FPGA工程师：如何在FPGA中实现状态机？

liuguanJun

FPGA常常用于执行基于序列和控制的行动，比如实现一个简单的通信协议。对于设计人员来说，满足这些行动和序列要求的最佳方法则是使用状态机。状态机是在数量有限的状态之间进行转换的逻辑结构。一个状态机在某个特定的时间点只处于一种状态。但在一系列触发器的触发下，将在不同状态间进行转换。

　　理论上讲，状态机可以分为Moore状态机和Mealy状态机两大类。它们之间的差异仅在于如何生成状态机的输出。Moore状态机的输出仅为当前状态的函数。典型的例子就是计数器。而Mealy状态机的输出是当前状态和输入的函数。典型的例子就是Richards控制器。

　　定义状态机

　　当需要定义一个状态机时，首先要绘制一张状态图。状态图可用来显示状态、状态间的转换和状态机的输出。图1显示了Moore状态机的状态图（左）和Mealy状态机的状态图（右）。

　　

　　图1 用于开/关LED的Moore状态机（左）和Mealy状态机（右）的状态图。

　　如果您要在物理组件中实现这些状态图（工程师在FPGA问世之前就是这么做的），首先就得生成当前状态和后续状态表，然后生成实现状态机所需的逻辑。不过由于我们将使用FPGA来实现设计，因此我们可以直接从状态转换图开始工作。

　　算法状态图

　　虽然有许多状态机是使用图1所示的状态图方法进行设计的，但另外还有一种描述状态机行为的方法，这就是算法状态图法。ASM图（图2）在外观上更加接近软件工程流程图。它由三个基本部分构成：

　　1.状态框。它与状态名称有关，并包含Moore状态输出列表。

　　2.决策框。如果检验某条件为真，则进行下一状态的判断。

　　3.条件输出框。让状态机根据当前状态和输入描述Mealy输出。

　　一些工程师认为，如果使用VHDL等硬件描述语言，则采用ASM格式进行描述的状态机更易于映射到实现方案中。

　　

　　图2，用于图1所示的状态机（Moore状态机（左），Mealy状态机（右））的算法状态图。

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Mealy状态机的输出是当前状态和输入的函数