如何写好状态机（一）

FPGA技术江湖

发布于 2020-12-30 14:30:51

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发布于 2020-12-30 14:30:51

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今天给大侠带来如何写好状态机，状态机是逻辑设计的重要内容，状态机的设计水平直接反应工程师的逻辑功底，所以很多公司在硬件工程师及逻辑工程师面试中，状态机设计几乎是必选题目。本篇在引入状态机设计思想的基础上，重点讨论如何写好状态机。由于篇幅比较长，如何写好状态机分成三篇呈现。话不多说，上货。

主要内容预览：

状态机的基本概念；
如何写好状态机；
使用 Synplify Pro 分析 FSM。

状态机的基本概念

状态机是一种思想方法

相信大多数工科学生在学习数字电路时都学习过状态机的基本概念，了解一些使用状态机描述时序电路的基本方法。但是，笔者希望大家能扩展思维，认识到状态机不仅仅是一种时序电路设计工具，它更是一种思想方法。

我们先看下面一个简单的例子。在大学生活中，某学生的在校的学习生活可以简单地概括为宿舍、教室、食堂之间的周而复始，用下图就可以形象地表现出来。这里画这张图，并不是要讨论这个学生是否是一个“乖乖”类型学生，请大家注意，如果将图中的“地点”认为是“状态”，将“功能”认为是状态的“输出”，这张图就是一张标准的状态转移图，也就是说，我们用状态机的方式清晰地描述了这个学生的在校生活方式。

图1-1 一位学生在校生活状态转移图

图1-2 另一位学生在校生活状态转移图

同样如果将图中的“地点”认为是“状态”，将“功能”认为是状态的“输出”，将“条件”认为是状态转移的“输入条件”，图 6-2 也是一张标准的状态转移图，通过状态机的方式我们再次清晰地描述另一个学生的在校生活方式。

事实上使用状态机方式，我们可以细致入微地描述任何一个学生的在校生活方式。大家通过前面两个简单举例已经发现状态机特别适合描述那些有发生有先后顺序，或者有逻辑规律的事情——其实这就是状态机的本质。状态机的本质就是对具有逻辑顺序或时序规律事件的一种描述方法。这个论断的最重要的两个词就是“逻辑顺序”和“时序规律”，这两点就是状态机所要描述的核心和强项，换言之，所有具有逻辑顺序和时序规律的事情都适合用状态机描述。

很多初学者不知道何时应用状态机。这里介绍两种应用思路：第一种思路，从状态变量入手。如果一个电路具有时序规律或者逻辑顺序，我们就可以自然而然地规划出状态，从这些状态入手，分析每个状态的输入，状态转移和输出，从而完成电路功能；第二种思路是首先明确电路的输出的关系，这些输出相当于状态的输出，回溯规划每个状态，和状态转移条件与状态输入。无论那种思路，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。请读者打开思路，不要仅仅局限于时序逻辑，发现电路的内在规律，确认电路的“状态变量”，大胆使用状态机描述电路模型。由于状态机不仅仅是一种电路描述工具，它更是一种思想方法，而且状态机的 HDL 语言表达方式比较规范，有章可循，所以很多有经验的设计者习惯用状态机思想进行逻辑设计，对各种复杂设计都套用状态机的设计理念，从而提高设计的效率和稳定性。

状态机基本要素与分类

状态机的基本要素有 3 个，分别是：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。比如：设计伪随机码发生器时，可以用移位寄存器序列作为状态；在设计电机控制电路时，可以以电机的不同转速作为状态；在设计通信系统时，可以用信令的状态作为状态变量等。
输出：输出指在某一个状态时特定发生的事件。如设计电机控制电路中，如果电机转速过高，则输出为转速过高报警，也可以伴随减速指令或降温措施等。
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。例如图 1-1 所示的例子，将图中的“地点”认为是“状态”，将“功能”认为是状态的“输出”，则每个输出仅仅与状态相关，所以它是一个摩尔型状态机。
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。例如图1-2 所示的例子，将图中的“地点”认为是“状态”，将“功能”认为是状态的“输出”，将“条件”认为是状态转移的“输入条件”，大家可以发现，该学生到达什么地方，做什么事情都是由当前状态和输入条件共同决定，所以它是一个米勒型状态机。

根据状态机的数量是否为有限个，可将状态机分为有限状态机（Finite State Machine，FSM）和无限状态机（Infinite State Machine，ISM）。逻辑设计中一般所涉及的状态都是有限的，所以以后我们所说的状态机都指有限状态机，用 FSM 表示。

状态机的基本描述方式

逻辑设计中，状态机的基本描述方式有 3 种，分别是：状态转移图，状态转移列表，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。如图 1-1，1-2 都使用了状态转移图这一描述方式。状态转移图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。

另外值得一提的是目前有一些 EDA 工具支持状态转移图作为逻辑设计的输入，例如在 StateCAD。在该工具中设计者只要画出状态转移图就可以了，StateCAD 能自动将状态转移图翻译成 HDL 语言代码，而且翻译出来的代码规范、可读性较好、可综合、易维护。StateCAD 还能能自动检测状态机的完备性和正确性，对状态转移图中的冗余状态、自锁状态、歧义转移条件和不完备状态机等隐含错误都会报警，并协助设计者更正错误。

最后 StateCAD 会自动生成设计的测试激励，并调用仿真程序，验证状态机的正确性，这个测试激励甚至可在后仿真中使用。总之，StateCAD 提供了状态机的输入、翻译、检测、优化和测试等一条龙的服务，使状态机的设计变得安全、可靠、快速、便捷。这类自动转换状态转移图为 HDL 源代码的工具对设计、分析一些规模较小的状态机非常有效，但是由于自动反应的代码过于程式化，效率不是最高，所以对于较大规模的逻辑设计，一般还是推荐使用 HDL 语言之间描述。