在Verilog中实现Moore型和Mealy型状态机的方法简析

编写能够被综合工具识别的状态机，首先需要理解状态机的基本概念和分类。状态机(FSM)是表示有限个状态以及在这些状态之间转换的逻辑结构。在FPGA的设计中，状态机的设计思想至关重要，因为它能够使得FPGA在并行处理的基础上实现与CPU类似的串行处理效果，同时具有高效的顺序控制模型、容易利用EDA工具进行优化设计等特性。

 

首先，你需要根据设计需求选择摩尔(Moore)型或米勒(Mealy)型状态机。Moore型状态机的状态变化仅与当前状态有关，而Mealy型状态机的状态变化还依赖于输入信号。

状态机实现

首先，定义一个模块，包括时钟、复位信号以及输入输出端口。并使用参数来定义状态，例如使用独热码（one-hot）进行状态编码。

module moore_state_machine (
  input wire clk, // 时钟信号
  input wire rst_n, // 复位信号
  input wire A_in,    // 输入信号
  output reg B_out     // 输出信号
)


parameter s0 = 4'b0000; // 状态0
parameter s1 = 4'b0010; // 状态1
// 其他状态...

然后，使用always @(posedge clk or negedge rst_n)语句来描述时钟边沿或复位边沿触发的状态转移逻辑，常包含三个部分：下一个状态的逻辑电路、存储当前状态的时序逻辑电路、输出组合逻辑电路。

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
  if (!rst_n) begin
    state <= s0; // 复位到初始状态
  end else begin
    // 根据输入和当前状态计算下一个状态
    case (state)
      s0: begin
        if (A_in == 1) state <= s1; // 当输入为1时，转移到s1
        // 其他条件...
      end
      // 其他状态转移...
    endcase
  end
end

最后再根据当前状态计算输出信号。

assign B_out = ...; // 根据state计算输出表达式

与Moore型状态机类似，定义模块并包含必要的输入输出端口，同样使用参数定义状态。Mealy型状态机的输出是在输入信号变化后立即发生变化的。因此，需要在always @(posedge clk or negedge rst_n)语句中同时考虑输入的变化，并且最后需要根据当前状态和输入计算输出信号。

另外，在实际进行状态机的编程过程中，需要绘制状态转换图，明确每个状态之间的转换条件和结果状态，再根据绘制的状态转换图，编写verilog实现代码。

为了测试状态机的正确性，还需要编写相应的testbench代码，提供输入信号并观察输出结果是否符合预期。最后在EDA工具中对代码进行编译、布局布线，上板验证状态机设计的正确性。

如何选择状态机类型

尽管这两种类型的状态机都广泛应用于数字电路设计、雷达通信系统等领域，但它们各自的特点决定了它们在特定应用场景下的适用性。因此需要根据项目的具体需求、对响应速度的要求、是否需要根据输入信号调整输出以及对状态数的需求等因素综合考虑：

时序与响应速度：Moore型状态机的时序更好，但其响应要慢一拍；而Mealy型状态机的响应最快，但在时序上要差一些。这意味着如果项目对电路的响应速度有较高要求，可能会倾向于选择Mealy型状态机。

输出逻辑：Moore型状态机的输出只与当前状态有关，而Mealy型状态机的输出不仅与当前状态有关，还与输入信号有关。这表明如果需要根据不同的输入信号来调整输出，Mealy型状态机可能是更合适的选择。

状态数需求：实现同等功能时，Moore型状态机需要的状态数更多，因为Mealy型状态机可以根据状态和输入结合来看需不需要执行相应动作，从而减少一些状态。因此，如果项目允许，且对状态数的要求不是特别高，使用Mealy型状态机会更加高效。

设计原则与要求：在设计状态机时，需要考虑安全性、稳定性、速度、面积以及设计的清晰度等因素。选择Moore型或Mealy型状态机应基于这些综合因素进行权衡。

审核编辑：刘清