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状态机练习

2022-07-17 21:46:00 【狴鲲】

文章目录

一、相关原理

写在前面的一些个人理解在我看来，状态机就是一个描述处于不同情况下代码运行哪些部分的块，可以把它理解为C语言中的swich选择语句，只是选择的条件要更为复杂一些。（个人理解，有待加深）

1.有限状态机

状态机由状态寄存器和组合逻辑电路构成，能够根据控制信号按照预先设定的状态进行状态转移，是协调相关信号动作、完成特定操作的控制中心。有限状态机简写为FSM（Finite State Machine），主要分为2大类：Moore状态机和Mealy状态机

2.Moore状态机

摩尔状态机:当输出(output)只与当前状态有关时，所描述的状态机称为Moore型状态机。

3.Mealy状态机

米利状态机:当输出(output)不仅与当前状态有关而且与输入(inputs)有关时，所描述的状态机称为Mealy型状态机。

4.状态机描述方法

一段式
只有一个always块，把所有的逻辑(输入、输出、状态）都在一个always块的时序逻辑中实现。这种写法看起来很简洁，但是不利于维护，如果状态复杂一些容易出错。

两段式
有两个always 块，把时序逻辑和组合逻辑分隔开来。时序逻辑里进行当前状态和下一状态的切换，组合逻辑实现各个输入、输出以及状态判断。这种写法不仅便于阅读、理解、维护，而且利于综合器优化代码，利于用户添加合适的时序约束条件，利于布局布线器实现设计。在两段式描述中，当前状态的输出用组合逻辑实现，可能存在竞争和冒险，产生毛刺。

三段式
有三个always块，一个采用同步时序的方式描述状态转移，一个采用组合逻辑的方式判断状态转移条件、描述状态转移规律，第三个always使用同步时序的方式描述每个状态的输出。
代码容易维护，时序逻辑的输出解决了两段式组合逻辑的毛刺问题，但是从资源消耗的角度上看，三段式的资源消耗多一些。

5.状态机标准评判标准

好的状态机的标准很多，最重要的几个方面如下:
第一，状态机要安全，是指FSM不会进入死循环，特别是不会进入非预知的状态，而且由于某些扰动进入非设计状态，也能很快的恢复到正常的状态循环中来。这里面有两层含义:其一要求该FSM的综合实现结果无毛刺等异常扰动;其二要求FSM要完备，即使受到异常扰动进入非设计状态，也能很快恢复到正常状态。
第二，状态机的设计要满足设计的面积和速度的要求。
第三，状态机的设计要清晰易懂、易维护。

二、核心代码

module test(
     input  wire         clk,
	 input  wire         rst_n,
	 
	 output wire  [3:0]  led
);
parameter   MAX_NUM = 26'd49_999_999;//记最大数，时间1s parameter C0 = 5'd5;//5s
parameter   C1 = 5'd20;//20s parameter C2 = 5'd18;//18s
parameter   C3 = 5'd25;//25s parameter C4 = 5'd14;//14s
parameter   C5 = 5'd8;//8s //状态空间 parameter S0 = 3'd0;//初始状态
parameter S1  = 3'd1;//准备状态 parameter S2 = 3'd2;//启动状态
parameter S3  = 3'd3;//停止状态 parameter S4 = 3'd4;//查询状态
parameter S5  = 3'd5;//结果状态 reg [4:0] number;//每个模块计数 reg [25:0] cnt;//计数寄存器 reg [4:0] state_time;//每个状态记录时 reg [2:0] flag;//状态标志 reg [2:0] cstate;//现态 reg [3:0] led_r; //1秒钟计数器 [email protected](posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n) begin //按下复位键 cnt<=26'd0; 		  //计数器清零
    end
    else if(cnt == MAX_NUM)begin
        cnt <= 26'd0; end else begin cnt <= cnt + 1'd1;
	 end
end

//各模块计数器
[email protected](posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)  begin   	 //按下复位键
	    state_time <= 1'd0; end else if(cnt == MAX_NUM)begin state_time <= state_time + 1'd1;
	 end
	 else if(state_time == number)begin
	     state_time <=  1'd0; end else begin state_time <= state_time; end end //状态切换 [email protected](posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begin cstate <= S0; number <= C0; flag <= 1'd0;
	end	
	else begin
	  case(cstate)
	    S0:begin
		   if(state_time == 3'd5&&(!flag))begin cstate <= S1; number <= C1; flag <= flag + 1'd1;
		   end
			else begin
			   cstate <= S0;
			end
		 end
		 S1:begin
		   if(state_time == 5'd20&&(flag == 1))begin cstate <= S2; number <= C2; flag <= flag + 1'd1;
			end
			else begin
			   cstate <= S1;
			end
		 end
		 S2:begin
		   if(state_time == 5'd18&&(flag == 2))begin cstate <=S3; number <= C3; flag <= flag + 1'd1;
		   end
			else begin
			   cstate <= S2;
			end
		 end
		 S3:begin
		   if(state_time == 5'd25&&(flag == 3))begin cstate <=S4; number <= C4; flag <= flag + 1'd1;
			end
			else begin
			  cstate <= S3;
			end
		 end
		 S4:begin
		   if(state_time == 5'd14&&(flag == 4))begin cstate <=S5; number <= C5; flag <= flag + 1'd1;
			end
			else begin
			   cstate <= S4;
			end
		 end
		  S5:begin
		   if(state_time == 5'd8 &&(flag == 5))begin cstate <=S0; number <= C0; flag <= 1'd0;
			end
			else begin
			   cstate <= S5;
			end
		 end
		 default:begin 
		      cstate <=S0;
			   number <= C0;
				flag <= 1'd0; end endcase end end //led灯状态 [email protected](posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begin led_r <= 4'b0000;
	end
	else begin
	   case(cstate)
		  S0:  led_r <= 4'b0001; S1: led_r <= 4'b0011;
		  S2:  led_r <= 4'b0111; S3: led_r <= 4'b1111;
		  S4:  begin
		         if(cnt == MAX_NUM)begin
					  led_r <= ~led_r;
					 end
					 else begin
					  led_r <= led_r ;
					 end
		       end
		 S5:  led_r <=4'b0000; default:led_r <= 4'b0000;
		endcase
	end
end
assign led = led_r;
endmodule

三、检测10010串的状态

在这里插入图片描述
代码
状态处理模块

//状态识别：10010
module deal(
    input   wire       clk, 
	 input   wire       rst_n,
    input   wire [1:0] key,
    output  wire [3:0] led 
);  
parameter MAX_NUM =26'd49_999_999; parameter CNT_02 =24'd9_999_999;
//状态空间
parameter S0  = 3'd0; parameter S1 = 3'd1;
parameter S2    = 3'd2; parameter S3 = 3'd3;
parameter S4    = 3'd4; parameter S5 = 3'd5;
reg [2:0]   cstate;
reg [25:0]  cnt_1s;
reg [23:0]  cnt_200ms;
reg [3:0]   led_r;

//计数器1s
[email protected](posedge clk or negedge rst_n)begin
   if(!rst_n)begin
	  cnt_1s <= 26'd0; end else if(cnt_1s == MAX_NUM)begin cnt_1s <= 26'd0;
	end
	else begin
	  cnt_1s <= cnt_1s + 1'd1; end end //计数器0.2s [email protected](posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begin cnt_200ms <= 24'd0;
	end
	else if(cnt_200ms == CNT_02)begin
	  cnt_200ms <= 24'd0; end else begin cnt_200ms <= cnt_200ms + 1'd1;
	end
end

//密码切换
[email protected](posedge clk or negedge rst_n)begin
   if(!rst_n)begin
      cstate <= S0;
	end	
	else begin
	  case(cstate)
	    S0:begin
		   if(key[1])begin
			  cstate <=S1;
		   end
			else if (key[0])begin
			  cstate <= S0;
			end
			else begin
			  cstate <= S0;
			end
		 end
		 S1:begin
		   if(key[0])begin
			  cstate <=S2;
		   end
			else if (key[1])begin
			  cstate <= S0;
			end
			else begin
			  cstate <= S1;
			end
		 end
		 S2:begin
		   if(key[0])begin
			  cstate <=S3;
		   end
			else if (key[1])begin
			  cstate <= S1;
			end
			else begin
			  cstate <= S2;
			end
		 end
		 S3:begin
		   if(key[1])begin
			  cstate <=S4;
		   end
			else if (key[0])begin
			  cstate <= S2;
			end
			else begin
			  cstate <= S3;
			end
		 end
		 S4:begin
		   if(key[0])begin
			  cstate <=S5;
		   end
			else if (key[1])begin
			  cstate <= S3;
			end
			else begin
			  cstate <= S4;
			end
		 end
		 S5:begin
		    if(cnt_1s == MAX_NUM)begin
	        cstate <= S0;
			 end
			else begin
			  cstate <= S5;
			end
		  end
		 default:cstate <= S0;
	  endcase
	end
end

[email protected](posedge clk or negedge rst_n)begin
   if(!rst_n)begin
      led_r <= 4'b0000; end else begin case(cstate) S0: led_r <= 4'b0000;
		  S1:  led_r <= 4'b0001; S2: led_r <= 4'b0011;
		  S3:  led_r <= 4'b0111; S4: led_r <= 4'b1111;
		  S5:  begin
		         if(cnt_200ms == CNT_02)begin
					  led_r <= ~led_r;
					 end
					 else begin
					  led_r <= led_r ;
					 end
		       end
		  default:led_r <= 4'b0000;
		endcase
	end
end
assign led = led_r;
endmodule

四、总结

在我看来，状态机就是一个描述处于不同情况下代码运行哪些部分的块，可以把它理解为C语言中的swich选择语句，只是选择的条件要更为复杂一些。

参考链接

https://blog.csdn.net/weixin_43828944/article/details/122079158?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522165175176816781683953876%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334.pc%255Fblog.%2522%257D&request_id=165175176816781683953876&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2blogfirst_rank_ecpm_v1~rank_v31_ecpm-1-122079158.nonecase&utm_term=%E7%8A%B6%E6%80%81%E6%9C%BA&spm=1018.2226.3001.4450

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