原创 (转载)[摘抄]有限状态机的三种写法及优缺点

最近做项目，设计了一个简单的状态机，但是在对所设计的状态机进行时序仿真过程中，其输出信号出现了许多毛刺，而且各个状态也是极其不稳定，一开始并没有想的是代码风格的原因，还总想着可能需要更好的时序约束，但是后面在网上看到这篇之后，重新对状态机的设计代码进行了优化，将输出信号统一到task模块中，而且对各个状态都仔细的检查了下，的确有很多设计上不严谨的地方。这让我重新审视了代码风格的重要性，一个好的设计代码能避免很多问题，如毛刺，亚稳态等，以后要好好注意这方面。

状态机描述时关键是要描述清楚前面提到的几个状态机的要素，即如何进行状态转移；每个状态的输出是什么；状态转移是否和输入条件相关等。具体描述时方法各种各样，有的设计者习惯将整个状态机写到1 个always 模块里面，在该模块中即描述状态转移，又描述状态的输入和输出，这种写法一般被称为一段式FSM 描述方法；还有一种写法是将用2 个always 模块，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，这种写法被称为两段式FSM 描述方法；还有一种写法是在两段式描述方法基础上发展出来的，这种写法使用3 个always 模块，一个always
模块采用同步时序描述状态转移；第二个采用组合逻辑判断状态转移条件，描述状态转移规律；第三个always 模块使用同步时序电路描述每个状态的输出，这种写法本书称为三段式写法。

　　一般而言，推荐的 FSM 描述方法是后两种，即两段式和三段式FSM 描述方法。其原因为：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。两段式之所以比一段式编码合理，就在于两段式编码将同步时序和组合逻辑分别放到不同的always 程序块中实现。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。而一段式FSM 描述不利于时序约束、功能更改、调试等，而且不能很好的表示米勒FSM 的输出，容易写出Latches，导致逻辑功能错误。在一般两段式描述中，为了便于描述当前状态的输出，很多设计者习惯将当前状态的输出用组合逻辑实现。但是这种组合逻辑仍然有产生毛刺的可能性，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。因此如果设计运行额外的一个时钟节拍的插入（latency），则要求尽量对状态机的输出用寄存器寄存一拍。但是很多实际情况不允许插入一个寄存节拍，此时则可以通过三段式描述方法进行解决。三段式与两段式相比，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。

为了便于理解，我们通过一个实例讨论这三种不同的写法。