硬件描述语言Verilog HDL设计进阶之： 典型实例-状态机应用

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        4.6  典型实例6：状态机应用

        4.6.1  实例的内容及目标

        1．实例的主要内容

          状态机设计是HDL设计里面的精华，几乎所有的设计里面都或多或少地使用了状态机的思想。状态机，顾名思义，就是一系列状态组成的一个循环机制，这样的结构使得编程人员能够更好地使用HDL语言，同时具有特定风格的状态机也能提高程序的可读性和调试性。
           
          本实例通过设计一个状态机来控制红色飓风II代Xilinx开发板上面的8个LED灯循环闪烁。在本实例状态机的设计过程中，读者需要着重注意状态机设计的一些特性。
          ·  FSM设计方法（米勒型和摩尔型）。
          ·  状态机的编码（Binary、gray-code、one-hot等）。
          ·  状态机的初始化状态和默认状态（完整状态机设计）。
          ·  状态机的状态定义风格（使用parameter参数定义状态）。
          ·  状态机的编写风格（状态任务与状态转换分离）
           
        2．实例目的

          通过本实例，读者应达到下面的目标。
          ·  熟悉Xilinx ISE开发环境。
          ·  熟悉红色飓风II代Xilinx开发板的使用。
          ·  了解状态机设计输入方法。
          ·  掌握状态机在系统设计中的应用。
           
        4.6.2  实例详解

          本实例的具体步骤可参见2.6节，在此不再详述，仅给出主要的操作流程以及状态机的设计输入方法。
          （1）启动ISE软件。
          （2）创建新工程。
          （3）编写状态机Verilog代码。
          状态机的代码可以直接进行手动编写，如图4.2所示。

       

        图4.2  手动编写状态机代码

          对于简单的状态机，使用手动输入的方式进行编写是最直接的。但是如果需要进行复杂的状态机设计，使用状态图设计输入方式则会更加方便。下面介绍使用状态图进行状态机设计的一般步骤。
           
          使用ISE创建工程后，为工程添加新的设计输入，选择“State Diagram”选项，如图4.3所示。

       

        图4.3  状态图设计输入方式

          此时ISE将打开如图4.4所示的StateCAD工具进行状态机设计。

       

        图4.4  StateCAD状态机设计工具

          在这个专门的工具中，读者就可以很方便地进行状态机的设计。使用这个工具进行状态机设计的步骤主要分为3个，下面分别介绍。
           
          （1）创建状态机。
          单击工具栏上的 图标，打开状态机输入向导，如图4.5所示。
           
          在本实例中，我们在向导第1页设置一个8状态的状态机，如图4.5所示。在该页中，还可以设置状态机图形的形状。在对话框的右侧有图形的预览效果，用户可根据自己的喜好设置图形的形状。
           
          在状态机向导的第2页，我们为状态机使用同步复位模式，建立一个同步状态机，如图4.6所示。
           

             

           图4.5  状态机向导               图4.6  同步状态机

         

          在状态机向导的第3页，可以设置状态机的转换模式，本实例中使用Next转换模式，如图4.7所示。

       

        图4.7  状态机转换模式

          设置完毕后，单击“Finish”按钮即可完成状态机的创建。在StateCAD工具的工作区将出现如图4.8所示的状态机图形。
        （2）添加状态任务。
          创建状态机后，就要为其中的每一个状态添加状态任务。首先，双击如图4.8所示的图形中的STATE0状态，为STATE0添加任务。此时，将出现如图4.9所示的状态任务编辑器。

         

       

        图4.8  创建的状态机

         

          单击“Output Wizard”按钮，打开输出向导对话框，如图4.10所示。

       

                 
                           图4.9  状态任务编辑器        图4.10  状态输出向导对话框
          在输出向导对话框里面有很多可以选择的逻辑，根据不同的需要选择逻辑资源，并输入参数。单击“OK”按钮即可完成对STATE0的状态任务编辑。
          按照相同的方法分别为每个状态加载任务，得到如图4.11所示的状态机。
           
          （3）添加状态转换条件。
          设置完状态任务后，还需要为状态之间的转换调价条件。可以双击两个状态之间的连线设定状态转移条件，此时将出现条件编辑器，如图4.12所示。
          在该对话框中，可以在“Condition”下面填写转移条件（例如：cnt=10），也可以单击“Output Wizard”按钮打开输出向导进行设置。设置结束后，单击“OK”按钮，完成两个状态之间的转换条件设置。

       

        图4.11  添加任务的状态机图形

          

           图4.12  状态转换条件编辑器

          按照同样的方法为需要添加转换条件的状态连线加载状态转移条件。完成后，得到如图4.13所示的状态机。
           
          至此，一个基本的状态机已经建立完毕。这样的一个状态机已经可以在我们的系统中使用。不过在使用之前，我们还需要为StateCAD工具做一些设置，才能使图形形式的状态机转化为HDL语言的形式。
         
        1．优化设置

          首先对状态机进行优化设置，选择StateCAD工具条上的 按钮，打开优化设置向导，如图4.14所示。

       

        图4.13  添加状态转换条件的状态机

       

        图4.14  优化设置向导

         

          在如图4.14所示的向导中，提示将进行5个步骤的设置，下面分别介绍。
          ① 选择目标器件。本实例中选择FPGA，如图4.15所示。

       

        图4.15  选择目标器件

         

          ② 选择状态机的优化方向，用户可以选择速度优先、占用面积优先以及手动设置。在本实例中我们选择速度优先，如图4.16所示。
          ③ 对状态机的性能改善方式进行选择，如图4.17所示，本实例选择保证覆盖面积模式。

       

        图4.16  状态机优化方向

         

         图4.17  状态机性能改善模式

          ④ 加载优化参数设置，如图4.18所示。

       

        图4.18  加载优化参数设置

         

          ⑤ 为状态机选择输出的HDL语言形式以及综合的EDA工具。在本实例中，选择Verilog语言及Xilinx XST综合工具，如图4.19所示。
           

         

        图4.19  选择目标HDL语言和EDA工具

          经过这5个步骤的设置，就完成了状态机的优化设置，可以开始生成Verilog语言形式的状态机了。
          选择StateCAD工具栏上的 按钮，开始生成Verilog状态机。如果设计没有错误，将出现如图4.20所示的结果对话框。

       

        图4.20  状态机生成结果

           
          单击“Close”按钮后，就可以看见生成的与状态机名称相同、后缀为.v的源文件了。
           
        2．添加设计输入

          将使用StateCAD生成的状态机源文件加入工程中，即可查看并编辑相关的状态机的代码了。
           
        3．设置器件及管脚约束

          按照开发板的说明进行相关的设置。
           
        4．下载验证

          本实例的状态机在开发板上下载后，将能看到开发板上的8个LED循环变亮，即实现跑马灯的功能。
           
        4.6.3  参考设计

          本实例相关参考设计文件在本书实例代码的“典型实例6”文件夹。