Конечные автоматы (Finite State Machines, FSM) — это математическая модель, широко используемая в проектировании цифровых систем, в том числе на языке Verilog для FPGA (Field-Programmable Gate Array). FSM представляют собой один из основных способов управления последовательностями операций в цифровых системах и могут использоваться для создания сложных схем управления, алгоритмов или систем автоматизации. В этой статье мы разберем, что такое FSM, как они строятся, их преимущества и недостатки, и приведем пример реализации конечного автомата на Verilog.
Что такое FSM?
FSM — это модель, состоящая из набора состояний, переходов между этими состояниями и событий, которые инициируют эти переходы. В простейшем виде конечный автомат работает по принципу: система находится в одном из нескольких предопределённых состояний и переходит в другое состояние в зависимости от входных сигналов.
FSM состоит из:
- Набора состояний — различных положений системы.
- Переходов между состояниями — условные переходы между состояниями, зависящие от входных данных.
- Входных сигналов — управляющих условий, которые определяют, когда и куда будет осуществлён переход.
- Выходных сигналов — действия, выполняемые в каждом состоянии.
Примеры использования FSM включают системы управления лифтами, контроллеры памяти, процессоры и цифровые фильтры.
Принцип построения FSM
FSM можно разделить на два основных типа:
- Автомат Мура — выходная логика зависит только от текущего состояния.
- Автомат Мили — выходная логика зависит как от текущего состояния, так и от входных сигналов.
Основной принцип работы FSM заключается в том, что система в каждый момент времени находится в одном из состояний, и она может перейти в другое состояние в зависимости от входных данных.
Построение FSM на Verilog проходит через несколько шагов:
Шаги построения FSM:
- Определение состояний:
Первым шагом является определение всех возможных состояний системы. Состояния можно кодировать с помощью параметров, используя уникальные бинарные или символические коды. FSM может быть одноуровневым или иерархическим, в зависимости от сложности задачи. - Определение переходов:
Для каждого состояния определяется, как и при каких условиях система переходит в другие состояния. Это можно описать с помощью логики переходов, используя конструкцииcase, - Определение выходов:
В каждом состоянии необходимо указать действия, которые система выполняет. - Реализация на Verilog:
На этом этапе FSM кодируется с использованием конструкций Verilog, таких как регистры, синхронизация по тактовым сигналам, операторы управления и логические выражения.
Компоненты FSM
FSM на Verilog состоит из следующих компонентов:
- Состояния — множество возможных состояний системы.
- Переходы — правила, определяющие, как и при каких условиях FSM будет перемещаться между состояниями.
- Входы — сигналы, которые контролируют переходы между состояниями.
- Выходы — сигналы, которые зависят от состояния или входов (в зависимости от типа автомата).
- Тактовый сигнал (Clock) — FSM синхронизируется по тактовому сигналу, который задаёт интервалы, когда система может менять состояние.
Преимущества и недостатки FSM
Преимущества:
- Простота: FSM легко проектировать и анализировать, особенно для небольших систем.
- Понятность: Четкая структура состояний и переходов упрощает отладку и тестирование системы.
- Высокая эффективность: FSM хорошо подходит для реализации контроллеров, где требуется выполнение последовательности действий.
Недостатки:
- Ограничения по сложности: Для сложных систем с большим числом состояний FSM могут стать громоздкими и трудными для поддержки.
- Расширяемость: Добавление новых состояний или изменеие логики может потребовать значительных усилий.
Пример реализации FSM на Verilog
Для работы с микросхемой FT245RL через FSM на Verilog мы будем использовать следующие сигналы:
- D[7:0] — 8-битная шина данных для передачи и приёма данных.
- RD# (Read) — сигнал для чтения данных (активный низкий).
- WR (Write) — сигнал для записи данных (активный низкий).
- RXF# (Receive FIFO Full) — сигнал, указывающий, что данные доступны для чтения (активный низкий, FIFO не пуст).
- TXE# (Transmit FIFO Empty) — сигнал, указывающий, что можно записывать данные (активный низкий, FIFO не полный).
Задачи модуля:
- Чтение данных, когда FIFO FT245RL не пусто.
- Запись данных, когда FIFO FT245RL не заполнено.
- Управление сигналами чтения и записи через FSM.
Принцип работы FSM:
FSM будет состоять из следующих состояний:
- IDLE — Ожидание доступности данных для чтения или возможности записи.
- CHECK_RXF — Проверка, можно ли читать данные.
- READ_DATA — Чтение данных.
- CHECK_TXE — Проверка, можно ли записать данные.
- WRITE_DATA — Запись данных.
- DONE — Завершение операции чтения или записи.
module ft245_fsm(
input clk, // Системный тактовый сигнал
input rst_n, // Сброс (активный низкий)
input rxf_n, // RXF# сигнал (FIFO не пуст)
input txe_n, // TXE# сигнал (FIFO не заполнен)
input [7:0] data_in, // 8-битная шина данных FT245RL для чтения
output reg [7:0] data_out,// Данные для записи в FT245RL
output reg rd_n, // RD# сигнал для чтения данных (активный низкий)
output reg wr_n, // WR сигнал для записи данных (активный низкий)
output reg [7:0] read_data// Принятые данные
);
// Определение состояний FSM
reg [2:0] IDLE = 3'b000; // Ожидание данных для чтения или записи
reg [2:0] CHECK_RXF = 3'b001; // Проверка, можно ли читать
reg [2:0] READ_DATA = 3'b010; // Чтение данных
reg [2:0] CHECK_TXE = 3'b011; // Проверка, можно ли записать данные
reg [2:0] WRITE_DATA = 3'b100; // Запись данных
reg [2:0] DONE = 3'b101; // Завершение операции
// Основной блок FSM
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n)
current_state <= IDLE; // При сбросе переходим в начальное состояние
else
current_state <= next_state; // Переход в следующее состояние
end
// Логика переходов состояний
always @(*) begin
case (current_state)
IDLE: begin
if (!rxf_n) // Если FIFO не пуст, готово для чтения
next_state = CHECK_RXF;
else if (!txe_n) // Если FIFO не заполнено, можно писать
next_state = CHECK_TXE;
else
next_state = IDLE; // Ожидание
end
CHECK_RXF: begin
next_state = READ_DATA; // Переход к чтению данных
end
READ_DATA: begin
next_state = DONE; // Переход к завершению после чтения
end
CHECK_TXE: begin
next_state = WRITE_DATA; // Переход к записи данных
end
WRITE_DATA: begin
next_state = DONE; // Переход к завершению после записи
end
DONE: begin
next_state = IDLE; // Возвращаемся в состояние ожидания
end
default: next_state = IDLE;
endcase
end
// Логика управления выходами
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
rd_n <= 1'b1; // RD# неактивен (активный низкий)
wr_n <= 1'b1; // WR неактивен
read_data <= 8'b0; // Обнуляем принятые данные
data_out <= 8'b0; // Обнуляем выход данных
end else begin
case (current_state)
IDLE: begin
rd_n <= 1'b1; // RD# неактивен
wr_n <= 1'b1; // WR неактивен
end
CHECK_RXF: begin
rd_n <= 1'b0; // Активируем RD# для чтения данных
end
READ_DATA: begin
read_data <= data_in; // Чтение данных с шины
rd_n <= 1'b1; // Отключаем RD# после чтения
end
CHECK_TXE: begin
wr_n <= 1'b0; // Активируем WR для записи данных
data_out <= 8'hAA; // Пример данных для записи
end
WRITE_DATA: begin
wr_n <= 1'b1; // Отключаем WR после записи данных
end
DONE: begin
rd_n <= 1'b1; // RD# неактивен
wr_n <= 1'b1; // WR неактивен
end
endcase
end
end
endmoduleОписание работы FSM:
- IDLE: FSM находится в ожидании, пока FIFO не станет доступным для чтения или записи. Если сигнал RXF# активен (FIFO не пуст), FSM переходит в состояние
- CHECK_RXF: В этом состоянии активируется сигнал RD#, и FSM подготавливается для чтения данных. Данные принимаются через шину
- READ_DATA: Прочитанные данные сохраняются в регистре
- CHECK_TXE: В этом состоянии активируется сигнал WR, и данные передаются через шину
- WRITE_DATA: Данные записываются в FT245RL через шину, и сигнал WR отключается.
- DONE: Завершение операции, FSM возвращается в исходное состояние
Этот модуль управляет процессом чтения и записи данных через микросхему FT245RL с помощью FSM, обрабатывая сигналы RXF# и TXE# для определения, когда можно читать или писать данные.
Заключение
FSM являются мощным инструментом для проектирования цифровых систем управления в FPGA, обеспечивая ясную структуру состояний и переходов. Их простота и гибкость позволяют реализовать различные алгоритмы управления, хотя с увеличением сложности системы могут возникнуть ограничения в удобстве проектирования. Знание конечных автоматов и их реализация на языке Verilog является важным навыком для разработчиков цифровых систем.
FAQ
1. Чем отличается автомат Мура от Мили?
Автомат Мура управляет выходами только на основе текущего состояния, тогда как автомат Мили учитывает как текущее состояние, так и входные сигналы для определения выходов.
2. В чем преимущество использования FSM для проектирования цифровых систем?
FSM позволяет структурировать процесс управления состояниями и переходами, что делает проектирование системы более организованным и понятным.
3. Какой язык программирования используется для реализации FSM в FPGA?
Одним из самых популярных языков для реализации FSM является Verilog, также часто используется язык VHDL.
4. Что делать, если моя система слишком сложная для FSM?
В таких случаях можно рассмотреть использование иерархических FSM или других подходов, таких как микропроцессоры или программируемые логические контроллеры (PLC).
5. Каким образом FSM применяется в реальных системах?
FSM используется в контроллерах памяти, процессорах, цифровых фильтрах, автоматизации промышленных процессов и в других системах, где требуется управление последовательностями операций.