FPGA状态机设计详解

一.什么是状态机？

        想象一下你正在玩一个电子游戏，角色有多种状态，比如“行走”、“跳跃”、“攻击”等。每当你按下不同的按键或者满足某些条件时，角色的状态就会改变，并执行与该状态对应的动作。这就是状态机的一个简单例子。

        在FPGA设计中，状态机也有类似的作用。它根据输入信号和当前状态，决定下一个状态，并执行与该状态相关的操作。这些操作可以是控制某个外设、处理数据、或者改变其他模块的状态等。

二.状态机的基本结构

        状态机通常包括以下几个部分：

1. 当前状态：表示状态机当前所处的状态。
2. 输入信号：来自外部或其他模块的信号，用于触发状态转换。
3. 状态转换逻辑：根据当前状态和输入信号，决定下一个状态。
4. 输出动作：与每个状态相关的操作或响应。

三.状态机的类型

        根据状态转换的方式，状态机可以分为两种类型：

1. 有限状态机（Finite State Machine, FSM）：只有有限个状态，并且状态之间的转换是确定的。这是最常见的状态机类型。
2. 无限状态机：理论上可以有无限个状态，但在实际应用中，通常会通过一些手段将其转化为有限状态机来处理。

四.如何设计状态机？

        可参考FPGA状态机（一段式、二段式、三段式）、摩尔型（Moore）和米勒型（Mealy）

                • Moore 状态机：组合逻辑的输出只取决于当前状态，而与输入状态无关。

                • Mealy 状态机：输出不仅取决于当前状态，还取决于输入状态。

   设计状态机时，通常需要考虑以下几个步骤：

1. 定义状态：明确状态机需要处理的所有可能状态。
2. 定义输入和输出：确定哪些信号可以作为输入来触发状态转换，以及每个状态需要执行的输出动作。
3. 绘制状态转换图：使用图形化的方式表示状态之间的转换关系。
4. 编写代码：使用硬件描述语言（如VHDL或Verilog）编写状态机的代码。

 （1）Moore 状态机

 1.定义状态，输入输出

• IDLE：初始状态，对输入的码流进行检测，若为1则跳转到状态A，则为0保留在该状态

• A:  对输入的码流进行检测，若为0则跳转到状态B（10），则为1保留在该状态

• B:  对输入的码流进行检测，若为0则跳转到状态C（100），则为1则跳转到状态A（101）

• C:  对输入的码流进行检测，若为1则跳转到状态D（1001），则为0则跳转到状态IDLE（1000）

• D:  对输入的码流进行检测，若为0则跳转到状态E（10010），则为1则跳转到状态A（10011）

• E:  此时已经成功检测到了序列”10010“，可以拉高输出。

   • 重复检测：然后对输入的码流进行检测，若为0则跳转到状态C（100_100，后面的100可视为新的一轮检测），则为1则跳转到状态A（10010_1）

   • 非重复检测：然后对输入的码流进行检测，若为0则跳转到状态IDLE（10010_0，后面的100不可视为新的一轮检测），则为1则跳转到状态A（10010_1）

2.绘制状态转换图

3.代码

4.测试代码

5.时序分析

（2）Mealy 状态机

        Mealy 状态机的输出不仅取决于当前状态，还取决于输入状态。所以在检测到序列”1001“后，若下一个输入为0则会拉高输出；若下一个输入为1则无输出。

1.定义状态，输入输出

•  IDLE：初始状态，对输入的码流进行检测，若为1则跳转到状态A，则为0保留在该状态

•  A：对输入的码流进行检测，若为0则跳转到状态B（10），则为1保留在该状态

•  B：对输入的码流进行检测，若为0则跳转到状态C（100），则为1则跳转到状态A（101）

•  C：对输入的码流进行检测，若为1则跳转到状态D（1001），则为0则跳转到状态IDLE（1000）

•  D：对输入的码流进行检测，则为1则跳转到状态A（10011）；若为0则成功检测到了序列”10010“，可以拉高输出。

重复检测：则跳转到状态E（100_10，后面的10可视为新的一轮检测）

非重复检测：则跳转到状态IDLE（10010_，开始新的一轮检测）

2.绘制状态转换图

3.代码

 4.测试代码

5.时序分析

五.状态机的优势

        使用状态机进行FPGA设计有以下几个优势：

1. 结构清晰：状态机将复杂的逻辑划分为多个简单的状态，使得设计更加清晰易懂。
2. 可维护性高：当需要修改或添加功能时，只需要修改相应的状态或状态转换逻辑即可。
3. 可靠性高：状态机能够确保在特定条件下执行正确的操作，减少了出错的可能性。

六.总结

        状态机是FPGA设计中一个非常重要的概念。它通过将复杂的逻辑划分为多个简单的状态，使得设计更加清晰、可维护且可靠。希望本文的介绍能够让你对FPGA中的状态机有更深入的了解。