同步有限状态机（Finit State Machine, FSM）用于 FPGA 处理具有时间上先后顺序的事件。同步 指的是所有状态转移都在时钟作用下进行，有限 指的是状态有限。

分类

  • Mealy 型状态机：输出取决于当前状态与输入；

  • Moore 型状态机：输出取决于当前状态，与输入无关；

写法

  • 一段式状态机：一个 always 模块中既描述状态转移，又描述输入和输出；不推荐
  • 二段式状态机：两个 always 模块，一个用同步时序逻辑描述状态转移，另一个用组合逻辑判断转移条件和输出。定义两个状态（现态和次态）；组合逻辑容易产生毛刺，不利于约束，不推荐
  • 三段式状态机：三个 always 模块，一个用同步时序逻辑描述状态转移，一个用组合逻辑判断转移条件，一个用时序逻辑描述状态输出；
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// 1. state 去哪里（时序逻辑）
always @(posedge clk) begin
    if(!rst_n) begin
        state <= IDLE;        // 复位后状态机处于空闲态
    end
    else begin
        state <= next_state;  // 更新状态
    end
end

// 2. next_state 怎么去（组合逻辑）
always @(*) begin
      if("进入状态的条件") begin
           next_state = "想要进入的状态";
      end
      else if("进入状态的条件") begin
          next_state = "想要进入的状态";
      end
      // ...
end

// 3. 去做什么（时序逻辑）
always @(posedge clk) begin
    if(!rst_n) begin
        "复位状态机中使到的变量(寄存器)";
    end else begin
        case(state)
            "状态1": begin
                "要做的事";
                // ...
            end
            "状态2": begin
                "要做的事";
                // ...
            end
            // ...
            default: begin
                "默认情况下要做的事";
            end
        endcase
    end
end

参考资料

【FPGA/IC】状态机 FSM 的各种写法（一段式、二段式、三段式、摩尔型 Moore、米勒型 Mealy）

状态机，从细节出发（一段式、两段式、三段式，moore 型、mealy 型）