有限状态机设计及functiontask对比

Posted 2023-04-02 Per_HR7

有限状态机的设计

• 作用—描述一个规律的状态变化与对应输出

• 状态机类型

  • mearly型：输出由当前状态和输入共同决定
  • moore型：输出只与当前状态有关
    

• 设计步骤

  • 根据设计需要，确定各状态与状态转移关系—状态转换图的设计
  • 采取合理的格式进行代码编写

• 设计中常见的三种格式
  
  
  

• 设计中的一些关键点

  • 状态机的设计必然涉及到state和nstate
  • 避免锁存器的出现，因此，可以在状态转换器的always中的最开始加入nstate=state,这样相当于在每个if后配备了else,保证不会出现锁存器。
  • 设计的核心就是必须要保证存在状态转换和对应输出的更新

• 实例设计一个1011序列检测器
  
  
  

• 状态机缺点

  • 只能在固定的状态做固定的事情，这或许对流水线设计并不友好
  • 同时考虑如果是一个很长序列需要检测状态机的设计显然会复杂化—移位寄存器加最后判断其实也是一种方案

function和task

• function组成—类似于函数—多个输入但只能有一个输出
  • function是定义在一个module内部，可以直接在后续被调用
  • 通常是描述一个组合逻辑，不存在时序问题，不可插入时延等
  • 基本结构

  function[2:0] test_code;// 定义函数名称及返回位宽
  input [8:0] din;// 定义输入名称及位宽
  begin
  /********* 主体功能 *********/
  end
  endfunction
  // 调用格式 dout <= test_code(in);
  

• task—可以有多个input和多个output
  • 可以加入延迟时间，可以直接访问module中的reg信号，可以作为敏感触发信号等
  • 可以解决重复做一件事情且需要时间等待
  • 基本结构

  task test_code;
  input [31:0] din1;
  input [31:0] din2;
  output [31:0] dout1;
  output [31:0] dout2;
  begin
    @(posedge clk);#1;
    penable = 1;
    /*************** 其他功能 ***************/
  end
  endtask
  // 调用格式 test_code(din1, din2);
  

• 总结：
  • 尽量使用function
  • function一般可综合，但是task中如果有时延则不可综合
  • verilog语言提供一些系统function
    • $time等等

（有限）状态机

参考技术A

状态机是最基本的设计模式。

而我们常常说的状态机指有限状态机，缩写是FSM（Finite State Machine）。

无限状态机仅仅是理论上存在的概念，比如，把1/3变成一个状态机的话，那这个状态就是无限循环了，实际上没啥实际的应用意义。

我们常说的状态机指有限状态机。

不夸张的说，状态机模型是世界运行的基础，大脑做的决策推演，在火星上运行的祝融号，计算机软件的底层设计，游戏中的沙雕AI，其底层逻辑都是状态机。

有限状态机的定义： 有限个状态 及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型；在计算机科学中，状态机的关键要素是状态和状态的转移。

按照输入输出关系，状态机模型有2个，分别是Moore模型（发明者：Edward Moore 1956）和Mealy模型（发明者：George H. Mealy 1955），看到这俩名字，莫名的就想到了《Rick and Morty》...

这两个模型的特点可以用如下公式概括：

一句话：

Moore的设计仅仅与状态有关，Mealy的设计与状态和输入有关系。

Mealy的状态比Moore的状态要少。

它们的设计和表示方法如下所示：

moore和mealy本质上并没有什么差别，设计上可以互相转化。

上图中的A Mealy 转为 Morre 如下所示：

上图中的B Moore 转为 Mealy 如下所示：

推导过程可以参考：http://catonblack.cn/2019-01-18/mealy2moore/

回到程序设计的话题，要设计一个通用的状态机程序，只用switch，case肯定是不够的；

当然，不管是用哪种语言，只要把握住状态机的三个核心要素即可，即：

画成一张图如下（手动 @陈振）：

把它转换成一个数据结构，即：

通用的设计思路是把所有的状态和状态转换表达成一个表，通过查表的形式驱动状态机运转起来。

状态转移表，示例是一个输入4个数字密码（9527）的状态转移表：

状态机的查询和运转：

运行结果展示：

在python里面有一个transitions状态机库，感兴趣的同学可以自己学习一把。

运行结果：

掌握了核心思想，设计一个状态机的通用程序并不是很复杂的事情。

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