如何设计FPGA一段式状态机?含代码示例

FPGA（现场可编程门阵列）中的一段式状态机（也称为简单状态机或单进程状态机）通常用于描述具有有限数量状态的系统行为。这种状态机通常包括一个状态寄存器、一个输入信号、一个输出信号以及用于状态转换的逻辑。

以下是一个使用Verilog HDL编写的一段式状态机的代码示例：

verilog

module one_stage_fsm ( 

    input clk,            // 时钟信号 

    input reset,          // 异步复位信号 

    input start,          // 开始信号，用于触发状态机 

    output reg done,      // 状态机完成信号 

    // ... 可以添加其他输入和输出信号 

    // ... 

); 

// 定义状态 

typedef enum reg [1:0] { 

    STATE_IDLE = 2'b00, 

    STATE_WORK = 2'b01, 

    STATE_DONE = 2'b10 

} fsm_state_t; 

// 当前状态寄存器 

reg [1:0] current_state; 

// 状态转换逻辑 

always @(posedge clk or posedge reset) begin 

    if (reset) begin 

        // 异步复位，将状态机设置到初始状态 

        current_state <= STATE_IDLE; 

        done <= 0; 

    // ... 重置其他输出信号 ... 

    end else begin 

        case (current_state) 

            STATE_IDLE: begin 

                if (start) begin 

                    // 当start信号为高时，从IDLE状态转换到WORK状态 

                    current_state <= STATE_WORK; 

                end 

                // ... 其他IDLE状态下的操作 ... 

            end 

            STATE_WORK: begin 

                // 在WORK状态下执行操作 

                // ... 执行工作的代码 ... 

                // 假设工作完成后直接跳转到DONE状态 

                current_state <= STATE_DONE; 

                // ... 可以添加标志或其他信号来表示工作完成 ... 

            end 

            STATE_DONE: begin 

                // 在DONE状态下设置完成标志 

                done <= 1; 

                // ... 其他DONE状态下的操作 ... 

                // 等待一段时间后或外部信号触发可以回到IDLE状态 

                // 例如，如果start信号再次为高，可以回到IDLE状态 

                if (start) begin 

                    current_state <= STATE_IDLE; 

                    done <= 0; // 重置完成标志 

                end 

            end 

            default: begin 

                // 非法状态，通常用于调试 

                current_state <= STATE_IDLE; 

                // ... 其他错误处理 ... 

            end 

        endcase 

    end 

end 

// ... 其他逻辑（如输出逻辑） ... 

endmodule

在这个示例中，我们定义了一个具有三个状态（IDLE、WORK、DONE）的状态机。状态转换由时钟信号clk和复位信号reset控制。当start信号为高时，状态机从IDLE状态转换到WORK状态。在WORK状态下，执行一些工作（在这个示例中未具体实现），然后转换到DONE状态。在DONE状态下，设置done输出信号为高，表示状态机已完成其工作。此外，如果start信号再次为高，状态机将返回到IDLE状态。

请注意，这个示例仅用于说明如何设计一段式状态机，并且可能需要根据您的具体需求进行修改和扩展。