Moore型状态机和Mealy状态机

mealy状态机的输出不仅与当前状态值有关，而且与当前输入有关。
moore状态机的输出仅与当前状态值有关，而与此时的输入无关

下面通过序列检测“1101”从右到左不重叠检测来详细说明这两种状态机的区别：
先规定一下状态机的状态转移图的表示，每个状态之间都有一个指向的箭头，表示跳转的过程，箭头上有标注的一组数据，斜杠（/）左边表达的是状态的输入，斜杠（/）右边表达的是状态的输出。

所以绘制状态转移图需要知道以下三个要素：
（1）输入：根据输入可以确定是否需要进行状态转移以及输出，是影响状态机系统执行过程的重要驱动力。
（2）输出：根据当前时刻的状态以及输出，是状态机系统最终要执行的动作。
（3）状态：根据输入和上一个状态决定当前时刻所处的状态，是状态机系统执行的一个稳定过。

根据这些抽象出的要素我们就可以绘制状态转移图了，首先我们根据分析的状态数先画出5个状态，如下图所示，每个状态我们取一个状态名（题目中有要求用S0, S1, S2, …标识）：接收的到值为0的状态我们取名为S0，该状态也成为初始状态；
接收的到值为1的状态我们取名为S1；
接收的到值为10的状态我们取名为S2；
接收的到值为101的状态我们取名为S3；
接收的到值为1011的状态我们取名为S4。

从第一个S0状态开始分析，从初始状态开始进行跳转。如下图所示，在S0状态下有两种跳转情况：一种情况是输入为0，没有任何有用的序列值，状态继续维持在S0；另一种情况是输入为1，序列值变为1，状态跳转到S1。
接着分析S1状态跳转的情况。如下图所示，在S1状态下同样有两种跳转情况：一种情况是输入为0，序列值变为10，状态跳转到S2；另一种情况是输入为1，序列值变为11，状态还是继续维持在S1，相当于是之前输入的1被抛弃，新输入的1进入序列的检测。
继续分析S2状态跳转的情况。如下图所示，在S2状态下同样有两种跳转情况：一种情况是输入为0，此时序列变为100，所有的值都没用了，状态跳转到初始状态S0；另一种情况是输入为1，序列变为101，状态跳转到S2。
下面该分析S3状态跳转的情况了。如下图所示，在S3状态下依然也有两种跳转情况：一种情况是输入为0，此时序列变为1010，状态回到S2，相当于是之前输入的10被抛弃，新组合成的10进入序列的检测；另一种情况是输入为1，即在S3状态下的输入为1，此时的序列为1011，已经满足了我们题目中的序列检测的要求了，可以有输出了。

S4状态的存在是区分Moore和Mealy状态机的关键

按照上面5种状态的状态转移图来继续分析，S3状态下的第二种情况时虽然满足了1011的序列，但是我们先不输出，而是跳转到S4状态，再继续分析S4状态的跳转情况。如下图所示，在S4状态下依然也有两种跳转情况：一种情况是输入为0，序列变为10110，输出1表示检测到了1011序列，同时状态跳转到S0；另一种情况是输入为1，序列变为10111，也会输出1表示检测到了1011序列，但状态会跳转到S1，因为最后输入的1还可以进行下一次1011序列的检测。
如果最后的输出只和当前状态有关而与输入无关则称为moore型状态机：上图所表达的状态转移图就是moore型的，因为在S4状态下无论输入是0还是1都已经检测到了1011序列，都会有输出，显然和输入时无关的。
如果最后的输出不仅和当前状态有关还和输入有关则称为mealy状态机：上图所表达的状态转移图就是mealy型的

moore型状态机的RTL功能代码如下所示：

module moore_fsm(
	input sclk,
	input rst_n,
	input data_in,
	output reg data_out
);


//--------define parameter and interdace signals-----
parameter S0 = 5'b0_0001;
parameter S1 = 5'b0_0010;
parameter S2 = 5'b0_0100;
parameter S3 = 5'b0_1000;
parameter S4 = 5'b1_0000;


reg [4:0] current_state;
reg [4:0] next_state;

//---------main code---------------
//the first FSM
always @ (posedge sclk or negedge rst_n) begin
	if(!rst_n)
		current_state <= S0;
	else 
		current_state <= next_state;
end

//the second FSM
always @ (*) begin
	case(current_state)
		S0 : if(data_in==1'b1) 
					next_state <= S1;
			 else 
					next_state <= S0;
		S1 : if(data_in==1'b0)
					next_state <= S2;
			 else 
					next_state <= S1;
		S2 : if(data_in==1'b1)
					next_state <= S3;
			 else 
					next_state <= S0;
		S3 : if(data_in==1'b1) 
					next_state <= S4;
			 else 
					next_state <= S2;
		S4 : if(data_in==1'b1)
					next_state <= S1;
			 else 
					next_state <= S0;
		default : next_state <= S0;
	endcase
end

//the third FSM
always @ (posedge sclk or negedge rst_n) begin
	if(!rst_n)
		data_out <= 1'b0;
	else if(next_state==S4) 
		data_out <= 1'b1;
	else 
		data_out <= 1'b0;
end
endmodule

mealy型状态机的RTL功能代码如下所示：

module  moore_fsm(
     input  wire   sys_clk    ,   //系统时钟50MHz
     input  wire   sys_rst_n  ,   //全局复位
     input   wire  data_in    ,   //外部输入的序列    
     output  reg   data_out      //检测到1011序列后的输出信号
);

//只有4种状态，使用独热码
parameter S0 =4'b0001;
parameter S1 =4'b0010;
parameter S2 =4'b0100;
parameter S3 =4'b1000;


reg [3:0] current_state;
reg [3:0] next_state;


always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
	if(!sys_rst_n) 
		current_state <= S0;
	else 
		current_state <= next_state;
end
always@(*) begin
     case(current_state)              
         S0      :   if(data_in ==1'b1)
                         next_state <= S1;
                     else
                         next_state <= S0;
        
         S1      :   if(data_in ==1'b0)
                         next_state <= S2;
                     else
                         next_state <= S1;
        
         S2      :   if(data_in ==1'b1)
                         next_state <= S3;
                     else
                         next_state <= S0;
        
         S3      :   if(data_in ==1'b1)
                         next_state <= S0;
                     else
                         next_state <= S2;
        
         default:     next_state <= S0;
    endcase

end

always@(posedge sys_clk  or negedge sys_rst_n) begin
     if(sys_rst_n ==   1'b0) 
         data_out <=1'b0;
     else   if(current_state == S3 && data_in ==1'b1)
         data_out <=1'b1;
     else  
         data_out <=1'b0;
end
/*
reg[3:0] state;

//第一段状态机，描述当前状态state如何根据输入跳转到下一状态
always@(posedge sys_clk  or negedge sys_rst_n)   
     if(sys_rst_n ==   1'b0) 
         state <= S0;
     else   case(state)              
                 S0      :   if(data_in ==1'b1)
                                 state <= S1;
                             else
                                 state <= S0;
                
                 S1      :   if(data_in ==1'b0)
                                 state <= S2;
                             else
                                 state <= S1;
                
                 S2      :   if(data_in ==1'b1)
                                 state <= S3;
                             else
                                 state <= S0;
                
                 S3      :   if(data_in ==1'b1)
                                 state <= S0;
                             else
                                 state <= S2;
                
                 default:     state <= S0;
             endcase

//第二段状态机，描述当前状态state和输入如何影响输出
always@(posedge sys_clk  or negedge sys_rst_n)   
     if(sys_rst_n ==   1'b0) 
         data_out <=1'b0;
     else   if(state == S3 && data_in ==1'b1)
         data_out <=1'b1;
     else  
         data_out <=1'b0;
 */      
endmodule