数字集成电路设计（四、Verilog HDL数字逻辑设计方法）（三）

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4. 有限同步状态机

• ！！产生：硬件描述语言对时序电路的设计方式。这种描述方式和真值表都差不多，都表征了对于一个数字电路通用的设计方式

• ！！！！功能很强大，但是并不代表在硬件描述语言中提倡这种方式，当电路设计到一定阶段时，我们更希望用基础的设计语言去做电路

• 有限状态机是借助于综合工具实现电路的一种方式，如果对于状态转移图或者Verilog描述过程中如果产生错误或者不确定的理解，这时候设计就会产生很大问题
  

• 同其它时序电路一样，有限状态机也是由两部分组成：存储电路和组合逻辑电路。存储电路用来生成状态机的状态，组合逻辑电路用来提供输出以及状态机跳转的条件

• 从中间画一条线把它分为上下两部分，称为二部图。二部图对于数字电路来讲是一个非常重要的概念，实际上联系了两部分不同性质的电路之间的关系。从图论的角度来讲，如果有一个edge能把上下两部分分开，这两部分就是独立的

• 有限状态机分为两种类型：Mealy型和Moore型
  

• 最大的区别：Mealy 型状态机的输出与当前状态和输入有关系，Moore 型状态机的输出仅依赖于当前状态而与输入无关

• ！！！！对于Mealy电路，影响组合电路延迟的是由组合逻辑和输入信号的延迟决定的， 而对于Moore电路，输出逻辑只由输出组合逻辑决定。所以。Moore型的状态机要比Mealy型的状态机要快，因为它的输出延迟只由一部分输出逻辑决定，而Mealy型的延迟由输入信号决定，当输入信号延迟非常大时，输出结果将会是不对的，也就输输出频率会降下来

• ！！！！所以，在很长一段时间内，会从对状态机不了解到写成Moore型状态机。但是并不是说Mealy状态机不行，Mealy有它的特点，对于一些组合电路要求输出一定要跟着输入有变化的时候，Mealy型状态机就会产生很好的作用

• ！！！！从群延迟的角度来说，也就是只有一个信号和一个信号进行比较时，这时Mealy状态机是快的。Moore说它工作频率高主要是说它状态寄存器到输出，延迟只由输出组合逻辑决定，所以很快。Moore的工作频率很快，但是从绝对延迟来讲，Mealy更快，但是就是有的时候不稳定，如果对输入信号没有进行处理，或者对输入信号不了解的情况下，这时候做这个电路的压力就会非常大

• 所以，这两种状态机的选择要根据自己的情况来定

• 有限状态机是基础的电路设计的最后一部分，之前的电路是要求对电路的特点，电路到底用了什么电路，用了多少什么门一定要非常清楚，设计方法（查找表，移位寄存器等）一定要非常清楚。**！！！！但是对有限状态机来讲，在整个数字电路的硬件描述语言设计，唯一可以不用知道特点的，就是有限状态机，可以不用知道电路，按照模板写就行了。**因为在它的逻辑里，对状态会有编码，这种编码计算机在对它实现的时候非常了解，但是设计人员并不是很了解。简而言之，对于存储电路就是一个一拍的移位寄存器，输入信号，状态，输出信号也可以知道，可以不知道的是这个输入信号到下个状态的编码，这个交给计算机来完成

4.1 编码

• 有限状态机的编码是一个非常关键的问题，编码的好坏和方式根据电路有很大的不同，下面举三种编码方式
• 第一种：二进制编码
  （1）其状态寄存器是由触发器组成的。N 个触发器可以构成2ⁿ个状态。进制编码的优点是使用的触发器个数较少，节省资源，用最少的bit描述多位；缺点是状态跳转时可能有多个 bit(位)司时变化，引起毛刺，造成逻辑错误。
  （2）换种说法，对于二进制编码，在0111-1000和1111到0000，这两个过程所有寄存器全部进行了翻转，这时功耗就会增加，而且电路种竞争-冒险就会多，有效电路速度就会降下来
• 第二种：格雷编码
  （1）格雷编码和二进制编码类似。格雷编码状态跳转时只有一个 bit(位)发生变化，减少了产生毛刺和一些暂态的可能
  （2）格雷码的使用也有一些限制，当状态转换特别复杂，多个状态指向一个，从这个状态不一定就是跳转到格雷码的下一个状态，这时就没有完全解决上面的问题
  （3）！！但是格雷码肯定是对二进制编码有一定的提升，因为它能解决大部分临近编码跳转的问题
• 第三种：一位独热(One hot)编码
  （1）这是对于n个状态采用个 bit(位)来编码，每个状态编码中只有一个 bit(位)为1，如0001、0010、0100、1000。
  （2）！！使用One hot编码在任何情况下都只有两个bit发生变化，这就解决了电路的速度，竞争等带来的不确定性
  （3）One hot 编码增加了使用触发器的个数，而且状态多了，触发器太多，速度也会降下来
• ！！所以，不同的编码方式产生的结果是完全不一样的

4.2 有限状态机的写法

• 有限状态机的写法有很多，常见的是两段式和三段式两种
• 如何解释这两种方式呢？我们有三个方式，输出方式，驱动方程和状态转移方程，有一个是一定要分开的（状态转移方程），两段式就是输出方程和驱动方程放在一起写，三段式就都分开写
  （1）两段式写法：
  
  （2）三段式写法：
  
• ！！！！在有限状态机中，所有的状态和输出信号在每一个分支条件下必须对它进行赋值，如果赋值是不变的，就要把信号写给它，就是不变的，否则就会产生latch

4.3 举例

4.3.1 用Verilog HDL 设计顺序脉冲发生器

• 顺序脉冲发生器又称脉冲分配器，它将高电平脉冲依次分配到不同的输出上，保证在每个时钟周期内只有一路输出高电平，不同时钟上的高电平脉冲依次出现在所有输出端
• 以 4 位顺序脉冲发生器为例，它有 4路输出W₁，W₂，W₃，W₄，每路输出上高电平脉冲依次出现，输出在 1000、0100、0010，0001 之间循环。4 位顺序脉冲发生器的状态转移图如图 4.4-3 所示，它由4 个状态构成，每个状态中“1”的个数都是1个，表示每个时钟周期内只有一路输出端为高电平，而且是轮流出现，因此生成了顺序脉图4.4-3 4位顺序脉冲发生器电路的状态转移图冲信号
  
• 代码如下：
  

4.3.2 设计-个自动售报机报纸价钱为八角，纸币有 1角、2 角5 角、一元。该自动售报机不考虑投币为大额面值等特殊情况

• 经常会考，目的就是画状态转移图

• 图中,So~S，为状态机的8 个状态角标代表已投币的总和，如 S代表没有投币，S，代表已投入 1 角，依此类推。M 代表输入，M1 表示投入1角硬币，M2 代表投入2角硬币，M5 代表投入5 角硬币，M10代表投入一元。
  

• data out=1 表示给出报纸，data out retuml=1 表示找1角硬币，data out return2=l表示找回2角硬币

• 代码如下
  （1）P1和P2
  
  （2）P3和P4
  
  （3）P5和P6
  

• ！！！！所以在HDL中，强调有限状态图的写法，而不是注意语法