1.0 序列檢測器電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)序列檢測器電路，功能是：檢測出串行輸入數(shù)據(jù)Sin中的4位二進(jìn)制序列0101（自左至右輸入），當(dāng)檢測到該序列時(shí)，輸出Out=1；沒有檢測到該序列時(shí)，輸出Out=0（注意考慮序列重疊的可能性，如010101，相當(dāng)于出現(xiàn)兩個(gè)0101序列）。

經(jīng)過分析，首先可以確定采用米利型狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)該電路。因?yàn)樵撾娐吩谶B續(xù)收到信號(hào)0101時(shí)，輸出為1，其他情況下輸出為0，所以采用米利型狀態(tài)機(jī)。

其次，確定狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)圖，該電路必須能記憶所收到的輸入數(shù)據(jù)0、連續(xù)收到前兩個(gè)數(shù)據(jù)01.。?？梢娭辽僖莻€(gè)狀態(tài)，分別用S1，S2，S3，S4，再加上電路初始態(tài)S0。根據(jù)要求可以畫出狀態(tài)圖：

觀察該圖可以看出，當(dāng)狀態(tài)機(jī)處以S2、S4的時(shí)候，如果輸入Sin = 1，則電路會(huì)轉(zhuǎn)移到相同的次態(tài)S0，如果輸入Sin = 0，則電路會(huì)轉(zhuǎn)移到相同的次態(tài)S3，且兩種情況下輸出Out都為0。所以，S2、S4為等價(jià)狀態(tài)，可用S2代替S4，于是得到簡化的狀態(tài)圖：

如果用CPLD/FPGA器件實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)，則邏輯綜合器會(huì)自動(dòng)化簡狀態(tài)機(jī)。

利用Verilog HDL描述狀態(tài)圖主要包括：

（1） 利用參數(shù)定義語句parameter描述狀態(tài)機(jī)中各個(gè)狀態(tài)的名稱，并指定狀態(tài)編碼。

（2） 用時(shí)序的always塊描述狀態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)存儲(chǔ)。

（3） 使用敏感表和case語句（也可以采用if-else語句）描述狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯。

（4） 描述狀態(tài)機(jī)的輸出邏輯。

這個(gè)電路我試著用3種方式來描述，看看他們的差別在哪里。

（1） 單個(gè)always塊描述狀態(tài)機(jī)方法（應(yīng)該避免的寫法）

生成的RTL視圖：

State模塊里面其實(shí)就是一個(gè)狀態(tài)機(jī)：

仿真結(jié)果有時(shí)會(huì)出錯(cuò)：

在每個(gè)clk上升沿讀取數(shù)據(jù)，可以看到是0101，在285ps時(shí)輸出oOut應(yīng)該是高電平，但不是，這是為什么了？再看下面一張圖

這張是對的，為什么有時(shí)對又是錯(cuò)了，如果是這樣那就失去了它的意義了。

對序列檢測器電路用單個(gè)always塊的描述的邏輯存在一個(gè)隱含的錯(cuò)誤，即輸出信號(hào)oOut的描述存在錯(cuò)誤。其原因是：oOut信號(hào)是由狀態(tài)機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)和輸入信號(hào)共同決定的，它是一個(gè)純組合邏輯電路，如果當(dāng)前狀態(tài)不變，而輸入信號(hào)變了，oOut信號(hào)應(yīng)立即發(fā)生變化，而不是等到時(shí)鐘上升沿來了才變化。因此，單個(gè)always塊描述狀態(tài)機(jī)的寫法僅僅適用于穆爾型狀態(tài)機(jī)。這雖然是個(gè)問題，但是跟我出現(xiàn)的問題貌似沒有什么直接關(guān)系，郁悶。。。繼續(xù)思考。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了消除組合邏輯輸出信號(hào)中的毛刺，在時(shí)序允許的情況下，通常允許米利型狀態(tài)機(jī)中輸出信號(hào)通過寄存器輸出。但是單個(gè)的always塊的描述方法將狀態(tài)轉(zhuǎn)換判斷的組合邏輯和狀態(tài)觸發(fā)器轉(zhuǎn)移的時(shí)序邏輯混合編寫在同一個(gè)always塊中，不符合將時(shí)序和組合邏輯分開描述的代碼風(fēng)格（Coding Style），而且在描述當(dāng)前狀態(tài)時(shí)還要考慮下一個(gè)狀態(tài)的邏輯，整個(gè)代碼的結(jié)構(gòu)不清晰，不利于修改和維護(hù)，不利于時(shí)序約束條件的加入，不利于綜合器對設(shè)計(jì)的優(yōu)化。所以不推薦使用單個(gè)always塊的描述方式。

必須為自己的粗心大意買單，還說輸出有時(shí)會(huì)出錯(cuò)原來狀態(tài)圖都是錯(cuò)了，不經(jīng)意的一眼，看來不能隨便啊。case語句后的 S1：當(dāng)條件滿足時(shí)（iSin == 1‘b1）時(shí)會(huì)跳到S2否則還會(huì)停留在S1。改過來看看正確的狀態(tài)機(jī)就不會(huì)出錯(cuò)了。太粗心了！

正確的狀態(tài)機(jī)：

（2） 兩個(gè)always塊描述狀態(tài)機(jī)的方法（推薦寫法）

值得注意的是Next_state = 2’bxx;對狀態(tài)的默認(rèn)賦值有3種方式：（1） 全部設(shè)置成不定狀態(tài)（x）； （2） 設(shè)置成預(yù)先規(guī)定的初始狀態(tài)； （3） 設(shè)置成FSM中的某一有效狀態(tài)。設(shè)置成不定狀態(tài)（x）的好處是：（1） 在仿真時(shí)可以很好地考察所設(shè)計(jì)的FSM的完備性，若設(shè)計(jì)的FSM不完備，則進(jìn)入任意狀態(tài)，仿真時(shí)容易發(fā)現(xiàn)；（2） 綜合器對代碼進(jìn)行綜合時(shí)，會(huì)忽略沒有定義的狀態(tài)觸發(fā)器向量。

生成的RTL視圖：

和上面的比較了一下，少了個(gè)D觸發(fā)器，這是為什么呢？并且仿真的結(jié)果也不一樣了。仿真圖：

當(dāng)然新的問題也就隨之而來：

我們可以明顯的看到這種寫法和上面寫法的區(qū)別，最重要的是：輸出oOut不在是在clk上升沿來的時(shí)候才能發(fā)生變化，它是一個(gè)純組合邏輯電路只要輸入條件滿足輸出就立馬發(fā)生改變。隨著毛刺的出現(xiàn)，毛刺是一個(gè)很重要的問題，很值得我們認(rèn)真思考。為什么會(huì)出現(xiàn)毛刺了，我們可以清楚的看到這時(shí)次態(tài)是完全由組合邏輯電路決定的，時(shí)序電路做的事情僅僅是在clk上升沿來的時(shí)候把，把次態(tài)賦給現(xiàn)態(tài)。在445ps時(shí)在S1狀態(tài)，輸出為0、在455ps時(shí)在S2狀態(tài)，輸出為0、在465ps時(shí)在S3狀態(tài)，此時(shí)就算clk的posedge不來，只要iSin == 1，輸出同樣會(huì)為1，正如上圖，但在這里，clk 的上升沿和iSin 的高電平是同時(shí)來的，所以，在 iSin 的高電平來的那一瞬間，輸出oOut = 1，就在同時(shí)狀態(tài)裝換到S2，輸出oOut = 0;

這就導(dǎo)致了上面毛刺的產(chǎn)生。怎么解決這個(gè)問題呢？我們來看看第三種方法。

（3） 3個(gè)always塊描述狀態(tài)機(jī)（推薦寫法）

分析一下代碼，我們很容易看出：第一個(gè)always塊采用同步時(shí)序邏輯方式描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移（在電路框圖的中間框），第二個(gè)always塊采用組合邏輯方式描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)律（一般是第一個(gè)方框），第三個(gè)always塊描述電路的輸出信號(hào)，在時(shí)序允許的情況下，通常讓輸出信號(hào)經(jīng)過一個(gè)寄存器再輸出，保證輸出信號(hào)中沒有毛刺。

綜合后的RTL視圖，就跟第一版程序是一樣的了，又有了D觸發(fā)器，仿真結(jié)果和第一版也是一樣的，但是兩版代碼的風(fēng)格（Coding Style）是不一樣的。