有限狀態(tài)機的初始狀態(tài)與內存辯論

2021-01-07

狀態(tài)機有幾種編碼，最流行的是二進(jìn)制，格雷和一鍵編碼。對于人類(lèi)而言，選擇使用哪種編碼是一項艱巨的任務(wù)。這就是為什么最好讓編譯器為您選擇此項。

設計中的FSM

現在，您可以使用上述技術(shù)來(lái)設計Mealy和Moore狀態(tài)機，一旦掌握了這些技巧，就很有趣，也很有趣。

但是，除了學(xué)校的項目外，您真的 需要多久使用一種狀態(tài)機，該狀態(tài)機具有我們剛剛設計的那種任意行為？幾乎總是！乍一看可能并不明顯，但是您可以采用自頂向下的方法將系統描述為一系列狀態(tài)。此序列可以繪制為狀態(tài)圖，也可以記錄為狀態(tài)表。獲得該表示后，您就可以自由編寫(xiě)HDL代碼。

注意，在我們的示例中，您可能會(huì )或可能不會(huì )最終使用諸如y之類(lèi)的輸出變量，這很好，因為許多狀態(tài)機僅指示系統的行為，并且這種行為可以在專(zhuān)用狀態(tài)下編寫(xiě)。 

初始狀態(tài)如何？

自傳統邏輯集成電路（例如74LSXX TTL和40XX CMOS芯片）問(wèn)世以來(lái)，設置初始狀態(tài)一直是一個(gè)棘手的挑戰。那時(shí)，您依靠 觸發(fā)器的“預設” 和“清除”輸入，這些輸入與某些上電復位信號相關(guān)聯(lián)，因此在上電時(shí)始終會(huì )設置所需的初始狀態(tài)。

現在，對于FPGA，是否應在系統中使用復位輸入信號來(lái)充當此類(lèi)上電復位信號一直存在爭議。帶有重置輸入的我們的Verilog示例如下所示： 

module MyFSM(

        input clk,

        input reset,

        input x,

        output y);

    reg [1:0] state;

    assign y = state[1]&state[0]&x;

    always @ (negedge clk)

        if (reset)

            state <= 2’b00; // ...or the initial state you want.

        else case (state)

            2'b00: state <= x?2'b01:2'b00;

            2'b01: state <= x?2'b10:2'b00;

            2'b10: state <= x?2'b11:2'b00;

            2'b11: state <= 2'b00;

        endcase

endmodule 

之所以引起爭議，是因為以下事實(shí)：大多數（但不是全部）FPGA將其配置存儲器實(shí)現為易失性的靜態(tài)RAM（更好地稱(chēng)為SRAM），并且使用外部非易失性存儲設備以強大的功率將配置復制到FPGA中-在啟動(dòng)過(guò)程中。此啟動(dòng)過(guò)程通常使Verilog初始 塊可合成！

這意味著(zhù)，當您具有某種語(yǔ)言的初始化方法時(shí)，可能不需要復位輸入信號即可初始化變量。使用原始的Verilog示例，只需要一行代碼： 

initial state <= 2’b00; //

...或您想要的初始狀態(tài)。

但是，并非所有的FPGA都將其內部配置存儲器實(shí)現為SRAM。一些FPGA（如Lattice MachXO2系列）具有內部非易失性配置存儲器，因此無(wú)需啟動(dòng)任何東西，從而使初始 塊不可用于合成，僅對初始化測試平臺模塊有效。

 通常，初始塊無(wú)法合成的主要原因是Verilog用于許多目標技術(shù)，包括ASIC（沒(méi)有啟動(dòng)序列）。無(wú)論如何，您應該始終考慮遵循FPGA制造商的建議。是否使用復位輸入，或者如果您決定偏離，至少找到一個(gè)很好的理由。 

軟處理器中的FSM

您可能知道，所有CPU的控制邏輯在某處都有一個(gè)狀態(tài)機。狀態(tài)可能具有描述性名稱(chēng)，例如“獲取”，“解碼”，“執行”和“回寫(xiě)”，或者可以簡(jiǎn)單地將其視為執行周期，例如周期1，周期2等。關(guān)鍵是，CPU內核是Verilog中FSM令人驚訝的易于實(shí)現的應用程序。

如果您希望使用本文中介紹的技術(shù)在Verilog中實(shí)現軟處理器的實(shí)現。

首先，用Verilog編寫(xiě)FSM似乎令人生畏，但是如果讓綜合工具通過(guò)將代碼作為案例語(yǔ)句輸入來(lái)幫助您，則可以輕松啟動(dòng)并運行應用程序。