eda技术实用教程verilog四版第8章

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1、第8章有限状态机设计技术有限状态机及其设计技术是实用数字系统设计中的重要组成部分，也是实现高效率、高可靠和高速控制逻辑系统的重要途径。广义而论，只要是涉及触发器的电路，无论电路大小，都能归结为状态机。因此，对于数字系统设计工程师，面对的只要是时序电路设计，状态机的概念则是必须贯穿于整个设计始终的最基本的设计思想和设计方法论；只有从电路状态的角度去考虑，才能从根本上把握可靠，高效的时序逻辑的设计关键。在现代数字系统设计中，状态机的设计对系统的高速性能、高可靠性、稳定性都具有决定性的作用。读者对于此章的学习必须给于高度的关注。有限状态机应用广泛，特别是对那些操作和控制流程

2、非常明确的系统设计，在数字通信领域、自动化控制领域、CPU设计领域以及家电设计领域都拥有重要的和不可或缺的地位。尽管到目前为止，有限状态机的设计理论并没有增加多少新的内容，然而面对先进的EDA工具、日益发展的大规模集成电路技术和强大的硬件描述语言，有限状态机在其具体的设计和优化技术以及实现方法上却有了许多新的内容和新的实现方法。本章重点介绍用Verilog设计不同类型有限状态机的方法，同时考虑EDA工具和设计实现中许多必须重点关注的问题，如优化、毛刺的处理及编码方式等方面的问题。8.1Verilog状态机的一般形式就理论而言，任何时序模型都可以归结为一个状态机。如只含

3、一个D触发器的二分频电路或一个普通的4位二进制计数器都可算作一个状态机；前者是两状态型状态机，后者是16状态型状态机，都属于一般状态机的特殊形式。但这些并非出自明确的自觉的设计目的和合理的状态机设计方案而导致的时序模块，未必能成为一高速、高效、稳定、控制流畅、修改便捷和功能目标明确的真正意义上的状态机。基于现代数字系统设计技术自觉意义上的状态机的HDL表述形态和表述风格具有一定的典型性和格律化。正是据此，现代EDA的综合器能从不同表述形态的HDL程序中轻易地萃取出（Extract）状态机设计，并加以多侧面多目标和多种形式的优化；甚至还能能动地改变、脱离甚至不遵从设计程

4、序文字上的表述，而按照综合器自己的方式去优化状态机的设计。对于不断涌现的优秀的EDA设计工具，状态机的设计和优化的自动化已到了相当高的程度。显然，在本节中认识状态机的经典的和一般意义上的表现形式十分重要。用Verilog可以设计不同表达方式和不同实用功能的状态机，而且多数状态机都有相对固定的语句和程序表达方式。只要把握了这些固定的语句表达部分，就能根据实际需要写出各种不同风格和面向不同实用目的的Verilog状态机了。2EDA技术实用教程VerilogHDL版8.1.1状态机的特点与优势这里首先从数字系统设计的一些具体的技术层面来讨论设计状态机的目的。往往有这种情形，

5、面对同一个设计目标的不同形式的逻辑设计方案中，如果利用有限状态机的设计方案来描述和实现将可能是最佳选择。大量设计实践不断证明，无论与基于HDL的其他设计方案相比，还是与可完成相似功能的CPU相比，在许多方面，有限状态机都有其难以超越的优越性，这主要表现在以下几个方面：（1）高效的顺序控制模型。状态机克服了纯硬件数字系统顺序方式控制不灵活的缺点。状态机的工作方式是根据控制信号按照预先设定的状态进行顺序运行的。状态机是纯硬件数字系统中的顺序控制模型（相对于基于软件工作的CPU），因此状态机在其运行方式上类似于控制灵活和方便的CPU，是高速高效过程控制的首选。（2）容易利用

6、现成的EDA工具进行优化设计。由于状态机构建简单，设计方案相对固定，特别是可以作一些独具特色的规范固定的表述，使得这一切为HDL综合器尽可能自动地发挥其强大的优化功能提供了便利条件。而且，性能良好的综合器都具备许多可控或自动的优化状态机的功能，如编码方式选择、安全状态机生成等。（3）系统性能稳定。状态机容易构成性能良好的同步时序逻辑模块，这对于对付大规模逻辑电路设计中令人深感棘手的竞争冒险现象无疑是一个上佳的选择。因此，与其他的设计方案相比，在消除电路中的毛刺现象，强化系统工作稳定性方面，状态机的设计方案将使设计者拥有更多的可供选择的解决方案。（4）设计实现效率高。与

7、HDL的其他描述方式相比，状态机的表述形式相对固定却又灵活多样，且程序层次分明，结构清晰，易读易懂，排错修改便捷。（5）高速性能。在高速通信和高速控制方面，状态机更有其巨大的优势。在HDL中，一个状态机可以由多个always过程构成，一个module模块实体结构中可以包含多个状态机；而一个单独的状态机或多个并行运行的状态机，以顺序方式所能完成的运算和控制方面的工作与一个CPU或多核CPU的功能类似。因此，一个模块实体的功能便类似于一个含有并行运行的多CPU的功能。然而就运行速度而言，尽管CPU和状态机都是按照时钟节拍以顺序时序方式工作的，但CPU是按