狀態(tài)機(jī)

1、狀態(tài)機(jī)是許多數(shù)字系統(tǒng)的核心部件，是一類重要的時序邏輯電路。通常包括三個部分：一是下一個狀態(tài)的邏輯電路，二是存儲狀態(tài)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)的時序邏輯電路，三是輸出組合邏輯電路。

2、根據(jù)狀態(tài)機(jī)的輸出信號是否與電路的輸入有關(guān)分為Mealy型狀態(tài)機(jī)和Moore型狀態(tài)機(jī)。電路的輸出信號不僅與電路當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，還與電路的輸入有關(guān)，稱為 Mealy 型狀態(tài)機(jī)，而電路的輸出僅僅與各觸發(fā)器的狀態(tài)，不受電路輸入信號影響或無輸入，稱為
Moore 型狀態(tài)機(jī)。

3、狀態(tài)機(jī)的描述通常有三種方法，稱為一段式狀態(tài)機(jī)，二段式狀態(tài)機(jī)和三段式狀態(tài)機(jī)。狀態(tài)機(jī)的描述通常包含以下四部分：
1)利用參數(shù)定義語句 parameter 描述狀態(tài)機(jī)各個狀態(tài)名稱，即狀態(tài)編碼。狀態(tài)編碼通常有很多方法包含自然二進(jìn)制編碼，One-hot 編碼，格雷編碼碼等；
2）用時序的 always 塊描述狀態(tài)觸發(fā)器實現(xiàn)狀態(tài)存儲；
3）使用敏感表和 case 語句（也采用 if-else 等價語句）描述狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯；
4）描述狀態(tài)機(jī)的輸出邏輯。

4、（1）一段式狀態(tài)機(jī)

module detect_1(
input clk_i,
input rst_n_i,
output out_o
);
reg out_r;
//狀態(tài)聲明和狀態(tài)編碼
reg [1:0] state;
parameter [1:0] S0=2'b00;
parameter [1:0] S1=2'b01;
parameter [1:0] S2=2'b10;
parameter [1:0] S3=2'b11;
always@(posedge clk_i)
begin
if(!rst_n_i)begin
state<=0;
out_r<=1'b0;
end
else
case(state)
S0 :
begin
out_r<=1'b0;
state<= S1;
end
S1 :
begin
out_r<=1'b1;
state<= S2;
end
S2 :
begin
out_r<=1'b0;
state<= S3;
end
S3 :
begin
out_r<=1'b1;
end
endcase
end
assign out_o=out_r;
endmodule

一段式狀態(tài)機(jī)是應(yīng)該避免使用的，該寫法僅僅適用于非常簡單的狀態(tài)機(jī)設(shè)計，不符合組
合邏輯與時序邏輯分開的原則，整個結(jié)構(gòu)代碼也不清晰，不利用維護(hù)和修改。

（2）兩段式狀態(tài)機(jī)

//狀態(tài)聲明和狀態(tài)編碼
reg [1:0] Current_state;
reg [1:0] Next_state;
parameter [1:0] S0=2'b00;
parameter [1:0] S1=2'b01;
parameter [1:0] S2=2'b10;
parameter [1:0] S3=2'b11;
//時序邏輯：描述狀態(tài)轉(zhuǎn)換
always@(posedge clk_i)
begin
if(!rst_n_i)
Current_state<=0;
else
Current_state<=Next_state;
end
//組合邏輯:描述下一狀態(tài)和輸出
always@(*)
begin
out_r=1'b0;
case(Current_state)
S0 :
begin
out_r=1'b0;
Next_state= S1;
end
S1 :
begin
out_r=1'b1;
Next_state= S2;
end
S2 :
begin
out_r=1'b0;
Next_state= S3;
end
S3 :
begin
out_r=1'b1;
Next_state=Next_state;
end
endcase
end
assign out_o=out_r;
endmodule

兩段式狀態(tài)機(jī)采用兩個 always 模塊實現(xiàn)狀態(tài)機(jī)的功能，其中一個 always 采用同步時序邏輯描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移，另一個 always 采用組合邏輯來判斷狀態(tài)條件轉(zhuǎn)移。兩段式狀態(tài)機(jī)是推薦的狀態(tài)機(jī)設(shè)計方法。

（3）三段式狀態(tài)機(jī)

module detect_3(
input clk_i,
input rst_n_i,
output out_o
);
reg out_r;
//狀態(tài)聲明和狀態(tài)編碼
reg [1:0] Current_state;
reg [1:0] Next_state;
parameter [1:0] S0=2'b00;
parameter [1:0] S1=2'b01;
parameter [1:0] S2=2'b10;
parameter [1:0] S3=2'b11;
//時序邏輯：描述狀態(tài)轉(zhuǎn)換
always@(posedge clk_i)
begin
if(!rst_n_i)
Current_state<=0;
else
Current_state<=Next_state;
end
//組合邏輯：描述下一狀態(tài)
always@(*)
begin
case(Current_state)
S0:
Next_state = S1;
S1:
Next_state = S2;
S2:
Next_state = S3;
S3:
begin
Next_state = Next_state;
end
default :
Next_state = S0;
endcase
end
//輸出邏輯：讓輸出 out，經(jīng)過寄存器 out_r 鎖存后輸出，消除毛刺
always@(posedge clk_i)
begin
if(!rst_n_i)
out_r<=1'b0;
else
begin
case(Current_state)
S0,S2:
out_r<=1'b0;
S1,S3:
out_r<=1'b1;
default :
out_r<=out_r;
endcase
end
end
assign out_o=out_r;

三段式狀態(tài)機(jī)在第一個 always 模塊采用同步時序邏輯方式描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移，第二個always 模塊采用組合邏輯方式描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)律，第三個 always 描述電路的輸出。通常讓輸出信號經(jīng)過寄存器緩存之后再輸出，消除電路毛刺。這種狀態(tài)機(jī)也是比較推崇的，主要是由于維護(hù)方便，組合邏輯與時序邏輯完全獨(dú)立。

編輯：hfy