Verilog学习笔记设计和验证篇(三)...............同步有限状态机的指导原则

 因为大多数的FPGA内部的触发器数目相当多,又加上独热码状态机(one hot code machine)的译码逻辑最为简单,所以在FPGA实现状态机时,往往采用独热码状态机(即每个状态只有一个寄存器置位的状态机)。建议采用case语句来建立状态机的模型,因为这些语句表达清晰明了,可以方便的由当前状态转向下一个状态并设置输出。记得:不要忘记在case语句的最后写上default分支,并将状态设置为'bx这就等于告诉综合器case语句已经指定了所有的状态。这样综合器就可以删除不必要的译码电路使生成的电路简洁。

如果将默认的状态设置为某一确定值的状态可不可以呢?

这样会导致,虽然综合器产生的逻辑和设置default:state=’bx;相同,但是状态机的Verilog模型综合前和综合后的仿真结果不一致。因为启动仿真器时,状态机的所有状态都不确定,因此立即进入default状态。这时便会导致开始的状态为state1,但是实际的硬件电路在通电以后,进入的状态是不确定的,很可能不是state1的状态,因此'bx更切合实际一些。但是再有多余状态的情况下,可以通过哦综合指令(高级教程)将默认状态设置为某一确定的有效状态,因为这样能够使得状态机在偶然进入多余状态后,仍能在下一时钟跳变沿返回正常工作状态,否则引起死锁。

目前大多数综合其往往不支持在一个always快中由多个事件触发的状态机(隐含状态机,implicit state machine),为了能综合出有效的电路,用Verilog描述的状态机应明确的由唯一时钟触发。如果比需要用到不同时钟触发的状态机,可以采用以下程序:编写另一个模块,并采用第二种时钟触发;然后用适中调用的方法再领一个模块中将它们连接起来。为了使设计更简单,调试更加容易,通常使得两个状态机的周期由一定的关系。

在Verilog中状态必须明确赋值,使用参数parameter和define都可以实现:

参数定义:parameter state1=2'0,state2=2'1;

                              ...

                     current_state=state1;

宏定义:`define state1=2'b0,state2=2'b1;

                           ....

                     current_state=`state2;

语言指导原则:

1)always块

(1)每个always块只能有一个事件控制@(event-control),而且要紧跟在always关键词后面。

(2)always块可以表示时序逻辑或者组合逻辑,也可以同时表示透明锁存器和组合逻辑,但是不建议使用,因为可能产生不希的透明锁存器。

(3)带有posedge和negedge关键词的事件表达式代表边沿触发的时序逻辑,没有这两种关键词的表示组合逻辑或者点评敏感的锁存器,如果有多个沿和电平,期间必须用or隔离。

(4)每个在always中复制的信号都必须定义成reg型或整型。整形变量默认位32位,可以对整形变量的范围进行规定,如 integer  [7:0]amm;

(5)always块中应避免组合反馈回路。每个表示时序的always块只能有一个时钟沿跳变触发,置位和复位信号最好也由该时钟触发。

在用always块设计纯组合逻辑网络时,在生成组合逻辑的always中参与复制的所有信号都必须有明确的值,即在赋值表达式右边赋值信号必须都在always的敏感列表中列出。如果某一变量没有出现在变量列表中,那么在综合时将会该信号隐含的产生一个透明锁存器,这是因为该信号的变化并不能改变赋值的变化,而要先把该信号的变化存起来,等到敏感列表中的其他值发生变化时再起作用,纯组合逻辑不能做到这一点。这样综合后的电路就不是纯组合电路了,这时综合器会发出警告,提示设计插入了锁存器。见下例:

1    input a,b,c;
2    reg e,d;
3    always @(a or b or c)
4     begin
5       e=d&a&b;
6       /*因为d没有在敏感列表中列出,多以d变化时,e不能立刻变化,必须等到a或b或c变化时才体现出来。这就是说实际上相当于存在一个电平敏感的透明锁存器在起作用,把d的信号变化锁存在其中*/
7       d=e|c;
8       end

2)赋值

(1)对一个寄存器变量(reg)和整型(integer)变量给定位的赋值,只允许在一个alawys块内进行,如果在另一个always块中也赋值,这是非法的。

(1)把一个信号的值赋值为'bx,综合器就把他解释成无关状态,因而综合器为其生成的硬件电路最简洁。

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