对于前端工程师而言，设计状态机是最基本的技能，状态机就像电路的指挥中心，控制着电路的各种数据路径，所以是至关重要的。下面就来简单回顾一下状态机的一些基本概念。

何时使用状态机：

状态机是用于描述有逻辑顺序的电路。即在拿到一个模块的功能描述后，有类似“先....然后...再”或者“如果....如果...."这类描述的时候，可以考虑使用状态机。

关于何时使用状态机，这里介绍两种常见的情况：

  • 第一种思路，从状态入手，如果一个模块有比较明显的时序顺序或者逻辑顺序，可以将其划分成不同的状态，然后考虑什么时候进行状态跳转。
  • 第二种思路是从输出入手，一个模块要输出数据，什么时候（状态）输出什么样的数据，什么时候改变输出的数据（状态的跳转和输入），通过这样的形式来进行回溯。

无论哪种思路，使用状态机的目的都是要控制某部分电路，完成某种具有逻辑顺序或时序规律的电路设计。 其实对于逻辑电路而言，小到一个简单的时序逻辑，大到复杂的微处理器，都适合用状态机方法进行描述。

状态机基本要素与分类：

状态机的基本要素有 3 个，它们是：状态、输出和输入。

  • 状态：也叫状态变量。在逻辑设计中，使用状态划分逻辑顺序和时序规律。可以使用one-hot或者二进制编码来作为状态变量，更好的办法是使用电路中已有的信号的不同值来作为状态变量，这样可以大大节省电路资源，不必要创建新的信号。比如一些协议转换时候输入编码的某几位功能位。
  • 输出：输出指在某一个状态时向外界输出的信号，常常是控制信号，比如读写信号，使能信号。
  • 输入：指状态机中进入每个状态的条件，有的状态机没有输入条件，其中的状态转移较为简单，有的状态机有输入条件，当某个输入条件存在时才能转移到相应的状态。

根据状态机的输出是否与输入条件相关，可将状态机分为两大类：摩尔（Moore）型状 态机和米勒（Mealy）型状态机。
摩尔状态机：摩尔状态机的输出仅仅依赖于当前状态，而与输入条件无关。

  • 米勒型状态机：米勒型状态机的输出不仅依赖于当前状态，而且取决于该状 态的输入条件。

状态机的基本描述方式：

一般用于状态机状态描述的方法有2种，分别是：状态转移图，和 HDL 语言描述。

  • 状态转移图：状态转移图是状态机描述的最自然的方式。经常在设计规划阶段定义逻辑功能时使用，也可以在分析代码中状态机时使用，通过图形化的方式非常有助于理 解设计意图。使用一些EDA工具也可以生成状态转移图便于进行分析，当然前提是HDL代码的书写要规范。
  • HDL 语言描述状态机，目前对于状态机有一些固定规范的描述方法，可以使 HDL 语言描述的状态机更安全、稳定、高效、易于维护。