信號(hào)。基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖（STG的設(shè)計(jì)對(duì)于一個(gè)同步時(shí)序狀態(tài)機(jī)的給定的STG設(shè)計(jì)的任務(wù)就是確定下一狀態(tài)和輸出邏輯。如果用一個(gè)二進(jìn)制碼來(lái)表示時(shí)序狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)，那么其值可以存儲(chǔ)在觸發(fā)器中。在時(shí)鐘的各個(gè)有效沿處，狀態(tài)保持觸發(fā)器的輸入變成下一個(gè)時(shí)

6、鐘周期的狀態(tài)。同步時(shí)序狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)就是要根據(jù)機(jī)器的狀態(tài)和外部輸入來(lái)確定能形成觸發(fā)器輸入的邏輯，該邏輯為組合邏輯，并且應(yīng)該是最簡(jiǎn)邏輯。對(duì)于有效地STG而言，其每個(gè)頂點(diǎn)必須表示一個(gè)唯一的狀態(tài)；每個(gè)弧線則表示在指定輸入信號(hào)的作用下， 從給定狀態(tài)到下一狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，并且從一個(gè)節(jié)點(diǎn)出發(fā)的各弧線必須對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的輸入。通常，與從一個(gè)節(jié)點(diǎn)出發(fā)的一組弧線有關(guān)的布爾條件必須滿足和為1（即狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖必須考慮到從一個(gè)節(jié)點(diǎn)出發(fā)的所有的可能的狀態(tài)轉(zhuǎn)移），并且在給定狀態(tài)下與輸入變量判定有關(guān)的每個(gè)分支條件必須對(duì)應(yīng)于一條唯一的弧線（即時(shí)序狀態(tài)機(jī)僅可以由一個(gè)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過一條弧線轉(zhuǎn)移到下一狀態(tài)）。根據(jù)時(shí)鐘到來(lái)之前的狀態(tài)值和當(dāng)前輸入值，由同步時(shí)序狀態(tài)機(jī)的