基于Verilog表达的FSM状态机

news2025/1/12 5:57:40

基于Verilog表达的FSM状态机

1 FSM
- 1.1 Intro
- 1.2 Why FSM?
- 1.3 How to do

在这里聚焦基于Verilog的三段式状态机编程；

1 FSM

1.1 Intro

状态机是一种代码实现功能的范式；一切皆可状态机；
状态机编程四要素：–
1.状态State：
2.转态跳转Condition Jump：
3.行为Action：
4.次态–>现态Transform：
基本范式：systemverilog是Verilog的超集，使用可综合语句即可综合成电路；使用三段式转态机对应的综合电路：

这样看更直观：


module enum_fsm (input clk, reset, input int data[3:0], output int o);
enum int unsigned { S0 = 0, S1 = 2, S2 = 4, S3 = 8 } state, next_state;
always_comb begin : next_state_logic
	  next_state = S0;
	  case(state)
		S0:if(xxx) 
			next_state = S1;
		    else if(xxx)
			next_state = S2;
		    else 	
			next_state = S0;	
		S1: next_state = S2;
		S2: next_state = S3;
		S3: next_state = S3;
	  endcase
end
always_comb begin
	  case(state)
		 S0: o = data[3];
		 S1: o = data[2];
		 S2: o = data[1];
		 S3: o = data[0];
	  endcase
end
always_ff@(posedge clk or negedge reset) begin
	  if(~reset)
		 state <= S0;
	  else
		 state <= next_state;
end
endmodule

1.2 Why FSM?

无论是设计复杂的系统还是处理简单的逻辑流程，状态机都能提供清晰健壮、可维护且易于扩展的代码实现；
状态机思想提供了一种结构化、模块化和可扩展的思维方式进行功能逻辑实现；

逻辑清晰：状态机思想通过将系统行为划分为不同的状态和状态之间的切换，使得系统的逻辑更加清晰。可以帮助明确知道系统当前处于哪个状态，以及在不同状态下应该执行哪些动作；----有助于逻辑思考和代码可读性；
易于维护：状态机将系统的行为模块化，每个状态及转换都是相对独立的；这帮助解耦，使得修改和拓展该模块功能时，可以专注于特定的状态和转换，而不用再考虑整个系统的复杂性了；
可拓展性：状态机思想使得添加新的状态或转换变得相对简单。开发者只需要定义新的状态、转换条件和动作，然后将其集成到现有的状态机中即可。
错误处理：状态机通常包含对错误状态的处理机制。当系统遇到异常情况或无效输入时，状态机可以将其引导到错误处理状态，执行相应的错误恢复操作。
逻辑调试：状态机将系统的行为划分为有限数量的状态和转换，这使得在调试和测试阶段更容易追踪和定位问题。开发者可以通过模拟不同的状态转换和输入条件来测试系统的行为，从而确保系统的正确性和稳定性。
最后一句话：状态机思想为开发者提供了一种结构化、模块化和可扩展的方法来处理系统的复杂行为。通过采用状态机思想，开发者可以设计出更加清晰、健壮和易于维护的软件系统。