一文吃透状态机：从基础到实战，硬件开发必备技能！

# 一文吃透状态机：从基础到实战，硬件开发必备技能！
硬件开发的朋友们，今天咱们来深入聊聊状态机，这可是电路设计里超关键的存在，掌握它，很多电路控制难题都能迎刃而解！

## 一、状态机基础概念
状态机主要用于电路控制，它的核心在于电路当前状态、即将进入的次态，以及状态转换的条件。就拿交通信号灯控制电路举例，绿灯亮90s、黄灯亮3s、红灯亮60s（特定情况下） ，这背后就是状态机在发挥作用。从绿灯状态转换到黄灯状态，是因为计数器计数达到了`FSYS*90-1`（`FSYS`假设是系统时钟频率相关参数） ，这就是状态转换条件，而绿灯、黄灯、红灯状态就是一个个不同的状态。

## 二、状态编码方式
1. **自然二进制数编码**：用自然数来表示各个状态，简单直接。像4个状态，就可以用`00` `01` `10` `11`表示。但这种编码在状态转换时可能出现多位同时跳变，产生竞争冒险。
2. **One - hot（独热码）**：每个状态用单独1bit表示。比如3个状态的交通灯状态机，绿灯状态`G_ST = 3'b010`，红灯状态`R_ST = 3'b100`，黄灯状态`Y_ST = 3'b001` 。这种编码方式虽然占用更多寄存器资源，但状态转换简单明了，能有效减少竞争冒险。
3. **格雷码**：特点是在计数时只有1bit跳变。通过公式`Gran = data[1: 0] ^ (data[1: 0]>>1)`计算，例如自然二进制数`3'b010`对应的格雷码是`3'b011` 。格雷码能降低状态转换时的干扰，常用于对时序要求高的电路。

## 三、状态机分类
1. **米勒状态机**：状态控制不仅和当前状态有关，还与其他输入信号相关。比如自动售货机，售卖状态（`Sale`）不仅取决于机器当前状态，还和投入的钱币面额（`m5`、`m10`）等输入信号有关。当投入5元（`m5`）或10元（`m10`）时，`Sale<=1`，表示可以售卖商品。
2. **摩尔状态机**：状态控制只取决于当前状态。在实际应用中，比如简单的时序控制电路，仅依据当前状态就可以决定下一步动作，不需要额外输入信号参与状态转换决策。

## 四、状态机电路结构
1. **一段式**：把状态转换和输出控制都写在一个always块里。虽然代码简洁，但在状态复杂时，可读性差，且容易出现竞争冒险，影响电路时序。
2. **二段式**：将状态机分为状态转移和状态输出两部分。在一个always块中描述状态转移（根据时钟和复位信号更新当前状态`state_cs`） ，另一个always块描述次态逻辑（根据当前状态`state_cs`确定次态`state_ns`） 。不过，这种结构在状态控制复杂时，同样存在竞争冒险影响时序的问题。
3. **三段式**：在二段式基础上，增加一个always块用于输出控制。先在一个always块更新当前状态，再在另一个always块确定次态，最后在第三个always块根据次态输出控制信号。三段式结构清晰，能有效减少竞争冒险，适用于复杂状态机设计。

状态机在硬件设计中应用广泛，从简单的交通灯控制到复杂的通信协议处理都离不开它。希望大家通过这篇文章，对状态机有更深入的理解，在实际项目中灵活运用！要是在学习或实践过程中有疑问，欢迎在评论区留言，咱们一起交流探讨！

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