彻底搞清三段状态机的来龙去脉（1）

有限状态机（FSM）在FPGA设计中的重要性不必多说。它作为数字系统中的控制单元，接受外部信号及数据单元产生的状态信息，产生控制信号序列。

有限状态机分为两种：Moore型与Mealy型。Moore状态机时序逻辑电路的输出只取决于当前状态，即输出=f（当前状态），Mealy状态机时序逻辑电路的输出不仅取决于当前状态，还取决于输入信号，即输出=f（当前状态，输入）。

两个状态机也是有共性的，它们的下一个状态均与当前状态+输入有关，即下一状态=f（当前状态，输入）。

（1）一段式状态机即采用一个always模块进行状态机的设计。将状态的同步转移，状态的输出以及状态的输入写入一个always模块中。

缺点：不符合设计中要将时序逻辑和组合逻辑分开的设计风格，而且在描述当前状态时就需要考虑下一状态的输出，不利于后期维护以及附加约束。

（2）二段式状态机采用两个进程进行状态机的设计。一个always模块采用同步时序描述状态之间的转移；另一个always模块采用组合逻辑判断输入条件，描述状态转移规律，并进行状态输出。

缺点：在电路的输出端因为没有寄存器对输出进行寄存，所以比较容易产生毛刺等不稳定因素，影响状态的最终输出。

（3）三段式状态机在两段式的基础上，将组合逻辑中的输出取出专门放入一个同步时序always模块进行状态输出描述，对每个输出使用寄存器进行寄存，这样设计后既保证了时序逻辑和组合逻辑的分开，使程序结构清晰，又保证了状态机的输出不会产生毛刺。

//第一个进程，同步时序always模块，格式化描述次态寄存器迁移到现态寄存器
`timescale 1ns / 1ps

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// Company: 

// Engineer: 

// Create Date:   09/16/2018

// Design Name:   seqcheck_fsm3 

// Module Name:    seqcheck_101

// Project Name:   seqcheck_fsm3

// Target Devices: V5 220t

// Tool versions: ise 10.1

// Description: FSM model

// Dependencies:

// Revision:

// Revision 0.01 - File Created

// Additional Comments:

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//3-paragraph method to describe FSM

//Describe sequential state transition in the 1st sequential always block

//State transition conditions in the 2nd combinational always block

//Describe the FSM out in the 3rd sequential always block

module seqcheck_101 #(
    parameter  IDLE=4'b0001,
    parameter  S1=4'b0010,
    parameter  S2=4'b0100,
    parameter  S3=4'b1000
)
(

    input clk,

    input rst,

    input din,

    output reg dout

     );

     reg [3:0] current_state,next_state;

      //第一部分说明初始状态，和current_state<=next_state

      //每一个时钟沿产生一次可能的状态变化

      always @(posedge clk)

      begin

          if(rst)

              current_state<=IDLE;

          else

              current_state<=next_state;

      end



 //第二部分，状态转移，产生下一状态的整合逻辑

      always @(din or current_state)

      begin

        next_state<=4'bx; //记得要初始化

        case(current_state)

           IDLE:

             begin

                if(din==1'b1)

                   next_state<=S1;

                 else

                   next_state<=IDLE;

              end

           S1:

             begin

                if(din==1'b1)

                   next_state<=S1;

                 else

                   next_state<=S2;

              end

           S2:

             begin

                if(din==1'b1)

                   next_state<=S3;

                 else

                   next_state<=IDLE;

              end

           S3:

            begin

                if(din==1'b1)

                   next_state<=S1;

                 else

                  next_state<=S2;

              end

           default:

             next_state<=4'bx;

         endcase

      end

      //第三段，产生输出

      always @(posedge clk)

      begin

        if(rst)

           dout<=1'b0;

         else

         begin

             case(next_state)

                IDLE:dout<=1'b0;

                 S1:dout<=1'b0;

                 S2:dout<=1'b0;

                 S3:dout<=1'b1;

                 default:dout<=1'bx;

              endcase

         end        

 end

endmodule

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