三段式状态机 [CPLD/FPGA]

状态机的组成其实比较简单，要素大致有三个：输入，输出，还有状态。

状态机描述时关键是要描述清楚前面提高的几个状态机的要素，即如何进行状态转移；每个状态的输出是什么；状态转移是否和输入条件相关等。

有人习惯将整个状态机写到一个always模块里面，在该模块中同时描述了状态转移，又描述状态的输入和输出。这种写法一般被称为一段式FSM描述方法； 还有一种写法是用2个always模块，其中一个always模块采用同步时序描述状态转移；另一个采用组合逻辑判断状态转移描述状态转移规律，这种写法 被称为两段式FSM描述；还有一种是在两段式基础之上发展出来的，这种写法使用3个always模块，一个always模块采用同步时序描述状态转移；第 二个采用组合逻辑判断状态转移条件，描述状态转移规律，第三个always模块使用同步时序电路描述每个状态的输出，这种写法成为三段式。

一般推荐后两种方法，也就是两段式和三段式。其原因为：FSM和其他设计一样，最好使用同步时序，以便提高设计的稳定性，消除毛刺。状态转移部分一般是同 步时序电路而状态的转移条件的判断是组合逻辑，之所以两段式比一段式更为合理，就在于它将时序逻辑和组合逻辑分别放到不同的always程序快中实现，这 样一来便于理解和阅读，二来利于综合器又换代码，更有利于用户添加合适的时序约束条件，利于布局布线器实现设计。

在两段式中，当前状态的输出是用组合逻辑实现的，这样的实现是有产生毛刺的可能性的，而且不利于约束。同样的原因，某些需要引入输出反馈的设计中，两段式会引入组合逻辑的反馈，使综合失败，这是要极力避免的。

三段式与两段式相比，关键在于根据状态转移规律，在上一状态根据输入条件判断当前状态的输出，从而在不出入额外的时钟节拍的前提下，实现了寄存器输出。

一个三段式的状态机大致如下：

module state (nrst,clk,sig1,sig2,out1,out2); input nrst,clk; input sig1,sig2; output out1,out2; reg out1,out2; reg [2:0] NS,CS; parameter [2:0]   IDLE = 3'b000,  S1   = 3'b001,  S2   = 3'b010; //第一段，状态转换always @(posedge clk or negedge nrst)  if(!nrst)    CS<= IDLE;  else    CS<= NS；  //第二段，组合逻辑判断always @(nrst or CS or sig1 or sig2)      begin           NS = 3'bx;//给出默认值          case(CS)               IDLE: begin                          if (sig1......) NS = IDLE;                          else NS = S1;                     end               S1:   begin                          if(.........)   NS = S1;                          else NS = xxxx;
              S2:  .....            endcase      end  //第三段，FSM输出always @(posedge clk or negedge nrst) if (!nrst)    {out1,out2}<= 2'b00;else    begin      {out1,out2}<= 2'b00;   case (NS)       IDLE：......
       S1：    endcase    end endmodule

两段式其实就是将上述的第二段，第三段合一。

三段式写法可概括为如下图：

注意：一三段之中用<=，第二段中用=。