关于fpga:状态机的概念与设计

⭐本专栏针对 FPGA 进行入门学习，从数电中常见的逻辑代数讲起，联合 Verilog HDL 语言学习与仿真，次要对组合逻辑电路与时序逻辑电路进行剖析与设计，对状态机 FSM 进行分析与建模。
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状态机的概念与设计

状态机的根本构造及类型

无限状态机的规范模型如图所示，它次要由三局部组成：

1. 下一状态的逻辑电路（组合电路）；
2. 存储状态机以后状态的时序逻辑电路（时序电路）；
3. 输入组合逻辑电路（组合电路）。

个别状况下，状态触发器的数量是无限的，其状态数也是无限的，故称为无限状态机（Finite State Machine，简称为 FSM）。状态机中所有触发器的时钟输出端被连贯到一个公共时钟脉冲源上，其状态的转换是在同一时钟源的同一脉冲边际同步进行的，所以它也被称作时钟同步状态机。

一般来说，状态机的基本操作次要有以下两种：

1. 状态机的外部状态转换。
2. 产生输入信号序列。

依据电路的输入信号是否与电路的输出无关，能够将状态机分为两种类型：一类是米利型（Mealy）状态机，电路的输入信号不仅与电路以后的状态无关，还与电路的输出无关；另一类是穆尔型（Moore）状态机，电路输入仅仅取决于各触发器的状态，而不受电路过后的输出信号影响或没有输出变量。

状态机的状态图表示法

Mealy 型

上图是米利型状态图的一个例子。在状态图中，每个状态用一个圆圈示意，圆圈内有批示状态的符号。用带箭头的方向线批示状态转换的方向，当方向线的终点和起点都在同一个圆圈上时，则示意状态不变。

一般来说，状态机中的状态转移有两种形式：无条件转移和有条件转移。在图中，从状态 A 转移到状态 B 为无条件转移，其它状态之间的转移都是有条件要求的。

Moore 型

须要强调指出，米利型状态图中，输入值的示意办法容易引起读者的误会。当状态机处于所在的状态，并且在所示的输出的作用下，就会产生输入值，并非在状态机转移到下一状态时才呈现输入。因为穆尔型电路的输入只依赖于状态机的以后状态，其状态图的示意办法略有不同，通常将输入变量写在示意状态的圆圈外部，图是穆尔型状态图示意的例子。

状态机的设计步骤

一般来说，状态机的设计步骤如下所示：

1. 根据具体的设计准则，确定采纳状态机类型：穆尔型状态机还是米利型状态机。
2. 剖析设计要求，列出状态机的所有状态，并对每一个状态进行状态编码。
3. 依据状态转移关系和输入函数，画出状态图 (状态表)。
4. 依据所画的状态图，采纳硬件描述语言对状态机进行形容。

第 3 步是最艰难也是最有创造性的一步。状态图直观地反映了状态机各个状态之间的转换关系以及转换条件，但要求设计的状态个数不能太多。状态个数较多，采纳状态表的办法列出状态机的转移条件。输入信号较多，可采纳输入逻辑真值表进行示意。

参考文献：

1. Verilog HDL 与 FPGA 数字零碎设计，罗杰，机械工业出版社，2015 年 04 月
2. Verilog HDL 与 CPLD/FPGA 我的项目开发教程 (第 2 版), 聂章龙, 机械工业出版社, 2015 年 12 月
3. Verilog HDL 数字设计与综合 (第 2 版), Samir Palnitkar 著，夏宇闻等译, 电子工业出版社, 2015 年 08 月
4. Verilog HDL 入门 (第 3 版), J. BHASKER 著 夏宇闻甘伟 译, 北京航空航天大学出版社, 2019 年 03 月

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