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基于有限状态机的数字电路设计：Verilog 实践与探索

article 2025/3/17 13:21:28

在数字电路设计领域，有限状态机（Finite State Machine，FSM）是一种强大的设计工具，它能够有效地处理复杂的逻辑控制。结合 Verilog 语言进行基于有限状态机的数字电路设计，是深入理解数字系统设计的关键路径。

一、实验目的

本次实验聚焦多个关键目标，旨在全面提升在数字电路设计方面的能力。

掌握 Verilog 设计要点：深入学习 Verilog 数字系统设计的三个关键要点，包括代码可读性与可移植性、算法优化以及基于有限状态机的逻辑控制设计。
优化代码质量：学会通过具体的代码学习，让 Verilog 代码更具可读性和可移植性，这对于构建大型、复杂的数字系统至关重要。
降低计算复杂度：运用算法优化策略，减少计算复杂度，提高电路的运行效率，例如利用特定的数学变换公式或更高效的算法结构。
理解有限状态机：理解有限状态机的概念和设计原则，包括状态转移、状态存储和输出逻辑等方面，这是设计复杂数字逻辑的核心。
掌握状态机结构：掌握 Moore 状态机和 Mealy 状态机的基本结构，了解它们在状态转移和输出逻辑上的差异，以便在不同场景中选择合适的状态机类型。
实现序列检测器：使用 Verilog 语言实现两个序列检测器（1101 序列和 1001 序列）的逻辑功能，并通过仿真验证其正确性。

二、实验环境

实验借助了以下工具：

Modelsim：用于对设计的数字电路进行功能仿真，能够直观地观察信号的变化和电路的工作状态，帮助发现和解决设计中的问题。
Notepad++：作为代码编辑器，提供了便捷的代码编写环境，支持语法高亮等功能，提高编程效率。
笔记本电脑：为整个实验提供运行和存储环境，确保工具和代码的正常运行。

三、实验步骤

（一）Verilog 数字系统设计要点

Verilog 数字系统设计的三个关键要点分别是代码的可读性与可移植性、算法的运用以及基于有限状态机的逻辑控制设计。代码的可读性和可移植性影响着项目的维护和扩展，算法的选择直接关系到电路的计算效率，而有限状态机则是实现复杂逻辑控制的核心手段。

（二）提升代码可读性和可移植性

通过具体的代码学习来掌握提升代码质量的方法。例如，在代码中使用参数化设计，将常用的常量定义为参数，方便修改和复用。如定义参数parameter SIZE = 2;，后续在定义输入输出端口时使用input [SIZE:1] ain_r;，这样当需要修改数据位宽时，只需修改变量SIZE的值，而无需在多处重复修改端口定义，大大提高了代码的可维护性和可移植性。