毕业论文（设计）基于Verilog 的有限状态机设计说明书.docVIP

基于Verilog 的有限状态机设计与优化 1 引言 在集成电路的设计过程中, 不论是使用FPGA还是ASIC 来实现, 有限状态机经常是作为一个电路设计的关键部分而出现的 . 状态机的功能是否完善( 是否强壮型) 对整个电路会产生重大的影响. 有限状态机主要有两种类型: Moore 型状态机和M ealy 型状态机. Moore 型状态机是指输出只与当前状态有关, 与输入信号无直接关系. 而Mealy 型状态机的输出不只与当前状态有关, 还与输入信号有关 . 文中以目前常用的硬件描述语言Verilog HDL 为基础, 对不同的状态机编码类型和状态机描述风 格对状态机性能的影响进行了深入的分析. 分别使 用Xilinx ISE 和 Design Compiler 对实例进行了综 合,分析了面积、速度与功耗的信息, 给出了对于不 同类型状态机的最佳编码风格. 2 状态机编码 状态的编码方式最常用的有二进制码、格雷码 和独热码三种, 不同的状态机编码方式对状态机的影响非常大 . 如表1 所示. 二进制的编码从第一个状态到最后一个状态是 按二进制码的顺序排列的, 是一种最普通的编码方式. 表1 不同的编码比较 十进制码 Binary code Gray code One- hot code 0 000 000 0001 1 001 001 0010 2 010 011 0100 3 011 010 1000 用格雷码进行状态的变换时, 相邻状态转换 只有一个状态位发生翻转. 这样就可以消除转换时由多条状态信号线的传输延迟所造成的毛刺, 大大 地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆可以降低功耗. one- hot 状态译码简单, 只有 1 位是 1 其他位为0, 易于修改, 可以减少组合逻辑, 但会使用更多的触发 , 增加电路面积. Binary- code、Gray- code 编码使用最少的触发 器, 较多的组合逻辑, 而One- hot 编码反之. 因此, Binary 和Gray- code 适用于触发器资源 较少, 组合电路资源丰富的情况( CPLD) , 对于FP GA 则更适用 One- hot code, 因为这样可以充分利 用FPGA 丰富的触发器资源. 另外, 小型设计通常 使用Binary- code 和 Gray- code, 对于大型的设计 使用One- hot code 效果更佳 . 3 状态机的描述方法 状态机的描述方法通常有三种: 一段式( one al ways) 、二段式( two always) 和三段式( three always) . 3. 1 一段式 一段式的状态机描述方法是指将整个状态机写 到一个alw ays 模块里, 该模块描述当前状态转移, 又描述状态的输入和输出. 由于一段式的描述方法是给 STATE 自身赋值, 所以本身就会引入一个周期的延时, 需要在设计中通过 预计算 考虑进去. 一段式的描述方法所有输出都是寄存器输出的, 因此不会产生毛刺, 但是这种组合逻辑和时序逻辑都写到一起的方法是不可取的, 而且在描述当前状态的时候还要考虑到下一状态的输出. 这种描述方法可读 性差、难于理解和维护, 不利于时许约束、功能更改及调试, 对于Mealy 型的状态机来说, 容易出现Latches. 3. 2 二段式 二段式的状态机描述方法是指使用两个always模块, 其中一个always 模块采用同步时序的方式描述当前状态和下一状态的转移, 另一个alw ays 模块采用组合逻辑来描述下一状态和输出向量的赋值. 二段式的描述方法比一段式的更合理, 它更易于阅读、理解和维护, 更利于综合并优化代码. 但是它的缺点是第二个alw ays 块组合逻辑的输出会出现毛刺, 影响电路性能. 3. 3 三段式 三段式的状态机描述方法是由二段式发展而来的, 在二段式两个alw ays 的基础上又增加了一个alw ays 块来描述每个状态的输出, 用寄存器寄存了一拍