verilog一些學(xué)習(xí)狀態(tài)機(jī)的兩種寫法

1、狀態(tài)機(jī)的兩種寫法有限狀態(tài)機(jī) FSM廣泛應(yīng)用于硬件控制電路設(shè)計(jì)，也是上常用的一種處理方法(上稱為 FMM-有限消息機(jī))。它把復(fù)雜的控制邏輯分解成有限個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，在每個(gè)狀態(tài)上判斷事件，變連續(xù)處理為離散數(shù)字處理，符合計(jì)算機(jī)的工作特點(diǎn)。同時(shí)，因?yàn)橛邢逘顟B(tài)機(jī)具有有限個(gè)狀態(tài)，所以可以在實(shí)際的工程上實(shí)現(xiàn)。但這并不意味著其只能進(jìn)行有限次的處理，相反，有限狀態(tài)機(jī)是閉環(huán)系統(tǒng)，有限無(wú)窮，可以用有限的狀態(tài)，處理無(wú)窮的事務(wù)。有限狀態(tài)機(jī)的工作原理如圖 1 所示，發(fā)生事件(event)后，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)(cur_s定執(zhí)行的動(dòng)作(action)，并設(shè)置下一個(gè)狀態(tài)號(hào)(nxt_s e)。e)，決|發(fā)生事件 event| cur_s

2、|執(zhí)行動(dòng)作 actione |設(shè)置下一狀態(tài)號(hào) nxt_se當(dāng)前狀態(tài)圖 1 有限狀態(tài)機(jī)工作原理e0/a0-|e0/a0 |S0|-| e1/a1 V|-| e2/a2|S2|-|S1|-e2/a2-圖 2 一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)實(shí)例當(dāng)前狀態(tài)s0s1s2| 事件a0/s0-a0/s0|e0a1/s1-|e1a2/s2a2/s2-|e2表 1 圖 2 狀態(tài)機(jī)實(shí)例的二維表格表示(動(dòng)作/下一狀態(tài))圖 2 為一個(gè)狀態(tài)機(jī)實(shí)例的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，它的含義是：在 s0 狀態(tài)，如果發(fā)生 e0 事件，那么就執(zhí)行 a0 動(dòng)作，并保持狀態(tài)不變；如果發(fā)生 e1 事件，那么就執(zhí)行 a1 動(dòng)作，并將狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s1 態(tài)；如果發(fā)生 e2 事

3、件，那么就執(zhí)行 a2 動(dòng)作，并將狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s2 態(tài)；在 s1 狀態(tài)，如果發(fā)生 e2 事件，那么就執(zhí)行 a2 動(dòng)作，并將狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s2 態(tài)；在 s2 狀態(tài)，如果發(fā)生 e0 事件，那么就執(zhí)行 a0 動(dòng)作，并將狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s0 態(tài)；有限狀態(tài)機(jī)不僅能夠用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖表示，還可以用二維的表格代表。一般將當(dāng)前狀態(tài)號(hào)寫在橫行上，將事件寫在縱列上，如表 1 所示。其中“-”表示空 (不執(zhí)行動(dòng)作，也不進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移)，“an/sn”表示執(zhí)行動(dòng)作 an,同時(shí)將下一狀態(tài)設(shè)置為 sn。表 1 和圖 2 表示的含義是完全相同的。觀察表 1 可知，狀態(tài)機(jī)可以用兩種方法實(shí)現(xiàn)：豎著寫(在狀態(tài)中判斷事件)和橫著寫(在事件中判斷

4、狀態(tài))。這兩種實(shí)現(xiàn)在本質(zhì)上是完全等效的，但在實(shí)際操作中，效果卻截然不同。=豎著寫(在狀態(tài)中判斷事件)C 代碼片段=cur_s e = nxt_s e; switch(cur_s e)case s0:if(e0_event)保持狀態(tài)不變；執(zhí)行 a0 動(dòng)作;/在當(dāng)前狀態(tài)中判斷事件/在 s0 狀態(tài)/如果發(fā)生 e0 事件，那么就執(zhí)行 a0 動(dòng)作，并/nxt_s e = s0;/因?yàn)闋顟B(tài)號(hào)是自身，所以可以刪除此句，以提高運(yùn)行速度。else if(e1_event)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s1 態(tài)；執(zhí)行 a1 動(dòng)作; nxt_s e = s1;else if(e2_event)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s2 態(tài)；執(zhí)行 a2 動(dòng)作;

5、 nxt_s e = s2;break; case s1:if(e2_event)將狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s2 態(tài)；執(zhí)行 a2 動(dòng)作; nxt_s e = s2;/如果發(fā)生 e1 事件，那么就執(zhí)行 a1 動(dòng)作，并將/如果發(fā)生 e2 事件，那么就執(zhí)行 a2 動(dòng)作，并將/在 s1 狀態(tài)/如果發(fā)生 e2 事件，那么就執(zhí)行 a2 動(dòng)作，并break; case s2:if(e0_event)將狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 s0 態(tài)；執(zhí)行 a0 動(dòng)作; nxt_s e = s0;/在 s2 狀態(tài)/如果發(fā)生 e0 事件，那么就執(zhí)行 a0 動(dòng)作，并=橫著寫(在事件中判斷狀態(tài))C 代碼片段=/e0 事件發(fā)生時(shí)，執(zhí)行的函數(shù)void e0_

6、event_function(cur_s e;* nxt_se)cur_s e = *nxt_s switch(cur_s e) case s0:case s2:e;/觀察表 1，在 e0 事件發(fā)生時(shí)，s1 處為空?qǐng)?zhí)行 a0 動(dòng)作;*nxt_s e = s0;/e1 事件發(fā)生時(shí)，執(zhí)行的函數(shù)void e1_event_function(cur_s e;* nxt_se)cur_s e = *nxt_s switch(cur_s e)case s0:e;/觀察表 1，在 e1 事件發(fā)生時(shí)，s1 和 s2 處為空?qǐng)?zhí)行 a1 動(dòng)作;*nxt_s e = s1;/e2 事件發(fā)生時(shí)，執(zhí)行的函數(shù)void e

7、2_event_function(* nxt_se)cur_s e;cur_s e = *nxt_s e; switch(cur_s e)case s0:case s1:執(zhí)行 a2 動(dòng)作;*nxt_s e = s2;/觀察表 1，在 e2 事件發(fā)生時(shí)，s2 處為空上面橫豎兩種寫法的代碼片段，實(shí)現(xiàn)的功能完全相同，但是，橫著寫的效果明顯好于豎著寫的效果。理由如下：1、豎著寫隱含了優(yōu)先級(jí)排序(其實(shí)各個(gè)事件是同優(yōu)先級(jí)的)，排面的事件判斷將毫無(wú)疑問(wèn)地優(yōu)先于排在后面的事件判斷。這種 if/else if 寫法上的限制將破壞事件間原有的關(guān)系。而橫著寫不存在此問(wèn)題。2、由于處在每個(gè)狀態(tài)時(shí)的事件數(shù)目不一致，而且

8、事件發(fā)生的時(shí)間是隨機(jī)的，無(wú)法預(yù)先確定，導(dǎo)致豎著寫淪落為順序查詢方式，結(jié)構(gòu)上的缺陷使得大量時(shí)間被浪費(fèi)。對(duì)于橫著寫，在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，狀態(tài)是唯一確定的，在事件里查找狀態(tài)只要使用 switch 語(yǔ)句，就能一步定位到相應(yīng)的狀態(tài)，延遲時(shí)間可以預(yù)先準(zhǔn)確估算。而且在事件發(fā)生時(shí)，調(diào)用事件函數(shù)，在函數(shù)里查找唯一確定的狀態(tài)，并根據(jù)其執(zhí)行動(dòng)作和狀態(tài)轉(zhuǎn)移的思路清晰簡(jiǎn)潔，效率高，富有美感?？傊覀€(gè)人認(rèn)為，在里寫狀態(tài)機(jī)，使用橫著寫的方法比較妥帖。豎著寫的方法也不是完全不能使用，在一些小項(xiàng)目里，邏輯不太復(fù)雜，功能精簡(jiǎn)，同時(shí)為了節(jié)約內(nèi)存耗費(fèi)，豎著寫的方法也不失為一種合適的選擇。在 FPGA 類硬件設(shè)計(jì)中，以狀態(tài)為中心實(shí)現(xiàn)控制電

9、路狀態(tài)機(jī)(豎著寫)似乎是唯一的選擇，因?yàn)橛布惶赡芸渴录?qū)動(dòng)(橫著寫)。不過(guò)，在 FPGA 里有一個(gè)全局時(shí)鐘，在每次上升沿時(shí)進(jìn)行狀態(tài)切換，使得豎著寫的效率并不低。雖然在硬件里豎著寫也要使用 IF/ELSIF這類查詢語(yǔ)句(用 VHDL 開發(fā))，但他們到硬件上是組合邏輯，查詢只會(huì)引起門級(jí)延遲(ns量級(jí))，而且硬件是真正并行工作的，這樣豎著寫在硬件里就沒(méi)有影響。因此，在硬件設(shè)計(jì)里，使用豎著寫的方式成為必然的選擇。這也是為什么很多搞硬件的工程師在設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)時(shí)下意識(shí)地只使用豎著寫方式的原因，蓋思維定勢(shì)使然也。TCP 和PPP 框架協(xié)議里都使用了有限狀態(tài)機(jī)，這類狀態(tài)機(jī)最好使用橫著寫的方式實(shí)現(xiàn)。以某 TC

10、P 協(xié)議為例，見圖 3，有三種類型的事件：上層下達(dá)令事件；下層到達(dá)的標(biāo)志和數(shù)據(jù)的收包事件；超時(shí)定時(shí)器超件。上層命令(open,close)事件|TCP|超件timeoutRST/SYN/FIN/ACK/DATA 等收包事件圖 3 三大類 TCP 狀態(tài)機(jī)事件由圖 3 可知，此 TCP 協(xié)議棧采用橫著寫方式實(shí)現(xiàn)，有 3 種事件處理函數(shù)，上層命令處理函數(shù)(如tcp_close)；超件處理函數(shù) (tmr_slow)；下層收包事件處理函數(shù)(tcp_pros)。值得一提的是，在收包事件函數(shù)里，在各個(gè)狀態(tài)里判斷 RST/SYN/FIN/ACK/DATA 等標(biāo)志(這些標(biāo)志類似于事件)，看起來(lái)象豎著寫方式，其實(shí)，如果把包頭和數(shù)據(jù)看成一個(gè)整體，那么， RST/SYN/FIN/ACK/DA