基于状态机（一段式、两段式、三段式）的学习

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基于状态机（一段式、两段式、三段式）的学习

$ G0 M) d, Z1 o三种写法对比：

    （1）一段式状态机不利于维护（简单状态机可以用）；
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    （2）两段式状态机是常见写法，时序逻辑进行状态切换，时序逻辑实现各个输入、输出以及状态判断，利于维护，不过组合逻辑容易出现毛刺等常见问题；
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    （3）三段式状态机推荐写法，代码易维护，时序逻辑输出解决了两段式写法种组合逻辑的毛刺问题，但是耗费资源多一些且第三段 always 如果判断条件是 cs 从输入到输出比一段式和两段式会延时一个时钟周期。

- P0 O6 H/ G/ ]' q/ i) z. T( v注意：
8 E  q- `0 v2 L( @" e0 R8 P  A- f
! @. G! J) w+ I三段式并不是一定要写为3个always块，如果状态机更复杂，就不止3段了。
三段always模块中，第一个和第三个always模块是同步时序always模块，用非阻塞赋值(“ <= ”)；第二个always模块是组合逻辑always模块，用阻塞赋值(“ = ”)。
" C& |9 H  Q; V: n第二部分为组合逻辑always模块，为了抑制warning信息，对于always的敏感列表建议采用always@（*）的方式。
第二部分，组合逻辑always模块，里面判断条件一定要包含所有情况！可以用else保证包含完全。
& e' S' n/ n: N: q1 Q1 W第二部分，组合逻辑电平要维持超过一个clock，仿真时注意。
9 O9 @) q3 X. l9 M; W+ L/ W' [需要注意：第二部分case中的条件应该为当前态（cs）。
第三部分case中的条件为次态（ns）或者当前态（cs），根据需求，若为当前态（cs）则延时一个时钟周期。
编码原则，binary和gray-code适用于触发器资源较少，组合电路资源丰富的情况（cpld），对于FPGA，适用one-hot code。这样不但充分利用FPGA丰富的触发器资源，还因为只需比较一个bit，速度快，组合电路简单。
     1、好的状态机标准
5 Z( O# \. k/ z" x9 j好的状态机的标准很多，最重要的几个方面如下：
第一，状态机要安全，是指FSM不会进入死循环，特别是不会进入非预知的状态，而且由于某些扰动进入非设计状态，也能很快的恢复到正常的状态循环中来。这里面有两层含义：其一要求该FSM的综合实现结果无毛刺等异常扰动；其二要求FSM要完备，即使受到异常扰动进入非设计状态，也能很快恢复到正常状态。
" }! U, ^1 v' |4 N第二，状态机的设计要满足设计的面积和速度的要求。
第三，状态机的设计要清晰易懂、易维护。

& x9 i* b$ I' C, R/ }% u  2、状态机描述方法
状态机描述时关键是要描述清楚几个状态机的要素，即如何进行状态转移，每个状态的输出是什么，状态转移的条件等。具体描述时方法各种各样，最常见的有三种描述方式：
（1）一段式：整个状态机写到一个always模块里面，在该模块中既描述状态转移，又描述状态的输入和输出；
（2）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；
（3）三段式：在两个always模块描述方法基础上，使用三个always模块，一个always模块采用同步时序描述状态转移，一个always采用组合逻辑判断状态转移条件，描述状态转移规律，另一个always模块描述状态输出(可以用组合电路输出，也可以时序电路输出)。
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+ t* t, {) _% L2 U$ X3 J一般而言,推荐的FSM 描述方法是后两种。这是因为：FSM和其他设计一样，最好使用同步时序方式设计，以提高设计的稳定性，消除毛刺。状态机实现后，一般来说，状态转移部分是同步时序电路而状态的转移条件的判断是组合逻辑。

: d! F5 B5 w" X0 u2 I( O5 q第二种描述方法同第一种描述方法相比，将同步时序和组合逻辑分别放到不同的always模块中实现，这样做的好处不仅仅是便于阅读、理解、维护，更重要的是利于综合器优化代码，利于用户添加合适的时序约束条件，利于布局布线器实现设计。
; l; P, \$ W7 Y5 _  }在第二种方式的描述中，描述当前状态的输出用组合逻辑实现，组合逻辑很容易产生毛刺，而且不利于约束，不利于综合器和布局布线器实现高性能的设计。
4 s% _  F7 U8 b" A/ y第三种描述方式与第二种相比，关键在于根据状态转移规律，在上一状态根据输入条件判断出当前状态的输出，从而在不插入额外时钟节拍的前提下，实现了寄存器输出。
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这个划分的细啊