基于FPGA的有限状态机浅析

　　前言：状态机大法好，状态机几乎可以实现一切时序逻辑电路。

有限状态机（Finite State Machine， FSM），根据状态机的输出是否与输入有关，可分为Moore型状态机和Mealy型状态机。Moore型状态机输出仅仅与现态有关和Mealy型状态机不仅与现态有关，也与输入有关，所以会受到输入的干扰，可能会产生毛刺（Glith）的现象，所以我们通常使用的是Moore型状态机。

状态机的编码，二进制编码（Binary），格雷码编码（Gray-code），独热码（One-hot）。不同的编码方式是防止在状态转移中发生突变，使得状态转移更为稳定，系统更加可靠，但是通常情况下我们直接采用的是二进制进行编码，除非系统对稳定性和状态编码有特殊要求。

状态机的描述，一段式、二段式、三段式。

一段式状态机，将组合逻辑和时序逻辑混合在一起，这样的写法对于逻辑简单的状态机来说还是可以使用的，但是对于复杂的逻辑就不推荐了，如果状态复杂也会容易出错，而且一个always块中信号太多也不利于维护和修改。

 //状态参数声明
 parameter     S0    =    'b0000,
             S1    =    'b0001,
             s2    =    'b0010;
 //FSM one segment
 reg     [:]    state;
 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
     if(!rst_n)
         state <= S0;
     else begin
         case(state)
         S0:
         S1:
         S2:
         .
         .
         .
         default:
         endcase
     end
 end

两段式状态机也是一种常用的写法，它把组合逻辑和时序逻辑区分出来，第一段负责状态的转移，第二段是组合逻辑赋值，但是这种写法的缺点是，组合逻辑较容易产生毛刺等常见问题，关于组合逻辑较容易产生毛刺原因，下文会提到。

 //状态参数声明
 parameter     S0    =    'b0000,
             S1    =    'b0001,
             s2    =    'b0010;
 //FSM two segment
 reg     [:]    pre_state;
 reg     [:]    next_state;
 //--------------------------------------
 //FSM one
 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
     if(!rst_n)
         pre_state <= S0;
     else
         pre_state <= next_state;
 end
 
 //FSM two
 always    @(*)begin
     case(pre_state)
     S0:
     S1:
     S2:
     .
     .
     .
     default:;
     endcase
 
 end

三段式状态机就可以较好的解决一段二段的不足，我也是比较推荐的写法，第一段采用时序逻辑负责状态转移，第二段组合逻辑负责数据赋值，第三段时序逻辑负责输出，代码层次清晰，容易维护，时序逻辑的输出解决了两段式写法中组合逻辑的毛刺问题。但是资源消耗会多一些，此外，三段式从输入到输出会比一段式和二段式延迟一个时钟周期。在书写状态机的时候，一定要事先设计好状态转移图，将所有的状态都考虑到，避免状态进入死循环，或者跳到偏离态。

 //状态参数声明
 parameter     S0    =    'b0000,
             S1    =    'b0001,
             s2    =    'b0010;
 //FSM three segment
 //--------------------------------------
 //FSM one
 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
     if(!rst_n)
         pre_state <= S0;
     else
         pre_state <= next_state;
 end
 
 //FSM two
 always    @(*)begin
     case(pre_state)
     S0:
     S1:
     S2:
     .
     .
     .
     default:;
     endcase
 end
 
 //FSM three
 always    @(posedge clk or negedge rst_n)begin
     if(!rst_n)
         dout <= 'b0;
     else begin
         case(pre_state)
         S0:
         S1:
         S2:
         .
         .
         .
         default:;
         endcase
     end
 end

如下图，我通过一个实例来说明一下状态机的使用。下面是一个序列检测状态转移图，检测是的使1101这个序列，我们给这个序列的检测序列是11101 1101这一串数据。在这个序列检测器中，我们允许使用重复位。也就是说，前一个“1101”最后一位的1可以作为后一个“1101”序列的起始位。如果不允许重复为位，只需要将S4到S2的转移替换成S4到S1即可。

首先，从输出状态S0开始检测，当S0检测到1时跳到S1，否则跳回S0，S1检测到1状态跳到S2，否则跳回S0，S2检测到0状态跳到S3，否则还停留在S2状态，因为这里我们的检测序列允许重复位，所以S1检测到的1与S2检测到的1保留，不舍弃作为一下组1101的前两位，所以只需要继续检测下一位数据即可。S3、S4的状态一次类推。这里举着个例子是为了说明状态机的状态跳转，在我们实际的设计中这种情况也是会遇到的。

在使用状态机来描述时序电路的时候，首先应该做的是画出状态转移图，然后根据状态跳转来描述代码，最后便会事半功倍。这段序列检测的代码我也贴出来。当然这只是序列检测的一个应用了，我前面也说了状态机机会可以实现一切的时序电路。如果你遇到实在不好解决的设计，那么这个时候，你就可以考虑一下使用状态机了。

 module state(
     input                 mclk,
     input                rst_n,
     input                din,
     output     reg         dout;
     );
 
 parameter         s0 = 'b000,
                 s1 = 'b001,
                 s2 = 'b010,
                 s3 = 'b011,
                 s4 = 'b100;//状态
 //此为三段式状态机，还有一段式状态机，二段式状态机
 reg [:] present_state, next_state;
 //用摩尔状态机设计1101序列检测器
 //状态寄存器
 always @(posedge mclk or negedge rst_n)
 begin
     if(!rst_n)
         present_state <= s0;
     else
         present_state <= next_state;
 end
 
 //状态转换模块
 always @(*)
 begin
     case(present_state)
     s0: if(din==)
             next_state = s1;
          else
             next_state = s0;
     s1: if(din==1)
             next_state = s2;
         else
             next_state = s0;
     s2: if(din==0)
             next_state = s3;
         else
             next_state = s2;
     s3: if(din==)
             next_state = s4;
         else
             next_state = s0;
     s4: if(din==)
             next_state = s0;
         else
             next_state = s2;
     default: next_state = s0;
     endcase
 end
 
 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
     if(!rst_n)
         dout <= 'b0;
     else if(present_state ==s4)
         dout <= 'b1;
     else
         dout <= 'b0;
 end
 
 endmodule

在状态机的设计中，一段式状态机用时序逻辑，二段式状态机第一段用时序逻辑，第二段用组合逻辑，三段式状态机第一段用时序逻辑，第二段用组合逻辑，第三段用时序逻辑。我在设计的时候，尝试把第二段写成时序逻辑，最终结果并没有影响，时序逻辑随时钟变化，组合逻辑是直接赋值，所以在第三段状态机进行输出时，输出结果肯定是稳定的，但是这样会限制fmax。如果用时序逻辑的主频率过高的话，可能不如第二段组合逻辑赋值来的稳定，这里就还需要考虑到时序分析了，暂且不谈。这里还需要提的是使用三段式状态机相较于一段二段式，会延迟一个时钟周期输出，就是因为第三段使用了时序逻辑的缘故。

既然谈状态机的时候，说到了组合逻辑会产生毛刺的现象，那么这里就顺便整理一下，为什么组合逻辑会产生毛刺，组合逻辑的冒险与竞争分析。

竞争（Competition）在组合逻辑电路中，某个输入变量通过两条或两条以上的途径传到输出端，由于每条途径延迟时间不同，到达输出门的时间就有先有后，这种现象称为竞争。把不会产生错误输出的竞争的现象称为非临界竞争。把产生暂时性的或永久性错误输出的竞争现象称为临界竞争。

冒险（risk）信号在器件内部通过连线和逻辑单元时，都有一定的延时。延时的大小与连线的长短和逻辑单元的数目有关，同时还受器件的制造工艺、工作电压、温度等条件的影响。信号的高低电平转换也需要一定的过渡时间。由于存在这两方面因素，多路信号的电平值发生变化时，在信号变化的瞬间，组合逻辑的输出有先后顺序，并不是同时变化，往往会出现一些不正确的尖峰信号，这些尖峰信号称为"毛刺"。如果一个组合逻辑电路中有"毛刺"出现，就说明该电路存在冒险

竞争冒险(Competition risk)产生原因：由于延迟时间的存在，当一个输入信号经过多条路径传送后又重新会合到某个门上，由于不同路径上门的级数不同，或者门电路延迟时间的差异，导致到达会合点的时间有先有后，从而产生瞬间的错误输出。

首先看下面这个电路，使用了两个逻辑门，一个非门和一个与门，本来在理想情况下F的输出应该是一直稳定的0输出，但是实际上每个门电路从输入到输出是一定会有时间延迟的，这个时间通常叫做电路的开关延迟。而且制作工艺、门的种类甚至制造时微小的工艺偏差，都会引起这个开关延迟时间的变化。

实际上如果算上非门的延迟的话，那么F最后就会产生毛刺。信号由于经由不同路径传输达到某一汇合点的时间有先有后的现象，就称之为竞争，由于竞争现象所引起的电路输出发生瞬间错误的现象，就称之为冒险，所以在设计中我们要注意避免这个现象，最简单的避免方法是尽量使用时序逻辑同步输出。

这篇状态机和组合逻辑的冒险竞争就聊到这里，下次我们接着说时序逻辑的冒险竞争。

参考资料：百度百科，冒险竞争、《FPGA设计技巧与案例开发详解》、《FPGA数字逻辑设计教程——Verilog》、《深入浅出玩转FPGA》等网络文章。

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