2014.9摩尔及米利型状态机的VerilogHDL描述方法
verilog 状态机 最佳写法
verilog 状态机最佳写法Verilog编程语言广泛应用于数字电路设计中，特别是在嵌入式系统和硬件描述语言中。
状态机是一种常用的设计模式，可以帮助我们描述复杂的行为和控制逻辑。
本文将介绍如何使用Verilog编写状态机，并提供一些最佳实践。
第一部分：Verilog简介Verilog是一种硬件描述语言，最初由美国自动化控制协会（ACM）开发。
它是一种用于描述、仿真和生成数字电路的高级编程语言。
Verilog提供了描述硬件的能力，使我们能够在逻辑级别上描述电路的行为。
第二部分：状态机简介状态机是一种抽象的数学模型，用于描述系统或程序的行为。
它由一组状态、输入和输出组成，并在不同状态之间进行转换。
状态机可以用于描述任何连续或离散的系统，包括硬件和软件。
第三部分：状态机的设计方法在Verilog中，我们可以使用参数化模块和状态寄存器来描述状态机。
参数化模块可以接受输入和输出，根据当前状态和输入转换到下一个状态，并产生相应的输出。
下面是一个简单的例子：```module fsm #(parameter N=3) (input logic clk, reset, input logic [N-1:0] input, output [N-1:0] output);typedef enum logic [1:0] {S0, S1, S2} state_t;state_t state, next_state;always_ff @(posedge clk or posedge reset) begin if (reset) beginstate <= S0;end else beginstate <= next_state;endendalways_comb begincase (state)S0: begin// State S0 behavioroutput = input;next_state = S1;endS1: begin// State S1 behavioroutput = ~input;next_state = S2;endS2: begin// State S2 behavioroutput = 2'b11;next_state = S0;enddefault: begin// Default behavioroutput = 2'b00;next_state = S0;endendcaseendendmodule```在这个例子中，我们定义了一个状态机模块，它有一个时钟信号、一个复位信号、一个输入信号和一个输出信号。
verilog语言设计Moore型状态转换机
数字电子技术基础可编程逻辑器件大作业Moore型状态转换机班级：0906101学号：1090610106姓名：康代涛1. Moore型状态转换机1.1设计目的与要求利用Verilog HDL设计一个电路，对输入的一串二进制数，用于检测序列中连续2个或者2个以上的1，状态转换如图1，图2所示图1 Moore型状态转换机状态转换图图2 Moore型状态转换机状态转换表1.2 Verilog HDL源代码module Statetable(clk,op,ip);input clk,ip;output op;reg op;reg[1:0] current_state,next_state;parameter S0=2'b00,S1=2'b01,S2=2'b10,S3=2'b11;always@(posedge clk)beginif(ip==0) current_state=S0;else current_state<=next_state;endalways@(current_state or ip)begincase(current_state)S0:beginop=0;if(ip==0) next_state=S0;else next_state=S1;endS1:beginop=0;if(ip==0) next_state=S0;else next_state=S2;endS2:beginop=0;if(ip==0) next_state=S0;else next_state=S3;endS3:beginop=1;if(ip==0) next_state=S3;else next_state=S0;enddefault:beginop=0;next_state=S0;endendcaseendendmodule1.2仿真原理图Moore型状态转换机的仿真原理图如图3所示图3 Moore型状态转换机的仿真原理图1.3仿真状态转换图Moore型状态转换机的仿真状态转换图如图6所示图4 Moore型状态转换机的仿真状态转换图1.4仿真波形图Moore型状态转换机的仿真状态波形图如图5所示图5 Moore型状态转换机的仿真状态波形图2设计总结本次设计利用Verilog HDL设计一个电路，对输入的一串二进制数，用于检测序列中连续2个或者2个以上的1。
Verilog HDL使用简介
Shandy @ IME of Tsinghua Univ. 2004
什么是Verilog HDL?
Verilog HDL是一种硬件描述语言，用于从算 法级、结构级、门级到开关级的多种抽象设计 层次的数字系统建模。
被建模的数字系统对象的复杂性可以介于开关
级电路（例如pmos/nmos）、简单的门（例如 库单元描述）和完整的复杂电子数字系统之间 （例如CPU）
Top = 3'b001; #2 Top = 3'b011 ;
end
在Verilog HDL中有两种形式的注释： /*第一种形式:可以扩展至 多行*/ //第二种形式:在本行结束。
Shandy @ IME of Tsinghua Univ. 2004
Verilog HDL语法 － 值集合
Verilog HDL有下列四种基本的值：
Verilog HDL使用简介
张建良 shandy98@
数字大规模集成电路讲义
Shandy @ IME of Tsinghua Univ. 10/11/2004
提纲
什么是Verilog HDL? Verilog HDL vs. VHDL Verilog HDL语法 设计描述层次 设计的测试与验证 可综合的设计 有限状态机（FSM) 一个除法器的设计实例 常用仿真器和综合软件 网络资源
1) 0：逻辑0或“假”
2) 1：逻辑1或“真” 3) x：未知 4) z：高阻 在门或一个表达式的输入中有为“z”的值则输出通常解释成“x”。 此外， x值和z值都是不分大小写的。 Verilog HDL中的常量是由以上这四类基本值组成的。
Shandy @ IME of Tsinghua Univ. 2004
Verilog HDL代码描述对状态机综合的研究
1 引言Verilog HDL作为当今国际主流的HDL语言,在芯片的前端设计中有着广泛的应用。
它的语法丰富,成功地应用于设计的各个阶段：建模、仿真、验证和综合等。
可综合是指综合工具能将Verilog HDL代码转换成标准的门级结构网表,因此代码的描述必须符合一定的规则。
大部分数字系统都可以分为控制单元和数据单元两个部分,控制单元的主体是一个状态机,它接收外部信号以及数据单元产生的状态信息,产生控制信号,因而状态机性能的好坏对系统性能有很大的影响。
有许多可综合状态机的Verilog代码描述风格,不同代码描述风格经综合后得到电路的物理实现在速度和面嫌泻艽蟛畋稹Ｓ判愕拇朊枋鲇Φ币子谛薷摹⒁子诒嘈春屠斫?有助于仿真和调试,并能生成高效的综合结果。
2 有限状态机有限状态机(Finite State Machine,FSM)在数字系统设计中应用十分广泛。
根据状态机的输出是否与输入有关,可将状态机分为两大类：摩尔(Moore)型状态机和米莉(Mealy)型状态机。
Moore型状态机的输出仅与现态有关;Mealy型状态机的输出不仅与现态有关,而且和输入也有关。
图1是有限状态机的一般结构图,它主要包括三个部分,其中组合逻辑部分包括状态译码器和输出译码器,状态译码器确定状态机的下一个状态,输出译码器确定状态机的输出,状态寄存器属于时序逻辑部分,用来存储状态机的内部状态。
图1 状态机的结构框图2.1 好的状态机标准好的状态机的标准很多,最重要的几个方面如下：第一,状态机要安全,是指FSM不会进入死循环,特别是不会进入非预知的状态,而且由于某些扰动进入非设计状态,也能很快的恢复到正常的状态循环中来。
这里面有两层含义。
其一要求该FSM的综合实现结果无毛刺等异常扰动,其二要求FSM要完备,即使受到异常扰动进入非设计状态,也能很快恢复到正常状态。
第二,状态机的设计要满足设计的面积和速度的要求。
第三,状态机的设计要清晰易懂、易维护。
verilog的三种描述方式
verilog的三种描述方式（最新版）目录1.引言2.Verilog 描述方式概述1.结构描述2.数据流描述3.行为描述4.混合描述3.结构描述1.门级结构描述2.模块级结构描述4.数据流描述1.逻辑关系2.持续赋值语句5.行为描述1.寄存器传输级描述2.状态机描述6.混合描述7.结论正文一、引言Verilog 是一种硬件描述语言，广泛应用于数字电路和模拟混合信号电路的设计验证。
在 Verilog 中，有多种描述方式可以实现逻辑功能，包括结构描述、数据流描述、行为描述和混合描述。
本文将对这些描述方式进行详细介绍。
二、Verilog 描述方式概述1.结构描述：通过调用逻辑原件，描述它们之间的连接来建立逻辑电路的 Verilog 模型。
这里的逻辑元件包括内置逻辑门、自主研发的已有模块、商业 IP 模块。
结构描述分为门级结构描述和模块级结构描述。
2.数据流描述：根据信号之间的逻辑关系，采用持续赋值语句描述逻辑电路的行为。
数据流描述关注信号的传输和处理过程，适用于组合逻辑电路的设计。
3.行为描述：通过描述电路的输入输出行为，以及电路内部状态的变化，来实现逻辑功能的描述。
行为描述主要包括寄存器传输级描述和状态机描述。
4.混合描述：结合结构描述、数据流描述和行为描述，实现对逻辑功能的全面描述。
混合描述可以充分利用 Verilog 的各种特性，提高描述的准确性和效率。
三、结构描述1.门级结构描述：通过实例化内置逻辑门或使用自定义模块，构建逻辑电路的结构。
例如，可以使用与门、或门、非门等逻辑门实现组合逻辑电路。
2.模块级结构描述：将具有一定功能的模块进行组合，形成复杂的逻辑电路。
模块可以是自主研发的已有模块，也可以是商业 IP 模块。
四、数据流描述1.逻辑关系：根据信号之间的逻辑关系，使用持续赋值语句进行描述。
例如，对于一个与非门，可以使用`assign #5 neg(a);`语句描述其输出信号与输入信号 a 的逻辑关系。
verilog 状态机写法
verilog 状态机写法在Verilog中，有几种常用的状态机写法，包括Mealy状态机、Moore状态机和通用状态机。
下面简要介绍每种写法的特点：Mealy状态机：输出依赖于当前状态和输入信号。
输出的变化可以与状态的变化同步。
Verilog代码示例：module MealyFSM (input logic clk,input logic reset,input logic input_signal,output logic output_signal);enum logic [2:0] states;logic [2:0] current_state, next_state;always_ff @(posedge clk or posedge reset) beginif (reset)current_state <= states[0];elsecurrent_state <= next_state;endalways_comb begincase (current_state)states[0]: begin // State 0if (input_signal)next_state = states[1];elsenext_state = states[0];output_signal = input_signal & next_state[0]; // Output depends on current state and input signalendstates[1]: begin // State 1if (input_signal)next_state = states[0];elsenext_state = states[1];output_signal = input_signal | next_state[0]; // Output depends on current state and input signalend// Add more states and conditions as neededendcaseendEndmoduleMoore状态机：输出只依赖于当前状态。
FPGA Verilog HDL 设计实例系列连载--------有限状态机设计
数字系统有两大类有限状态机（Finite State Machine，FSM）：Moore状态机和Mealy 状态机。
Moore状态机其最大特点是输出只由当前状态确定，与输入无关。
Moore状态机的状态图中的每一个状态都包含一个输出信号。
这是一个典型的Moore状态机的状态跳转图，x、y、z是输入，a、b、c是输出。
Mealy状态机它的输出不仅与当前状态有关系，而且与它的输入也有关系，因而在状态图中每条转移边需要包含输入和输出的信息。
状态编码数字逻辑系统状态机设计中常见的编码方式有：二进制码（Binary码）、格雷码（Gray 码）、独热码（One-hot码）以及二一十进制码（BCD码）。
格雷码的特点：相邻的两个码组之间仅有一位不同。
普通二进制码与格雷码之间可以相互转换。
二进制码转换为格雷码：从最右边一位起，一次与左边一位“异或”，作为对应格雷码该位的值，最左边的一位不变（相当于最左边是0）。
格雷码转换为二进制码：从左边第二位起，将每一位与左边一位解码后的值“异或”，作为该解码后的值（最左边的一位依然不变）。
独热码又分为独热1码和独热0码，是一种特殊的二进制编码方式。
当任何一种状态有且仅有一个1时，就是独热1码，相反任何一种状态有且仅有一个0时，就是独热0码。
状态机的描述状态机有三种描述方式：一段式状态机、两段式状态机、三段式状态机。
下面就用一个小例子来看看三种方式是如何实现的。
（各种图片，各种坑爹啊 - -！）一段式状态机当把整个状态机卸载一个always模块中，并且这个模块既包含状态转移，又含有组合逻辑输入/输出时，称为一段式状态机。
不推荐采用这种状态机，因为从代码风格方面来讲，一般都会要求把组合逻辑和时序逻辑分开；从代码维护和升级来说，组合逻辑和书序逻辑混合在一起不利于代码维护和修改，也不利于约束。
1.//一段式状态机来实现：在异步复位信号的控制下，一段式状态机进入IDLE2.//状态，q_sig4被复位，一旦sig1或者sig2有效，状态机进入WAIT状态，如果3.//sig1和sig2同时有效，那么状态机进入DONE状态，4.//如果sig4还有效，那么q_sig4置位，同时状态机进入IDLE状态。
2014.9摩尔及米利型状态机的VerilogHDL描述方法
2014.9摩尔及米利型状态机的VerilogHDL描述方法例1：MOORE 型状态机设某个控制器的状态转换图如下所示：输入：in 、时钟clk 、和复位信号输出：out用Verilog将NS 、 OL 、 CS module statmach(clk, in, reset, out); input clk, reset; //时钟、复位信号 input in; //输入 output out; reg out; //输出reg current_state; //现态寄存器reg next_state; //次态寄存器，NS 与CS 分开描述时必须定义parameter s0 = 0, s1 = 1; //状态编码always @( current_state or in )begincase (current_state) s0: if(in) next _state<=s1;else if (!in) next _state<=s0 s1:if(in) next _state<=s0; else if (!in) next _state<=s1default: next _state<=s0； endcaseendalways @(posedge clk ) begin if (reset)current_state <= s0;else current_state<= next endalways @( current_state )in=0状态编码：S0=0，S1=1。
in=0时钟CS NS OL 复位begin case (current_state) s0: out <= 0;s1:out <= 1; default:out <= x;endcase end endmodule将CS 与NS 混合描述，OL 单独描述：module statmach(clk, in, reset, out); input clk, reset; //时钟、复位信号 input in; //输入output out; //输出 reg out;reg current_state; //现态寄存器parameter s0 = 0, s1 = 1; //状态编码always @(posedge clk ) begin if (reset) current_state = s0; else case (current_state) s0:if (in) current_state = s1;else if (!in)current_state = s0;s1: if (in) current_state = s0; else if (!in) current_state = s1;default: current_state = s0;endcase endin=0OL时钟CSNSOLMOORE 型状态机结构图复位always @(current_state ) begincase (current_state) s0: out = 0; s1: out = 1;default:out = x;endcase endendmodule将CS 、NS 、OL 均混合描述：module statmach(clk, in, reset, out); input clk, reset; //时钟、复位信号 input in; //输入output out; //输出 reg out;reg current_state; //现态寄存器parameter s0 = 0, s1 = 1; //状态编码always @(posedge clk ) begin if (reset) current_state = s0; else case (current_state) s0:begin out = 0;if (in) current_state = s1;else if (!in)s1:begin out = 1; if (in) current_state = s0; else if (!in) current_state = s1; enddefault: current_state = s0;endcaseOLin=0时钟CSNSOLMOORE 型状态机结构图复位endendmodule例2：MEALY 型状态机状态转换图：将CS 与NS 混合描述，OL 单独描述：（无法全部混合描述） module statmach(clk, in, reset, out);input clk, reset; //时钟、复位信号 input in; //输入 output out; //输出 reg out;reg current_state; //现态寄存器parameter s0 = 0, s1 = 1; //状态编码if (in) current_state = s1;else if (!in)current_state = s0;s1: if (in) current_state = s0; else if (!in) current_state = s1;default: current_state = s0;endcase endin=0in=0/out=0in=0/out=1always @(begin case (current_state ) s0:if(in) out = 1; s1:if(in) out = 0;default:out = x;endcase endendmodule例3：带流水线的MEALY 型状态机将CS 、NS 与OL 混合描述： module statmach(clk, in, reset, out); input clk, reset; //时钟、复位信号 input in; //输入output out; //输出 reg out;reg current_state; //现态寄存器parameter s0 = 0, s1 = 1; //状态编码in=0/out=1always @(posedge clk ) begin if (reset) current_state = s0; else case (current_state) s0:if (in)beginout = 1;current_state = s1;end else begin out = 0;current_state = s0; ends1: if (in)begin out = 0;current_state = s0;end else beginout = 1;current_state = s1; enddefault: begin current_state = s0; out = x; endendcase endendmodule in=0/out=1。
verilog hdl不同级别的描述
verilog hdl不同级别的描述
Verilog HDL是一种硬件描述语言，用于描述数字电路和系统的行为、结构和实现。
它支持从算法级到门级的不同级别的描述，以满足不同规模设计的需要。
以下是Verilog HDL不同级别的描述：
算法级描述：算法级描述是最高级别的描述，主要关注算法和数据流的行为。
在算法级描述中，设计者使用过程块（如always、initial等）和连续赋值语句（如assign）来描述信号的行为和变化。
这种描述方法主要用于设计和描述复杂的控制逻辑和算法。
寄存器传输级（RTL）描述：RTL描述是一种中间级别的描述，介于算法级和门级之间。
它关注于寄存器传输的控制逻辑，包括数据路径和控制逻辑。
在RTL描述中，设计者使用连续赋值语句来描述信号的行为，并使用组合逻辑和触发器来定义寄存器、移位器等基本元件的行为。
这种描述方法主要用于设计和描述具有大量寄存器和控制逻辑的数字系统。
门级描述：门级描述是最低级别的描述，主要关注电路元件和连线。
在门级描述中，设计者使用Verilog HDL的内置元件（如AND、OR、NOT等）来描述电路的基本元件和连线。
这种描述方法主要用于设计和描述简单的组合逻辑电路和时序逻辑电路。
除了以上三种级别的描述外，Verilog HDL还支持混合级别的描述，即将不同级别的描述混合在一起使用。
例如，可以在算法级描述中定义一个模块的接口，然后在RTL 或门级描述中实现该模块的具体逻辑。
这种混合级别的描述方法可以使设计更加灵活和
模块化，并方便实现模块重用和层次化设计。
第4章-Verilog-HDL的描述方式
1.6 门的延时
可以使用门时延定义门从任何输入到其输出的信号传 输时延。门时延可以在门自身实例语句中定义。带有 时延定义的门实例语句的语法如下： gate_type [delay] [instance_name] (terminal_list) ;
时延规定了门时延，即从门的任意输入到输出的传输 时延。当没有强调门时延时，缺省的时延值为0。
[instance_name2] (term1, term2, ..., termN) ， [instance_name3] (term1, term2, ..., termN)， [instance_name4] (term1, term2, ..., termN) ;
1.2 多输入门
内置的多输入门包括: and nand nor or xor xnor 这些逻辑门只有单个输出， 1个或多个输入。门实例语句
pmos ( p类型MOS管)、nmos ( n类型MOS管)，rnmos ( r代表电阻)和rpmos 开关有一个输出、一个输入和一个控制输入，例如： rnmos RN1 (ControlBit, ReadyBit, Hold) ;
cmos (mos互补)和rcmos (cmos的高阻态版本)开关有一个数据输出，一个 数据输入和两个控制输入。例如： (r)cmos [instance _name] (OutputA, InputB, NControl, PControl);
参考答案
module Parity_9_Bit(D,Even, Odd); input [0:8] D; output Even, Odd; xor
XE0(E0,D[0],D[1]), XE1(E1,D[2],D[3]), XE2(E2,D[4],D[5]), XE3(E3,D[6],D[7]), XF0(F0,E0,E1), XF1(F1,E2,E3), XH0(H0,F0,F1), XEVEN(Even,D[8], H0); not XODD(Odd,Even); endmodule
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例1：MOORE 型状态机
设某个控制器的状态转换图如下所示： 输入：in 、时钟clk 、和复位信号
输出：out
用Verilog
将NS 、 OL 、 CS module statmach(clk, in, reset, out); input clk, reset; //时钟、复位信号 input in; //输入 output out; reg out; //输出
reg current_state; //现态寄存器
reg next_state; //次态寄存器，NS 与CS 分开描述时必须定义
parameter s0 = 0, s1 = 1; //状态编码
always @( current_state or in )
begin
case (current_state) s0: if(in) next _state<=s1;
else if (!in) next _state<=s0 s1:
if(in) next _state<=s0; else if (!in) next _state<=s1default: next _state<=s0； endcase
end
always @(posedge clk ) begin if (reset)
current_state <= s0;
else current_state<= next end
always @( current_state )
in=0
状态编码：S0=0，S1=1。
in=0
时钟CS NS OL 复位
begin case (current_state) s0: out <= 0;
s1:
out <= 1; default:
out <= x;
endcase end endmodule
将CS 与NS 混合描述，OL 单独描述：
module statmach(clk, in, reset, out); input clk, reset; //时钟、复位信号 input in; //输入
output out; //输出 reg out;
reg current_state; //现态寄存器
parameter s0 = 0, s1 = 1; //状态编码
always @(posedge clk ) begin if (reset) current_state = s0; else case (current_state) s0:
if (in) current_state = s1;
else if (!in)
current_state = s0;
s1: if (in) current_state = s0; else if (!in) current_state = s1;
default: current_state = s0;
endcase end
in=0
OL
时钟CS
NS
OL
MOORE 型状态机结构图
复位
always @(current_state ) begin
case (current_state) s0: out = 0; s1: out = 1;
default:
out = x;
endcase end
endmodule
将CS 、NS 、OL 均混合描述：
module statmach(clk, in, reset, out); input clk, reset; //时钟、复位信号 input in; //输入
output out; //输出 reg out;
reg current_state; //现态寄存器
parameter s0 = 0, s1 = 1; //状态编码
always @(posedge clk ) begin if (reset) current_state = s0; else case (current_state) s0:
begin out = 0;
if (in) current_state = s1;
else if (!in)
s1:
begin out = 1; if (in) current_state = s0; else if (!in) current_state = s1; end
default: current_state = s0;
endcase
OL
in=0
时钟CS
NS
OL
MOORE 型状态机结构图
复位
end
endmodule
例2：MEALY 型状态机
状态转换图：
将CS 与NS 混合描述，OL 单独描述：
（无法全部混合描述） module statmach(clk, in, reset, out);
input clk, reset; //时钟、复位信号 input in; //输入 output out; //输出 reg out;
reg current_state; //现态寄存器
parameter s0 = 0, s1 = 1; //状态编码
always @(posedge clk ) begin if (reset) current_state = s0; else case (current_state) s0:
if (in) current_state = s1;
else if (!in)
current_state = s0;
s1: if (in) current_state = s0; else if (!in) current_state = s1;
default: current_state = s0;
endcase end
in=0
in=0/out=0
in=0/out=1
always @(
begin case (current_state ) s0:
if(in) out = 1; s1:
if(in) out = 0;
default:
out = x;
endcase end
endmodule
例3：带流水线的MEALY 型状态机
将CS 、NS 与OL 混合描述： module statmach(clk, in, reset, out); input clk, reset; //时钟、复位信号 input in; //输入
output out; //输出 reg out;
reg current_state; //现态寄存器
parameter s0 = 0, s1 = 1; //状态编码
in=0/out=1
always @(posedge clk ) begin if (reset) current_state = s0; else case (current_state) s0:
if (in)begin
out = 1;
current_state = s1;end else begin out = 0;
current_state = s0; end
s1: if (in)begin out = 0;
current_state = s0;end else begin
out = 1;current_state = s1; end
default: begin current_state = s0; out = x; end
endcase end
endmodule
in=0/out=1。