"本文主要介绍了如何使用Verilog设计有限状态机(FSM),特别是用于创建模5计数器的方法,并探讨了FSM的多种描述方式。"
在Verilog语言中,有限状态机(Finite State Machine, FSM)是设计数字系统的重要工具,常用于控制逻辑或序列检测等任务。在给定的示例中,我们看到一个模5计数器的实现,它使用了摩尔型(Moore)状态机的特性,即输出只依赖于当前状态,而不受输入的影响。
1. **模5计数器设计**:
模5计数器是一种计数器,其输出值在0到4之间循环。在给出的代码中,`qout`是一个3位的寄存器,用于表示状态,范围从000到100,共5个状态。`always @(posedge clk or posedge clr)`块定义了状态转换,当时钟上升沿到来或者异步复位信号`clr`被激活时,状态会更新。这里,`clr`为高电平时,计数器被复位,`qout`置为0。否则,根据`case`语句,状态会按顺序递增,形成循环。
2. **摩尔型状态机**:
摩尔型状态机的特点是输出只取决于当前状态,不考虑输入。在给出的代码中,`always @(qout)`块用于根据当前状态`qout`生成输出`z`。当`qout`为100时,`z`被设置为1,表示模5计数器达到最大值,其他状态下`z`为0。
3. **Verilog中的FSM描述方式**:
FSM在Verilog中有多种描述方法,包括:
- **三个过程描述**:现态(Current State, CS)、次态(Next State, NS)和输出逻辑(Output Logic, OL)分别由独立的`always`块描述。
- **双过程描述(CS+NS, OL)**:一个`always`块描述CS和NS,另一个描述OL。
- **双过程描述(CS, NS+OL)**:一个`always`块处理CS,另一个处理NS和OL。
- **单过程描述**:所有逻辑(CS, NS, OL)都在一个`always`块内完成。
4. **101序列检测器**:
FSM可以用来检测特定的输入序列,例如在提供的代码片段中,`fsm1_seq101`模块用于检测"101"序列。它使用了参数化状态编码(格雷码)和两个`always`块来分别处理状态转移和输出。
在设计FSM时,开发者需要考虑状态编码的选择(如二进制码或格雷码)、同步和异步复位、时钟边沿触发、状态之间的转换逻辑以及输出的计算。理解这些基本概念对于高效地利用Verilog进行数字系统设计至关重要。