有限状态机要点
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生活中有限状态机
顾客投币选择饮料
货币有0.5，1.0，机器可找零，每次投入一种硬币，机器可以输出货物，也可找零：
二，从
这仅仅只是投币这一动作的状态图，其实展开来说我觉得单顾客而言还有很多个动作状态，比如选择饮料这一动作，如下图：
选择
人本来就是一个复杂的个体，信息输入人脑后还会有一系列的状态。
二．售货机器来分析
售货机根据顾客的投币来找零和出货，售货机对顾客的输入进行识别后出货并判断顾客投币是否足够是否需要找零：
对于售货机，我觉得售货机也有很多个状态，比如，顾客选择饮料后按键，售货机会根据按键计算该吐出哪种饮料，然后饮料下的挡板收缩，该饮料就掉下来了：
三，从补货售货员来分析
补货员又分为两个部分，查看及取走钱币及查看及补充饮料：
自动售货机类图：
有限状态机是一种具有离散输入输出系统的模型，在任何时刻都处于一个特定的状态。对于事件驱动的程序设计，它是非常有用的设计模型。在某一个状态下有事件发生时，根换到下一个状态。
自动售货机我想从三个方面来分析它的有限状态机（以下是用例图）：
一，从顾客来分析
《游戏智能》
实验报告
项目名称生活中的有限状态机
专业班级20121123
姓 名骆晓芳（2012137125）
实验成绩：
批阅教师：
2014年12月19 日
生活中的有限状态机——自（英语：Finite-state machine, FSM），又称有限状态自动机，简称状态机，是表示有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型。
货币有0.5，1.0，机器可找零，每次投入一种硬币，机器可以输出货物，也可找零：
二，从
这仅仅只是投币这一动作的状态图，其实展开来说我觉得单顾客而言还有很多个动作状态，比如选择饮料这一动作，如下图：
选择
人本来就是一个复杂的个体，信息输入人脑后还会有一系列的状态。
二．售货机器来分析
售货机根据顾客的投币来找零和出货，售货机对顾客的输入进行识别后出货并判断顾客投币是否足够是否需要找零：
对于售货机，我觉得售货机也有很多个状态，比如，顾客选择饮料后按键，售货机会根据按键计算该吐出哪种饮料，然后饮料下的挡板收缩，该饮料就掉下来了：
三，从补货售货员来分析
补货员又分为两个部分，查看及取走钱币及查看及补充饮料：
自动售货机类图：
有限状态机是一种具有离散输入输出系统的模型，在任何时刻都处于一个特定的状态。对于事件驱动的程序设计，它是非常有用的设计模型。在某一个状态下有事件发生时，根换到下一个状态。
自动售货机我想从三个方面来分析它的有限状态机（以下是用例图）：
一，从顾客来分析
《游戏智能》
实验报告
项目名称生活中的有限状态机
专业班级20121123
姓 名骆晓芳（2012137125）
实验成绩：
批阅教师：
2014年12月19 日
生活中的有限状态机——自（英语：Finite-state machine, FSM），又称有限状态自动机，简称状态机，是表示有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型。
第八次课-8章状态机精选全文
state<=s0; endcase end endmodule
z<=0;
三、基于状态机的设计要点
1．起始状态的选择
起始状态是指电路复位后所处的状态，选择一 个合理的起始状态将使整个系统简洁高效。有的 EDA软件会自动为基于状态机的设计选择一个最佳 的起始状态。
2．状态转换的描述
一般使用case语句来描述状态之间的转换， 用case语句表述比用if-else语句更清晰明了。
有限状态机类型 有限状态机的Verilog描述 有限状态机的设计要点
一、两种有限状态机
二、有限状态机的Verilog描述
描述对象：
当前状态、下一状态、输出逻辑
描述方式： 单过程、双过程、三过程
单过程描述方式： 放在一个过程中描述，相当于采用时
钟信号同步，克服输出产生毛刺。但输出 逻辑相对于双过程，要延迟一个时钟周期。
end end
s3: begin if(x==0)
begin state<=s0; z<=0;
end else begin
state<=s4; z<=1; end end
s4: begin if(x==0)
begin state<=s0; end else begin state<=s4; z<=1; end end default:
双过程描述方式： 一个过程 由时钟信号触发的时序过程
（当时钟发生跳变时，状态机状态发生变 化。一般用case语句检查状态机的当前状态； 另一过程是组合过程，对于摩尔型，输出 只与当前状态有关，因此只需用case语句即 可，对米里型，因与当前状态和输入都有 关，因此可用case 语句和 if组合进行描述。
z<=0;
三、基于状态机的设计要点
1．起始状态的选择
起始状态是指电路复位后所处的状态，选择一 个合理的起始状态将使整个系统简洁高效。有的 EDA软件会自动为基于状态机的设计选择一个最佳 的起始状态。
2．状态转换的描述
一般使用case语句来描述状态之间的转换， 用case语句表述比用if-else语句更清晰明了。
有限状态机类型 有限状态机的Verilog描述 有限状态机的设计要点
一、两种有限状态机
二、有限状态机的Verilog描述
描述对象：
当前状态、下一状态、输出逻辑
描述方式： 单过程、双过程、三过程
单过程描述方式： 放在一个过程中描述，相当于采用时
钟信号同步，克服输出产生毛刺。但输出 逻辑相对于双过程，要延迟一个时钟周期。
end end
s3: begin if(x==0)
begin state<=s0; z<=0;
end else begin
state<=s4; z<=1; end end
s4: begin if(x==0)
begin state<=s0; end else begin state<=s4; z<=1; end end default:
双过程描述方式： 一个过程 由时钟信号触发的时序过程
（当时钟发生跳变时，状态机状态发生变 化。一般用case语句检查状态机的当前状态； 另一过程是组合过程，对于摩尔型，输出 只与当前状态有关，因此只需用case语句即 可，对米里型，因与当前状态和输入都有 关，因此可用case 语句和 if组合进行描述。
实验3有限状态机
对收集到的数据进行深入分析，以了解有限状态机的表现和优缺点。例如，我们可以分析不同输入下有限状态机的响 应时间、内存占用情况等，以便更好地理解其性能特点。
结果评估
根据实验目标和数据分析结果，对实现的有限状态机进行评估。评估指标可以包括功能完整性、性能效 率、可扩展性等。通过评估，我们可以了解实现的效果如何，以及需要改进的地方。
与流程图的区别
流程图描述的是一系列的决策和转移， 而有限状态机强调的是系统的状态和 状态之间的转换。
与数据结构模型的区别
与模拟器的区别
模拟器用于模拟系统的行为，而有限 状态机是一种用于描述系统行为的计 算模型。
有限状态机不仅关注数据结构，更关 注状态之间的转移逻辑和行为。
02 有限状态机的实现方式
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
不足
在实验过程中，我们发现自己在有限状态机的设计和实现上还存在一些不足之处。例如，在状态转移逻辑的设计 上，我们有时会忽略一些重要的状态转移条件，导致程序运行结果不正确。此外，在代码实现方面，我们也存在 一些语法错误和逻辑错误，需要进一步加强代码审查和测试。
对未来研究的建议与展望
要点一
建议
为了进一步提高有限状态机的应用效果和性能，我们建议 在未来的研究中，可以从以下几个方面进行改进。首先， 深入研究有限状态机的设计方法和技巧，提高状态转移逻 辑的准确性和可靠性。其次，加强有限状态机的测试和验 证，及时发现和修复程序中的错误和问题。最后，探索有 限状态机在其他领域的应用，如人工智能、游戏开发等。
04 实验结果与讨论
结果展示
状态转移图
根据实验数据，绘制了有限状态机的状态转移图， 清晰地展示了各个状态之间的转移关系。
结果评估
根据实验目标和数据分析结果，对实现的有限状态机进行评估。评估指标可以包括功能完整性、性能效 率、可扩展性等。通过评估，我们可以了解实现的效果如何，以及需要改进的地方。
与流程图的区别
流程图描述的是一系列的决策和转移， 而有限状态机强调的是系统的状态和 状态之间的转换。
与数据结构模型的区别
与模拟器的区别
模拟器用于模拟系统的行为，而有限 状态机是一种用于描述系统行为的计 算模型。
有限状态机不仅关注数据结构，更关 注状态之间的转移逻辑和行为。
02 有限状态机的实现方式
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
不足
在实验过程中，我们发现自己在有限状态机的设计和实现上还存在一些不足之处。例如，在状态转移逻辑的设计 上，我们有时会忽略一些重要的状态转移条件，导致程序运行结果不正确。此外，在代码实现方面，我们也存在 一些语法错误和逻辑错误，需要进一步加强代码审查和测试。
对未来研究的建议与展望
要点一
建议
为了进一步提高有限状态机的应用效果和性能，我们建议 在未来的研究中，可以从以下几个方面进行改进。首先， 深入研究有限状态机的设计方法和技巧，提高状态转移逻 辑的准确性和可靠性。其次，加强有限状态机的测试和验 证，及时发现和修复程序中的错误和问题。最后，探索有 限状态机在其他领域的应用，如人工智能、游戏开发等。
04 实验结果与讨论
结果展示
状态转移图
根据实验数据，绘制了有限状态机的状态转移图， 清晰地展示了各个状态之间的转移关系。
有限状态机
综合
可综合的设计中应注意
不使用初始化语句；不使用带有延时的描述； 不使用循环次数不确定的循环语句。
应尽量采用同步方式设计电路。
用always过程块描述组合逻辑，应在敏感 信号列表中列出块中出现的所有输入信号。
基于状态机的设计要点
3．状态编码的定义
在Verilog语言中，有两种方式可用于定义状态编码，分别用
parameter和'define语句实现，比如要为state0、state1、state2
、state3四个状态定义码字为：00、01、11、10，可采用下面
两种方式。
方式1：用parameter参数定义
采用一个always模块描述,状态编码用二进制编码：
• module fsm(clk,ina,out); input clk,ina; output out; reg out; parameter s0 = 3'b00,s1 =3'b01,s2 =3'b10,s3=3'b11; reg[0:1]state; always @ (posedge clk) begin state<=s0;out =0; case(state) s0: begin state<=(ina)?s1:s0;out=0; end s1:begin state<=(ina)?s2:s0;out=0; end s2:begin state<=(ina)?s3:s0;out=0; end s3:begin state<=(ina)?s3:s0;out=1; end endcase end endmodule
1、有限状态机
有限状态机的设计
什么是有限状态机（ FSM ） FSM的种类和不同点 设计举例
可综合的设计中应注意
不使用初始化语句；不使用带有延时的描述； 不使用循环次数不确定的循环语句。
应尽量采用同步方式设计电路。
用always过程块描述组合逻辑，应在敏感 信号列表中列出块中出现的所有输入信号。
基于状态机的设计要点
3．状态编码的定义
在Verilog语言中，有两种方式可用于定义状态编码，分别用
parameter和'define语句实现，比如要为state0、state1、state2
、state3四个状态定义码字为：00、01、11、10，可采用下面
两种方式。
方式1：用parameter参数定义
采用一个always模块描述,状态编码用二进制编码：
• module fsm(clk,ina,out); input clk,ina; output out; reg out; parameter s0 = 3'b00,s1 =3'b01,s2 =3'b10,s3=3'b11; reg[0:1]state; always @ (posedge clk) begin state<=s0;out =0; case(state) s0: begin state<=(ina)?s1:s0;out=0; end s1:begin state<=(ina)?s2:s0;out=0; end s2:begin state<=(ina)?s3:s0;out=0; end s3:begin state<=(ina)?s3:s0;out=1; end endcase end endmodule
1、有限状态机
有限状态机的设计
什么是有限状态机（ FSM ） FSM的种类和不同点 设计举例
什么是有限状态机
1.什么是有限状态机，Moore机和Mealy机的各自特点和他们之间的区别是什么？答：有限状态机是指输出取决于过去输入部分和当前输入部分的时序逻辑电路。
Mealy机属于同步输出状态机，他的输出是当前状态和所有输入信号的的函数，其输出会在输出仅为当前状态的函数，与当前输入信号无关。
当然，当前状态是和上一时刻时输入信号相关的，当前输入的变化必须等待下一时钟到来使状态发生变化时才能导致输出的变化。
因此，Moore机比Mealy机多等待一个时钟周期才会引起输出的变化，由于Mealy机的输出不与时钟同步，当状态译码比较复杂时，易在输出端产生不可避免的毛刺。
********************************************************************* 2.一个复杂的电路可以划分为几个不同的抽象级别：系统级，算法级，寄存器传输级，逻辑门级，晶体管开关级。
********************************************************************* 3.reg和wire的区别Reg型变量需要被明确赋值，并且在重新赋值前，一直保持原值，wire对应于连续赋值，如assign,reg对应于过程赋值，如always，initial。
********************************************************************* 4.阻塞和非阻塞的区别非阻塞赋值在整个过程块结束后才能完成赋值操作，阻塞赋值在该语句结束时就立即完成赋值操作，阻塞语句是顺序执行的，而非阻塞语句是同时执行的。
********************************************************************* 5.举例说明触发器在什么情况下会在综合过程中生成锁存器在写组合逻辑电路的always块中，， always块中要使用的输入信号在always 后面的敏感信号表中有遗漏，组合逻辑电路设计时不能有反馈。
第九章 有限状态机
when read=> we <=‘0’;
re<=‘1’; when write=> we <=‘1’; re<=‘0’; end case; end process; End state_machine;
从上面的描述 中，可以总结出用VHDL描述有限 状态机的步骤：
1.用定义的状态类型去定义信号，状态类型为可枚举 类型； 2.在进程中描述有限状态转移，由于状态是当前状态 和输入信号的函数，所以将它们作为进程的敏感信号。 3.在进程中描述状态寄存器的逻辑，状态寄存器功能 是将状态转化为现代。由于转化时在时钟边 ，感想时 钟应为敏感量。 4.在进程中描述输出逻辑，由于输出逻辑是根据当前 状态给输出信号进行赋值，所以进程的敏感信号是当 前状态信号。
但是如果设计人员在设计电路的过程中，需要 把有限状态机的输出作为使能信号，片选信号，复 位信号或时钟信号等来使用时，“毛刺”现象将会 对电路设计造成很大的影响，甚至烧毁电路板。因 此在这种情况下，我们必须保证有限状态机的输出 信号没有“毛刺”产生。 在设计中消除“毛刺”现象的方法很多，这里 介绍一种信号来同步输出信号的消除“毛刺”现象 的方法。利用的方法是用时钟信号将有限状态机的 输出信号加载到另一个寄存器中，该寄存器一般是 由D触发器构成的，它的时钟信号就是有限状态机 的时钟信号。
设计步骤：
1.根据有限状态机与控制器的对应关系。 首先根据控制器的控制步来确定有限状态机的状态。
◆空闲状态IDLE
◆判断状态DECISION
◆读状态READ
◆写状态WRITE
2.根据状态画出状态转移图。
状态转移图是一个非常重要的概念，它表明了有限 状态机的状态和转移条件，有了状态转移图就可以很 容易地写出有限状态机的VHDL描述。
有限状态机及其扩展
刻符j)， j有Q。限，在状那这态么里机下规处一定于时q某刻=一将状处(q态于，q一i)个Q；确，定并的接状收态一q个 =输入(字qi， ④ q0 Q是初始状态，有限状态机由此状态开始接收输入； ⑤ F Q是终结状态集合，有限状态机在达到终结态后不
再接收输入。
6
（1） 基本概念
：字母表 字符串：字母表上的字符组成的有限序列（为空串） 语言：字母表上的字符串的集合
A
A 1
C
2
B
3
A
4
B,C
终结状态
身份认证系统 （合法身份：ABA） accepting state
状态集合Q = {1, 2, 3, 4} ； 初始状态 q0 = 1； 终结状态集合 F = {4}； 输入集合 = {A, B, C} 状态转移关系集合 (1,A)=2；(1,B)=1；(1,C) =1；(2,A)=2；(2,B)=3；
前
后
缓
缓
冲
冲
区
区
状态集合Q = {closed, open}；初始状态 q0 = closed； 输入集合 = {front, rear, both, neither}
状态转移关系集合 (closed, rear) =closed；(closed,both)=closed； (closed, neither)=closed；(closed,front)=open； (open, rear) = open； (open,both) =open； (open, front) = open；(open, neither) = closed
closed：闭合状态； open：打开状态；front：前缓冲区有顾客；rear：后缓冲区有顾客； both = front rear：前、后缓冲区都有顾客； neither = front rear：前、后缓冲区都无顾客
再接收输入。
6
（1） 基本概念
：字母表 字符串：字母表上的字符组成的有限序列（为空串） 语言：字母表上的字符串的集合
A
A 1
C
2
B
3
A
4
B,C
终结状态
身份认证系统 （合法身份：ABA） accepting state
状态集合Q = {1, 2, 3, 4} ； 初始状态 q0 = 1； 终结状态集合 F = {4}； 输入集合 = {A, B, C} 状态转移关系集合 (1,A)=2；(1,B)=1；(1,C) =1；(2,A)=2；(2,B)=3；
前
后
缓
缓
冲
冲
区
区
状态集合Q = {closed, open}；初始状态 q0 = closed； 输入集合 = {front, rear, both, neither}
状态转移关系集合 (closed, rear) =closed；(closed,both)=closed； (closed, neither)=closed；(closed,front)=open； (open, rear) = open； (open,both) =open； (open, front) = open；(open, neither) = closed
closed：闭合状态； open：打开状态；front：前缓冲区有顾客；rear：后缓冲区有顾客； both = front rear：前、后缓冲区都有顾客； neither = front rear：前、后缓冲区都无顾客
有限状态机
什么是有限状态机FSM简介有限状态机（以下用FSM指代）是一种算法思想，简单而言，有限状态机由一组状态、一个初始状态、输入和根据输入及现有状态转换为下一个状态的转换函数组成。
在Gof的23种设计模式里的state模式是一种面向对象的状态机思想，可以适应非常复杂的状态管理。
现在，FSM被普遍用于搜索引擎的分词、编译器实现和我们普遍关注的游戏开发中。
游戏开发中，通常用FSM实现NPC控制，如当NPC受到攻击时根据健康、力量等选择逃跑还是反攻的行为，一般是用FSM实现的。
FSM的实现方法有很多种，不能简单地说孰优孰劣，但现代开发中，一般都比较推荐面向对象的实现方式：因为可重用性和健壮性更高，而且当需求变更的时候，也有很好的适应性。
实践理论从实践中来，也要回到实践中去。
我们现在通过实例来探索一下FSM的实现吧。
首先假设有这样一个世界（World），世界里只有一台永不缺乏动力的汽车（Car），汽车是次世代的，没有油门方向盘之类的落后设备，只有两个互斥的按钮——停止（Stop）和行进（Run），随着时间的流逝，汽车根据驾驶员的操作走走停停。
下面的代码可以实现这种功能：while True:key = get_key() # 按下什么键if key == "stop":stop(car)elif key == "run":go(car)keep(car) # 保持原态完成了功能而且直观、简洁的程序员万岁！但这时候客户（策划或者玩家）觉得走走停停太没意思了，他们想要掉头、左转和右转的功能，我们就要在while 循环里增加更多的if...else分支；他们想要更多的车，我们就要要在每一个分枝里增加循环；他们不仅仅想要Car了，他们还要要玩Truck，这时我们就需要在分枝的循环里判断当前的车是否支持这个操作（如Truck的装卸货物Car 就不支持）；他们……这个while循环终于无限地庞大起来，我们认识到这样的设计的确是有点问题的，所以我们尝试用另一种方法去实现FSM。
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4）使用Verilog硬件语言进行有限状态机设计，程 序层次分明、结构清晰、易读好懂。模块的修改、 优化和移植也非常方便；
5）在高速运算与控制方面，和CPU相比，状态机
4.1.2设计FSM的基本步骤
设计有限状态机的基本步骤如下： 1．画出状态转移图； 2．确定状态编码和编码方式； 3．给出状态方程和输出方程； 4．编写Verilog代码。
4.1 FSM设计方法
❖在有限状态机中，根据电路输出是否与电 路输入有关，可以将有限状态机分为Mealy 机和Moore机两种。
输入 组合逻辑
时钟
状态 寄存器
输出 组合逻辑
Mealy机
输入 组合逻辑
时钟
状态 寄存器
输出 组合逻辑
Moore机
图 Mealy机和Moore机示意图
4.1 FSM设计方法
组合逻辑
当前
下一
状态
状态
时序逻辑 （寄存器）
图 时序电路基本结构
4.1 FSM设计方法
对于同步时序电路，根据输入端情况可 分为两种电路结构：一是没有输入端的同 步时序电路，比如计数器、分频器等；另 外一种是有输入端控制的电路，称之为有 限状态机。有限状态机由组合逻辑电路和 若干寄存器组成，根据电路的输入和电路 当前状态决定电路的输出。
❖Mealy机属于同步输出状态机，它的输出是 当前状态和所有输入信号的函数，其输出 会在输入变化后立即发生，不依赖于时钟 的同步。
❖Moore机属于异步输出状态机，它的输出仅 为当前状态的函数，与当前输入信号无关。 当然，当前状态是和上一时刻的输入信号 相关的，当前输入的变化必须等待下一时 钟到来使状态发生变化时才能导致输出的 变化。
三段式：在两个always模块描述方法的基础
上，使用三个always模块。一个always模
块采用同步时序描述状态转移（使用状态
寄存器）；另一个always模块采用组合逻
辑判断状态转移条件，描述状态转移规律
（次态逻辑）；最后一个always模块描述
状态输出，输现出态反馈可以是组合电路输出，也
可以是时序电路输出（输出逻辑）。 输入
编码方式
说明
顺序编码
编码最简单，使用触发器最少，剩余非法 状态最少，但增加了状态译码组合逻辑。
独热编码 顺序编码
虽然使用了较多触发器，但简化了状态译 码组合逻辑，并且在同一时间只有一个状 态寄存器发生变化，所以是最快的方式， 而且适用大多数FPGA。 一般是默认的编码方式。
在这种情况下，虽然必须通过译码决定状 顺序编码或 态的值，但仍可能比独热码速度快。 格雷码
独热码
最快的方式，由于简化了状态译码逻辑， 故提高了状态转换速度。
4.1.4 FSM的Verilog代码编写方法
3．非法状态处理办法
使用Verilog语言对非法状态的处理有以下两种方法： （1），用“default”语句对未提到的状态做统一处理。
当状态转移条件不满足，或者状态发生突变时， 通过default能保证系统不会陷入死循环。这是对 状态机健壮性的重要要求，也即状态机要具备自 恢复功能。 （2），使用“full case”的编码方式将所有的状态转 移变量的所有向量组合情况都在代码中有相应的 说明和处理，大多数综合工具都支持Verilog编码 状态机的这种完备状态属性。
第四章 有限第四状章态机设计
大纲
4.1 FSM设计方法 4.2 FSM设计实例 4.3 基于FPGA的数字系统设计原则和
技巧 4.4小结 习题4
4.1 FSM设计方法
有限状态机（FSM，Finite State Mechine），顾名思义，就是一系列数量有 限的状态组成的一个循环机制。
本章主要介绍有限状态机的特点和设计 规则，给出了使用Verilog HDL硬件描述语 言设计有限状态机的一般方法。结合Moore 机和Mealy机的设计实例，详细分析了具有 可综合风格的有限状态机的设计方法和设 计过程。最后给出了数字系统设计的一些 基本原则和设计技巧。
❖因此，Moore机比Mealy机多等待一个时钟
4.1.1使用FSM设计数字系统的优点
1）有限状态机能够按照输入信号的控制和预先设定 的执行顺序在各个状态间顺畅地切换，具有明显 的顺序特征，能够很好地执行顺序逻辑；
2）有限状态机设计方法非常规范，设计方案相对固 定，并能被多数综合工具支持；
3）采用有限状态机设计，易于构成性能良好的同步 时序逻辑，有利于消除大规模逻辑电路中常见的 竞争冒险现象；
次态逻辑
次态
状 态 寄 存 现态&使能 器
输 出 逻 辑
输出
图 三段式状态机设计结构图
表4-1 状态机编码方式
4.1.4 FSM的Verilog代码编写方法
2．编码方式
状态机的编码方式可分为顺序编码
（sequential encoding，也称为二进制编 码）、格雷码（gray encoding）和独热码 (one-hot encoding)。
4.1.3 设计FSM的基本原则
❖遵循以下基本指导原则：
1）所设计的状态机要安全，不能进入死循环， 不能进入非预知状态。即使是由于某种扰 动进入非设计状态，也要能很快恢复到正 常的状态循环中来；
2）状态机的设计要满足设计的面积和速度的 要求；
4.1.4 FSM的Verilog代码编写方法
1. 代码分段方法
4.1 FSM设计方法
时序电路如图所示：
组合逻辑接收电路输入信 号并输出结果，时序逻辑 将组合逻辑的输出存储并 反馈回组合逻辑，以此来 形成电路的当前状态 (current state)，当前状态 和电路输入信号经过组合 逻辑作用形成电路的下一 状态（next state）传递给 时序电路。
输入
输出
表 状态机编码方式
状态 顺序编码 格雷码
独热编码
S0
000
000
10000
S1
001
001
01000
S2
010
011
00100
S3
011
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
010
00010
S4
100
110
00001
4.1.4 FSM的Verilog代码编写方法
❖状态编码的选择原则
设计条件和要 求
要求面积优先
要求速度优先
当状态数<5时 当状态机后有 大型输出译码 器时 当触发器资源 丰富时
一段式：整个状态机写到一个always模块里，在该 模块中既描述状态转移，又描述状态的输入和输 出；
二段式：用两个always模块来描述状态机，其中一 个always模块采用同步时序描述状态转移，另外 一个模块采用组合逻辑判断状态转移条件，描述 状态转移规律以及输出；
4.1.4 FSM的Verilog代码编写方法
5）在高速运算与控制方面，和CPU相比，状态机
4.1.2设计FSM的基本步骤
设计有限状态机的基本步骤如下： 1．画出状态转移图； 2．确定状态编码和编码方式； 3．给出状态方程和输出方程； 4．编写Verilog代码。
4.1 FSM设计方法
❖在有限状态机中，根据电路输出是否与电 路输入有关，可以将有限状态机分为Mealy 机和Moore机两种。
输入 组合逻辑
时钟
状态 寄存器
输出 组合逻辑
Mealy机
输入 组合逻辑
时钟
状态 寄存器
输出 组合逻辑
Moore机
图 Mealy机和Moore机示意图
4.1 FSM设计方法
组合逻辑
当前
下一
状态
状态
时序逻辑 （寄存器）
图 时序电路基本结构
4.1 FSM设计方法
对于同步时序电路，根据输入端情况可 分为两种电路结构：一是没有输入端的同 步时序电路，比如计数器、分频器等；另 外一种是有输入端控制的电路，称之为有 限状态机。有限状态机由组合逻辑电路和 若干寄存器组成，根据电路的输入和电路 当前状态决定电路的输出。
❖Mealy机属于同步输出状态机，它的输出是 当前状态和所有输入信号的函数，其输出 会在输入变化后立即发生，不依赖于时钟 的同步。
❖Moore机属于异步输出状态机，它的输出仅 为当前状态的函数，与当前输入信号无关。 当然，当前状态是和上一时刻的输入信号 相关的，当前输入的变化必须等待下一时 钟到来使状态发生变化时才能导致输出的 变化。
三段式：在两个always模块描述方法的基础
上，使用三个always模块。一个always模
块采用同步时序描述状态转移（使用状态
寄存器）；另一个always模块采用组合逻
辑判断状态转移条件，描述状态转移规律
（次态逻辑）；最后一个always模块描述
状态输出，输现出态反馈可以是组合电路输出，也
可以是时序电路输出（输出逻辑）。 输入
编码方式
说明
顺序编码
编码最简单，使用触发器最少，剩余非法 状态最少，但增加了状态译码组合逻辑。
独热编码 顺序编码
虽然使用了较多触发器，但简化了状态译 码组合逻辑，并且在同一时间只有一个状 态寄存器发生变化，所以是最快的方式， 而且适用大多数FPGA。 一般是默认的编码方式。
在这种情况下，虽然必须通过译码决定状 顺序编码或 态的值，但仍可能比独热码速度快。 格雷码
独热码
最快的方式，由于简化了状态译码逻辑， 故提高了状态转换速度。
4.1.4 FSM的Verilog代码编写方法
3．非法状态处理办法
使用Verilog语言对非法状态的处理有以下两种方法： （1），用“default”语句对未提到的状态做统一处理。
当状态转移条件不满足，或者状态发生突变时， 通过default能保证系统不会陷入死循环。这是对 状态机健壮性的重要要求，也即状态机要具备自 恢复功能。 （2），使用“full case”的编码方式将所有的状态转 移变量的所有向量组合情况都在代码中有相应的 说明和处理，大多数综合工具都支持Verilog编码 状态机的这种完备状态属性。
第四章 有限第四状章态机设计
大纲
4.1 FSM设计方法 4.2 FSM设计实例 4.3 基于FPGA的数字系统设计原则和
技巧 4.4小结 习题4
4.1 FSM设计方法
有限状态机（FSM，Finite State Mechine），顾名思义，就是一系列数量有 限的状态组成的一个循环机制。
本章主要介绍有限状态机的特点和设计 规则，给出了使用Verilog HDL硬件描述语 言设计有限状态机的一般方法。结合Moore 机和Mealy机的设计实例，详细分析了具有 可综合风格的有限状态机的设计方法和设 计过程。最后给出了数字系统设计的一些 基本原则和设计技巧。
❖因此，Moore机比Mealy机多等待一个时钟
4.1.1使用FSM设计数字系统的优点
1）有限状态机能够按照输入信号的控制和预先设定 的执行顺序在各个状态间顺畅地切换，具有明显 的顺序特征，能够很好地执行顺序逻辑；
2）有限状态机设计方法非常规范，设计方案相对固 定，并能被多数综合工具支持；
3）采用有限状态机设计，易于构成性能良好的同步 时序逻辑，有利于消除大规模逻辑电路中常见的 竞争冒险现象；
次态逻辑
次态
状 态 寄 存 现态&使能 器
输 出 逻 辑
输出
图 三段式状态机设计结构图
表4-1 状态机编码方式
4.1.4 FSM的Verilog代码编写方法
2．编码方式
状态机的编码方式可分为顺序编码
（sequential encoding，也称为二进制编 码）、格雷码（gray encoding）和独热码 (one-hot encoding)。
4.1.3 设计FSM的基本原则
❖遵循以下基本指导原则：
1）所设计的状态机要安全，不能进入死循环， 不能进入非预知状态。即使是由于某种扰 动进入非设计状态，也要能很快恢复到正 常的状态循环中来；
2）状态机的设计要满足设计的面积和速度的 要求；
4.1.4 FSM的Verilog代码编写方法
1. 代码分段方法
4.1 FSM设计方法
时序电路如图所示：
组合逻辑接收电路输入信 号并输出结果，时序逻辑 将组合逻辑的输出存储并 反馈回组合逻辑，以此来 形成电路的当前状态 (current state)，当前状态 和电路输入信号经过组合 逻辑作用形成电路的下一 状态（next state）传递给 时序电路。
输入
输出
表 状态机编码方式
状态 顺序编码 格雷码
独热编码
S0
000
000
10000
S1
001
001
01000
S2
010
011
00100
S3
011
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
010
00010
S4
100
110
00001
4.1.4 FSM的Verilog代码编写方法
❖状态编码的选择原则
设计条件和要 求
要求面积优先
要求速度优先
当状态数<5时 当状态机后有 大型输出译码 器时 当触发器资源 丰富时
一段式：整个状态机写到一个always模块里，在该 模块中既描述状态转移，又描述状态的输入和输 出；
二段式：用两个always模块来描述状态机，其中一 个always模块采用同步时序描述状态转移，另外 一个模块采用组合逻辑判断状态转移条件，描述 状态转移规律以及输出；
4.1.4 FSM的Verilog代码编写方法