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状态机一般有三种不同的写法,即一段式、两段式和三段式的状态机写法,它们在速度、面积、代码可维护性等各个方面互有优劣。特权同学希望大家不要对任何一种写法给出“一棍子打死”的定论，应该借鉴笔记4中如果…其他与案例语句的分析方式,对三种写法在不同项目应用中进行不同的分析。 下面就前面提出的SRAM控制状态机给出三种不同的写法以及它们综合出的效果,供大家学习参考。wr_req和rd_req作为输入，cmd为输出，状态、状态为状态寄存器。

在设计和实现SRAM控制状态机时，采用一段式、两段式和三段式的写法确实会有不同的优缺点。下面我将为SRAM控制状态机提供三种不同的写法，并对它们的特点进行简要分析。

一段式状态机（Sequential One-Process State Machine）

写法：所有逻辑（包括状态转移和输出逻辑）都写在同一个进程中。

特点：

• 优点：代码结构简单，易于理解。

• 缺点：当状态机变得复杂时，代码可能会变得冗长和难以维护。输出逻辑可能会依赖于多个状态条件，导致代码可读性和可测试性降低。

• 综合效果：面积可能较小（因为只有一个进程），但速度可能不是最优的，尤其是在状态转移和输出逻辑都很复杂的情况下。

两段式状态机（Sequential Two-Process State Machine）

写法：将状态转移逻辑和输出逻辑分开到两个不同的进程中。状态转移进程更新状态寄存器，输出逻辑进程根据当前状态产生输出。

特点：

• 优点：提高了代码的可读性和可维护性。输出逻辑不再依赖于多个状态条件，更容易进行测试。

• 缺点：需要两个进程，可能稍微增加一些面积开销。

• 综合效果：速度和面积之间取得了较好的平衡。

三段式状态机（Mealy State Machine 或 Sequential Three-Process State Machine）

写法：将状态转移逻辑、输入处理和输出逻辑分别放到三个不同的进程中。

特点：

• 优点：进一步提高了代码的可读性和可维护性。输出逻辑可以直接依赖于输入和当前状态，使得状态机能够响应更复杂的输入模式。

• 缺点：需要三个进程，可能增加面积开销。

• 综合效果：适用于复杂且需要快速响应输入变化的状态机。

一段式状态机代码如下:

reg[3;0]cstate;
always @(posedge clk or negedge rst n) beginif(!rst n)begin
cstate <= IDLE;
cmd <= 3b111;
end
else
case(cstate)
IDLE:if(wr _req)begin
cstate<= WR S1;
emd <= 3'b011;

end
end
else if(rd reg)begin
cstate<=RD S1;
cnd<= 3b011:
end
else begin
cstate<=IDLE
cmd<= 3bl11;
end
WR S1:begin
cstate<=WR S2:
cmd<= 3'b101:
end
WR S2:begin
cstate<=IDLE:
cmd<= 3b111:
end
RD S1:if(wr reg)begin
cstate<=NR S2:
cmd<= 3'b101;
end
else begin
cstate<=RD S2
cnd<= 3b110;
end
RD S2:i桿粱读Ề(wr reg)begin
cstate<=WRS1:
cmd<= 3b011;
end
else begin
cstate<=IDLE
cmd<= 3'b111;
end
default:cstate<=IDLE;
endcase
end

一段式状态机RTL视图：

ResourceUsageTotal logic elements    8Combinational with no register  1Register only   0Combinational with a register   7Logic element usage by number of LUT inputs-- 4 input functions    2--3 input functions 4--2 input functions 2--1 input functions 0--0 input functions 0Logic elements by mode-- normal mode  8arithmetic mode 0qfbk mode   0register cascade mode   0--synchronous clear/load mode       0--asynchronous clear/load mode  7Total registers 7I/0 pins    7Maximum fan-out node    wr _regMaximum fan- out    7Total fan -out      41Average fan – out      2.73

两段式状态机两段式状态机代码如下:

reg[3:0]cstate;reg[3:0]nstate;always @(posedge clk or negedge rst_n)if(!rst n)cstate<=IDE;else cstate<= nstate;always @(cstate or wr _req or rd req) begincase(cstate)IDLE :if(wr _req)beginnstate =WR Sl;cmd = 3'b011;encelse if(rd req)beginnstate=RD S1;cmd = 3'b011;endelse beginnstate =IDLE:cmd = 3b111;endWR_S1:beginnstate =WR S2;cmd = 3'b101;endWR_S2:beginnstate =IDLE;cmd = 3'b111;endRD_Sl:if(wr_req)beginnstate =WR S2;cmd = 3'b101;endelse beginnstate=RD S2:endcmd = 3'b110endRD_S2:if(wr _req)beginnstate =WR S;cmd = 3'b011,endelse beginnstate =IDE;cmd = 3'b111;enddefault:nstate =IDLE;endcaseend

两段式状态机RTL视图：

两段式状态机综合后资源使用报告:

Resource    UsageTotal logic elements    9-- Combinational with no register   9-- Register only    9Combinational with a register   5Logic element usage by number of LUT inputs-4 input functions      2--3 input functions 4--2 input functions 2--1 input functions 1--0 input functions 0Logic elements by mode-- normal mode      9arithmetic mode     0qfbk mode           0register cascade        0modesynchronous clear/load  0modeasynchronous clear/load mode        5 Total registers 5I/0 pins    7Maximum fan - out node  wr_reqMaximum fan – out  7Total fan -out      38

三段式状态机

三段式状态机代码如下

reg[3:0]cstate;reg[3:0]nstate;always @(posedge clk or negedge rst n)if(!rst n)cstate<= IDLE;else cstate<= nstate;always @(cstate or wr req or rd req) begincase(cstate)IDLE :if(wr reg)nstate = WR Sl,else if(rd req)nstate =RD_Sl,else nstate =IDLE;WR S1:nstate =WR_S2;WR_S2:nstate =ILE;RD_S1:if(wr reg)nstate=WR S2;else nstate=RDS2:RD_S2 :if(wr reg)nstate=WR S1;else nstate =IDLE:default:nstate=IDE;endcaseendalways @(posedge clk or negedge rst_n) begin3'b111;if(!rst n)cmdelsecase(nstate)IDLE :if(wr_reg)cmd <= 3'b011;endelse if(rd reg)cmd <= 3'b011;else cmd<= 3'b111;WR S1:cmd <= 3'b101;WR_S2 :cmd <= 3'b111;RD S1:if(wr_req)cmd <= 3'b101;else cmd<= 3'b110;RD S2:if(wr_reg)cd<= 3'b011;else cmd<= 3b111;default:;endcaseend

三段式状态机RTL视图：

三段式状态机综合后资源使用报告:

Resource UsageTotal logic elements    12Combinational with no register  5Register only   2Combinational with a register   5Logic element usage by number of LUr inputs--4 input functions 3--3 input functions 3--2 input functions 2--1 input functions 2--0 input functions 0Logic elements by mode--normal mode       12--arithmetic mode   0--qfbk mode 0--register cascade mode 0--synchronous clear/load mode       0--asynchronous clear/load mode  7Total registers 7I/0 pins    7Maximum fan - out node  clkMaximum fan -out    7Total fan – out    46Average fan – out   2.42

从上面的三个实例来看,一段式状态机似乎是一锅端,把所有逻辑(包括输人、输出、状态)都在一个 always里解决了;这种写法看上去好像很简捷,但是往往不利于维护,也许这个实例中体现得还不那么明显,如果状态复杂一些就很容易出错了;这种写法一般不太推荐,但是在一些简单的状态机中还是可以使用的。两段式状态机是一种常用的写法,它把时序逻辑和组合逻辑划分开来,时序逻辑里进行当前状态和下一状态的切换,组合逻辑里实现各个输人、输出以及状态判断;这种写法相对容易维护,不过组合逻辑输出较易出现毛刺等常见问题。三段式状态机写法也是一种比较推荐的写法,代码容易维护,时序逻辑的输出解决了两段式写法中组合逻辑的毛刺问题;但是从资源消耗上来讲,三段式的资源消耗多一些;另外,三段式从输入到输出比一段式和两段式会延时一个时钟周期。另外有一点提醒大家注意,所谓的一段式、两段式、三段式写法不能单纯从几个always语句来区分，必须清楚它们不同的逻辑划分。

状态机转移图：