FSM从一段到三段详解

一段式：将整个状态机写到１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。（always用时序逻辑也就非阻塞赋值）

解释：无须解释

特点：一段式描述方法不符合将时序和组合逻辑分开描述的 Coding Style（代码风格），而且代码冗长、不清晰，不利于附加约束，不利于综合器和布局布线器对设计的优化，所以不提倡用此方法。

 

二段式：核心思想是一个always 模块采用同步时序方式描述状态转移；另一个模块采用组合逻辑方式判断状态转移条件，描述状态转移规律和输入输出。（一个时序一个组合）

解释：时序逻辑里对CS复位及赋予NS的值，组合逻辑always里对NS赋值。

特点：虽然两段式FSM描述方法有很多好处，但是它有一个明显的弱点，就是其输出一般使用组合逻辑描述，而组合逻辑易产生毛刺等不稳定因素，并且在FPGA/CPLD等逻辑器件中过多的组合逻辑会影响实现的速率（这点与ASIC设计不同）。

 

三段式：第一个always模块同步时序方式描述状态转移（就是个简单的CS，NS，rst->CS），第二个always组合模块描述状态转移条件（case里边不停的if else if，用阻塞赋值方式，注意写成if(data)要比if(data==1'b1)简单很多），第三个always模块同步时序逻辑方式描述状态输出，万万注意，这里是case(NS)。（一个时序逻辑，一个组合逻辑，一个时序逻辑）

解释：个人一开始感觉三段式最不容易理解的就是时序输出模块case（）里的NS了，不认真去想肯定是CS了啊，当前状态嘛，仔细查了资料后，发现确实应该是NS。原因是：第一个always和第三个always是时序模块，若第三个case里写CS，那么意味着：一个clk到来时，输出的是上一CS指示的输出，因为第一个always用的是非阻塞赋值，不是立即生效的。写成NS后，时钟沿到来后，CS被更新为现在NS所指示的状态，且同时状态输出调整为现在NS所指示的状态，如此，输出和状态的对应才是正确的。

特点：三段式描述方法与两段式描述相比，虽然代码结构复杂了一些，但是换来的却是使FSM做到了同步寄存器输出，消除了组合逻辑输出的不稳定性，而且更利于时序路径分组，一般来说，其在FPGA/CPLD 等可编程逻辑器件上的综合与布局布线效果更佳。

 

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