基于Verilog的順序狀態(tài)邏輯FSM的設計與仿真

　硬件描述語言Verilog為數(shù)字系統(tǒng)設計人員提供了一種在廣泛抽象層次上描述數(shù)字系統(tǒng)的方式，同時，為計算機輔助設計工具在工程設計中的應用提供了方法。該語言支持早期的行為結構設計的概念，以及其后層次化結構設計的實現(xiàn)。這在設計過程中，進行邏輯結構部分設計時可以將行為結構和層次化結構混合起來；為確認正確性還可以將描述進行模擬，并提供一些用于自動設計的綜合工具。因而Verilog語言為設計者進行大型復雜數(shù)字系統(tǒng)的設計提供了途徑。超大規(guī)模集成電路設計的典型流程如圖1所示。

　　本文將以順序狀態(tài)邏輯有限狀態(tài)機的設計為例介紹用Verilog語言設計數(shù)字電路的一般過程。

　　1 設計規(guī)范與設計構思

　　電子設計工程師在設計過程中不可避免地會遇到設計可執(zhí)行特殊操作序列電路的工作，如用來控制其他電路進行操作的控制器，而有限狀態(tài)機(Finite Status Machine，FSM)是設計這種能執(zhí)行特殊操作序列電路的一種非常有效的模型。FSM的結構通常由當前狀態(tài)寄存器、下一狀態(tài)邏輯和輸出邏輯三部分構成。FSM也有很多種模型，本文僅以順序狀態(tài)邏輯FSM的設計為例來說明用Verilog進行集成電路設計的一般設計過程。為簡單起見，本設計只設計了包含有8個狀態(tài)的順序狀態(tài)邏輯FSM。8個狀態(tài)分別為One、Two、ThreeA、ThreeB、ThTeeC、Dummy、Four、Five。開始狀態(tài)為One，各狀態(tài)之間的轉換關系如圖2所示。

　　該順序狀態(tài)邏輯FSM的功能及要求如下。

　　(1)同步復位信號Reset至少要維持4個時鐘周期的高電平信號，以保證狀態(tài)機進入狀態(tài)One。

　　(2)當狀態(tài)機在5個狀態(tài)中循環(huán)時，A、B、C 3個輸入按優(yōu)先級使狀態(tài)機從狀態(tài)Two進入相應的狀態(tài)ThreeA、ThreeB、ThreeC、Dummy。

　　(3)復位后，如果A持續(xù)為高電平，則輸出信號Y1的周期為時鐘周期的5倍，且高電平維持的時間為1個時鐘周期。

　　(4)如果A、B維持為低電平，而C維持為高電平，則輸出信號Y3的周期為時鐘周期的5倍，且高電平維持的時間為1個時鐘周期。

　　(5)如果A維持低電子，而B維持高電平，則輸出信號Y2與Y1和Y3不同，只維持1個時鐘周期的高電平。因為當狀態(tài)機進入狀態(tài)ThreeB時，信號BeenInState3B被設置為1，而該信號就會禁止狀態(tài)機再次進入狀態(tài)ThreeB，直到另一個復位信號出現(xiàn)為止。

　　以上是一個時序電路的設計，如何保證正確的時序是設計的關鍵。根據設計要求，該狀態(tài)機至少應該有8個端口：5個輸入端口(A、B、C、Reset、Clock)，3個輸出端口(Y1、Y2、Y3)。其中輸入端A、B、C和Reset信號均由時鐘邊緣進行觸發(fā)，Reset具有最高的優(yōu)先權，而輸入信號A、B、C的優(yōu)先權則依次遞減。

　　該順序狀態(tài)邏輯有限狀態(tài)機的端口示意圖和設計構思圖分別如圖3和圖4所示。

　　2 用Verilog語言編寫源代碼