[原创].怎样在有限状态机中延时

本文借一小例，来示范在FSM中如何延时。

案例

（1）fsm_with_delay_demo.v

module fsm_with_delay_demo(
  input      CLOCK_50,
  input      RST_N,
  
  output reg LED
);

//++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
// 定时器1 开始
// 时长：1秒
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parameter TIMER1_VAL = 50_000_000;      // 50M/50M = 1s

reg        timer1_enable;
reg [25:0] timer1_cnt;
wire       timer1_done;

always @(posedge CLOCK_50)
  if (~timer1_enable) 
    timer1_cnt <= 0;
  else if (~timer1_done) 
    timer1_cnt <= timer1_cnt + 1'b1;
    
assign timer1_done = (timer1_cnt == TIMER1_VAL - 1);
//--------------------------------------
// 定时器1 结束
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// 定时器2 开始
// 时长：4秒
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parameter TIMER2_VAL = 200_000_000;     // 200M/50M = 4s

reg        timer2_enable;
reg [27:0] timer2_cnt;
wire       timer2_done;

always @(posedge CLOCK_50)
  if (~timer2_enable) 
    timer2_cnt <= 0;
  else if (~timer2_done) 
    timer2_cnt <= timer2_cnt + 1'b1;
    
assign timer2_done = (timer2_cnt == TIMER2_VAL - 1);
//--------------------------------------
// 定时器2 结束
//--------------------------------------


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// 状态机部分 开始
//++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
parameter S0 = 0;
parameter S1 = 1;


reg [5:0] current_state, next_state;    // 现态、次态

always @ (posedge CLOCK_50, negedge RST_N)
begin:fsm_always_block1
  if (!RST_N)
    current_state <= S1;
  else
    current_state <= next_state;
end

// 根据条件转移状态，并给出相应逻辑
always @ *
begin:fsm_always_block2
  /* 用户变量初始化  开始*/
  LED           = 1'b0;
  /* 用户变量初始化  结束*/
  
  /* 清定时器使能 开始 */
  timer1_enable = 1'b0;
  timer2_enable = 1'b0;
  /* 清定时器使能 结束 */
  case (current_state)
    S0 :
      begin
        timer1_enable = 1;              // 使能定时器1
        
        /* 用户代码  开始*/
        LED = 1'b0;
        /* 用户代码  结束*/
        
        if (timer1_done /* && 用户条件 */)
          next_state = S1;
        else
          next_state = S0;
      end
    S1 :
      begin
        timer2_enable = 1;              // 使能定时器1
        
        /* 用户代码  开始*/
        LED = 1'b1;
        /* 用户代码  结束*/
        
        if (timer2_done /* && 用户条件 */)
          next_state = S0;
        else
          next_state = S1;
      end  
  endcase
end
//--------------------------------------
// 状态机部分 结束
//--------------------------------------

endmodule

（2）QII综合的FSM

图1 QII综合的FSM

（3）实验现象

该例中，FSM有两个状态，S0持续1s，S1持续4s，然后循环交替。

假设案例中的LED是送1亮，送0灭，那么LED灭1秒亮4秒，如此循环交替。

分析

众所周知，FSM有三种写法：1个always块；两个always块；三个always块。其中1个always块的fsm，由于各种弊端，为大家所不齿。然而加入定时器这一动作在3个always块又不能很好地实现，于是退而求其次，使用2个always块的fsm。

这样一来，我们只需在第一个always块内实现现次态交替转变即可。在第二个always块内，根据状态迁移，来写各状态的逻辑。由于定时器的加入，而其使能又是reg变量，所以在初始化时，必须将使能清零，以免无法实现定时效果。在各状态中，如果只需持续一个clock，则无需使能定时器。倘若需要持续一段时间，使能定时器即可，然后等定时完毕，再转移状态；未定时完毕，则保持当前状态。至于其他的用户条件，可与定时完毕标志逻辑与在一起，以实现所需功能。