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

編寫(xiě)能夠被綜合工具識別的狀態(tài)機，首先需要理解狀態(tài)機的基本概念和分類(lèi)。狀態(tài)機(FSM)是表示有限個(gè)狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間轉換的邏輯結構。在FPGA的設計中，狀態(tài)機的設計思想至關(guān)重要，因為它能夠使得FPGA在并行處理的基礎上實(shí)現與CPU類(lèi)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)化設計等特性。

首先，你需要根據設計需求選擇摩爾(Moore)型或米勒(Mealy)型狀態(tài)機。Moore型狀態(tài)機的狀態(tài)變化僅與當前狀態(tài)有關(guān)，而Mealy型狀態(tài)機的狀態(tài)變化還依賴(lài)于輸入信號。

狀態(tài)機實(shí)現

首先，定義一個(gè)模塊，包括時(shí)鐘、復位信號以及輸入輸出端口。并使用參數來(lái)定義狀態(tài)，例如使用獨熱碼（one-hot）進(jìn)行狀態(tài)編碼。

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


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(yǔ)句來(lái)描述時(shí)鐘邊沿或復位邊沿觸發(fā)的狀態(tài)轉移邏輯，常包含三個(gè)部分：下一個(gè)狀態(tài)的邏輯電路、存儲當前狀態(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; // 復位到初始狀態(tài)
  end else begin
????//?根據輸入和當前狀態(tài)計算下一個(gè)狀態(tài)
    case (state)
      s0: begin
????????if?(A_in?==?1)?state?<=?s1;?//?當輸入為1時(shí)，轉移到s1
        // 其他條件...
      end
      // 其他狀態(tài)轉移...
    endcase
  end
end

最后再根據當前狀態(tài)計算輸出信號。

assignB_out=...;//根據state計算輸出表達式

與Moore型狀態(tài)機類(lèi)似，定義模塊并包含必要的輸入輸出端口，同樣使用參數定義狀態(tài)。Mealy型狀態(tài)機的輸出是在輸入信號變化后立即發(fā)生變化的。因此，需要在always @(posedge clk or negedge rst_n)語(yǔ)句中同時(shí)考慮輸入的變化，并且最后需要根據當前狀態(tài)和輸入計算輸出信號。

另外，在實(shí)際進(jìn)行狀態(tài)機的編程過(guò)程中，需要繪制狀態(tài)轉換圖，明確每個(gè)狀態(tài)之間的轉換條件和結果狀態(tài)，再根據繪制的狀態(tài)轉換圖，編寫(xiě)verilog實(shí)現代碼。

為了測試狀態(tài)機的正確性，還需要編寫(xiě)相應的testbench代碼，提供輸入信號并觀(guān)察輸出結果是否符合預期。最后在EDA工具中對代碼進(jìn)行編譯、布局布線(xiàn)，上板驗證狀態(tài)機設計的正確性。

如何選擇狀態(tài)機類(lèi)型

盡管這兩種類(lèi)型的狀態(tài)機都廣泛應用于數字電路設計、雷達通信系統等領(lǐng)域，但它們各自的特點(diǎn)決定了它們在特定應用場(chǎng)景下的適用性。因此需要根據項目的具體需求、對響應速度的要求、是否需要根據輸入信號調整輸出以及對狀態(tài)數的需求等因素綜合考慮：

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

輸出邏輯：Moore型狀態(tài)機的輸出只與當前狀態(tài)有關(guān)，而Mealy型狀態(tài)機的輸出不僅與當前狀態(tài)有關(guān)，還與輸入信號有關(guān)。這表明如果需要根據不同的輸入信號來(lái)調整輸出，Mealy型狀態(tài)機可能是更合適的選擇。

狀態(tài)數需求：實(shí)現同等功能時(shí)，Moore型狀態(tài)機需要的狀態(tài)數更多，因為Mealy型狀態(tài)機可以根據狀態(tài)和輸入結合來(lái)看需不需要執行相應動(dòng)作，從而減少一些狀態(tài)。因此，如果項目允許，且對狀態(tài)數的要求不是特別高，使用Mealy型狀態(tài)機會(huì )更加高效。

設計原則與要求：在設計狀態(tài)機時(shí)，需要考慮安全性、穩定性、速度、面積以及設計的清晰度等因素。選擇Moore型或Mealy型狀態(tài)機應基于這些綜合因素進(jìn)行權衡。

審核編輯：劉清