在Verilog中實現(xiàn)Moore型和Mealy型狀態(tài)機的方法簡析

編寫能夠被綜合工具識別的狀態(tài)機，首先需要理解狀態(tài)機的基本概念和分類。狀態(tài)機(FSM)是表示有限個狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的邏輯結(jié)構(gòu)。在FPGA的設計中，狀態(tài)機的設計思想至關(guān)重要，因為它能夠使得FPGA在并行處理的基礎上實現(xiàn)與CPU類似的串行處理效果，同時具有高效的順序控制模型、容易利用EDA工具進行優(yōu)化設計等特性。

首先，你需要根據(jù)設計需求選擇摩爾(Moore)型或米勒(Mealy)型狀態(tài)機。Moore型狀態(tài)機的狀態(tài)變化僅與當前狀態(tài)有關(guān)，而Mealy型狀態(tài)機的狀態(tài)變化還依賴于輸入信號。

狀態(tài)機實現(xiàn)

首先，定義一個模塊，包括時鐘、復位信號以及輸入輸出端口。并使用參數(shù)來定義狀態(tài)，例如使用獨熱碼（one-hot）進行狀態(tài)編碼。

module moore_state_machine (
  input wire clk, // 時鐘信號
  input wire rst_n, // 復位信號
inputwireA_in,//輸入信號
outputregB_out//輸出信號
)


parameters0=4'b0000;//狀態(tài)0
parameters1=4'b0010;//狀態(tài)1
//其他狀態(tài)...

然后，使用always @(posedge clk or negedge rst_n)語句來描述時鐘邊沿或復位邊沿觸發(fā)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移邏輯，常包含三個部分：下一個狀態(tài)的邏輯電路、存儲當前狀態(tài)的時序邏輯電路、輸出組合邏輯電路。

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
  if (!rst_n) begin
    state <= s0; // 復位到初始狀態(tài)
  end else begin
????//?根據(jù)輸入和當前狀態(tài)計算下一個狀態(tài)
    case (state)
      s0: begin
????????if?(A_in?==?1)?state?<=?s1;?//?當輸入為1時，轉(zhuǎn)移到s1
        // 其他條件...
      end
      // 其他狀態(tài)轉(zhuǎn)移...
    endcase
  end
end

最后再根據(jù)當前狀態(tài)計算輸出信號。

assignB_out=...;//根據(jù)state計算輸出表達式

與Moore型狀態(tài)機類似，定義模塊并包含必要的輸入輸出端口，同樣使用參數(shù)定義狀態(tài)。Mealy型狀態(tài)機的輸出是在輸入信號變化后立即發(fā)生變化的。因此，需要在always @(posedge clk or negedge rst_n)語句中同時考慮輸入的變化，并且最后需要根據(jù)當前狀態(tài)和輸入計算輸出信號。

另外，在實際進行狀態(tài)機的編程過程中，需要繪制狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，明確每個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件和結(jié)果狀態(tài)，再根據(jù)繪制的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，編寫verilog實現(xiàn)代碼。

為了測試狀態(tài)機的正確性，還需要編寫相應的testbench代碼，提供輸入信號并觀察輸出結(jié)果是否符合預期。最后在EDA工具中對代碼進行編譯、布局布線，上板驗證狀態(tài)機設計的正確性。

如何選擇狀態(tài)機類型

盡管這兩種類型的狀態(tài)機都廣泛應用于數(shù)字電路設計、雷達通信系統(tǒng)等領域，但它們各自的特點決定了它們在特定應用場景下的適用性。因此需要根據(jù)項目的具體需求、對響應速度的要求、是否需要根據(jù)輸入信號調(diào)整輸出以及對狀態(tài)數(shù)的需求等因素綜合考慮：

時序與響應速度：Moore型狀態(tài)機的時序更好，但其響應要慢一拍；而Mealy型狀態(tài)機的響應最快，但在時序上要差一些。這意味著如果項目對電路的響應速度有較高要求，可能會傾向于選擇Mealy型狀態(tài)機。

輸出邏輯：Moore型狀態(tài)機的輸出只與當前狀態(tài)有關(guān)，而Mealy型狀態(tài)機的輸出不僅與當前狀態(tài)有關(guān)，還與輸入信號有關(guān)。這表明如果需要根據(jù)不同的輸入信號來調(diào)整輸出，Mealy型狀態(tài)機可能是更合適的選擇。

狀態(tài)數(shù)需求：實現(xiàn)同等功能時，Moore型狀態(tài)機需要的狀態(tài)數(shù)更多，因為Mealy型狀態(tài)機可以根據(jù)狀態(tài)和輸入結(jié)合來看需不需要執(zhí)行相應動作，從而減少一些狀態(tài)。因此，如果項目允許，且對狀態(tài)數(shù)的要求不是特別高，使用Mealy型狀態(tài)機會更加高效。

設計原則與要求：在設計狀態(tài)機時，需要考慮安全性、穩(wěn)定性、速度、面積以及設計的清晰度等因素。選擇Moore型或Mealy型狀態(tài)機應基于這些綜合因素進行權(quán)衡。

審核編輯：劉清