FPGA三段式描述狀態機是否完全正確？FPGA三段式描述有沒有思維陷阱呢？讓我們一起來解讀一下FPGA三段式狀態機的思維邏輯。
用三段式描述狀態機的好處，國內外各位大牛都已經說的很多了，大致可歸為以下三點:
1.將組合邏輯和時序邏輯分開，利于綜合器分析優化和程序維護;
2.更符合設計的思維習慣;
3.代碼少，比一段式狀態機更簡潔。
對于第一點，我非常認可，后兩點在Clifford E. Cummings著的(Synthesizable Finite State Machine Design Techniques Using theNew SystemVerilog 3.0 Enhancements和The Fundamentals ofEfficient Synthesizable Finite State Machine Design using NC-Verilog andBuildGates)中多次提到，我并不完全贊同，下面談談我的一些看法。
先談談第二點關于思維習慣。我發現有些人會有這樣一種習慣，先用一段式狀態機實現功能，仿真ok后，再將其轉成三段式，他們對這種開發方式的解釋是一段式更直觀，可以更便捷的構建功能框架，但是大家都說三段式性能會更好，所以最后又在搭好的邏輯框架下，將一段式轉化為了三段式。這從一個側面說明了，對一部人來說一段式更符合他們的思維習慣，但當已經習慣了一段式的思維方式后，再要換用三段式時，可就不這么容易了，一段式和三段式的寫法之間存在著思維陷阱，特權同學也曾經不小心在此失足過。
舉一個例子，初始狀態是wr_st，q和p輸出都為0，當計數器count計數到指定的數值10后，輸出結束信號end，狀態機接收到end有效后跳轉為 rd_st,同時輸出q變為1，在rd_st狀態，如jump有效則跳轉到erase_st，如end有效p輸出0否則輸出1，用一段式實現起來很簡單，如下所示。
assign end = (count == 10);
always @(posedge clk)
begin
case(state)
wr_st: if(end) begin
q <= 1;
state<= rd_st;
end
else begin
q <= 0;
state<= wr_st;
end
rd_st: if(jump) begin
p <=1;
state<= erase_st;
end
elseif(end) begin
p <= 0;
state<= rd_st;
end
else begin
p <= 1;
state<= rd_st;
end
...
endcase
end
狀態機一
輸出波形如下所示。
圖一
換用三段式描述時，有些人會寫成這樣。
always @(posedge clk or negedge rst)
begin
if(!rst) state <= wr_st;
else state <=nextstate;
end
always @(*)
begin
case(state)
wr_st: if(end) nextstate = rd_st;
else nextstate = wr_st;
rd_st: if(jump) nextstate = erase_st
else nextstate = rd_st;
...
end
endcase
always @(posedge clk)
begin
case(nextstate)
wr_st: if(end) q <= 1;
else q<= 0;
rd_st: if(end) p <= 0;
else p <= 1;
...
endcase
end
狀態機二
看似代碼好像沒有什么問題，但從輸出波形可以看出，q沒有正確輸出。
圖二
上圖中狀態轉移正確，但是q輸出錯誤，nextstate由組合邏輯輸出，當end有效后，nextstate立刻變為rd_st,導致A時刻q沒有變化，在將一段式改為三段式的過程中，我們仍保留了一段式的思維習慣，想當然的利用了end信號去控制狀態跳轉，同時又控制了q的輸出，這種思維誤區由以下兩點對三段式狀態機的認知缺陷構成。
1.書本網上大部分狀態機例程的第三段都是基于nextstate輸出的，很少看到有基于state輸出的，這就形成了一種思維定勢，認為三段式的第三段只能基于nextstate描述。
2.當三段式狀態機的輸出基于nextstate描述時，無法用同一個輸入信號即觸發當前狀態跳轉，又控制當前狀態輸出正確邏輯，上述例子中A時刻q的錯誤輸出印證了這一點，end可以觸發狀態從wr_st跳轉到rd_st，但無法同時讓q輸出1。
有兩種解決辦法。
第一種解決辦法是增加狀態，將wr_st拆分為wr_st0和wr_st1兩個狀態，end信號只控制狀態跳轉，q的輸出跟隨wr_st0和wr_st1變化，第一段不變，如下所示
always @(*)
begin
case(state)
wr_st0: if(end) nextstate = wr_st1;
else nextstate = wr_st0;
wr_st1: nextstate= rd_st;
rd_st: if(jump) nextstate = erase_st;
else nextstate = rd_st;
...
end
endcase
always @(posedge clk)
begin
case(nextstate)
wr_st0: q<= 0;
wr_st1: q<= 1;
rd_st: if(end) p <= 0;
else p <= 1;
...
endcase
end
狀態機三
更改后波形輸出正確，如圖一所示。有些人會覺得這種方式沒有一段式直觀，數據手冊標明的協議只有寫和讀兩個狀態，為什么用三段式狀態機描述時還要增加一個狀態呢？反而有一種拼湊時序的感覺；另一些人會覺得這種思維方式很自然，協議里只有兩個狀態，但是每個狀態里又會有不同的輸出，根據輸入和輸出的不同可以將一個狀態解剖為多個細分狀態，狀態分的越細，越利于綜合工具分析優化，但是狀態太多了也不利于人員的查看維護。將這個問題延展開，目前網站書籍中講解狀態機的例子都以"狀態多，輸出少"為主，這種類型的狀態機，不用太多考慮狀態劃分問題，直接用moor型就ok了，不過，現實工作中我們還會遇到很多"狀態少，輸出多"的情況，那該如何劃分狀態呢？
一幫人會覺得狀態少更直觀，使用盡量少的狀態，把所有跟當前狀態相關的輸出都寫在同一個狀態里，這種習慣會傾向于寫成一段式或者mealy型；
一幫人覺得如果一個狀態里的輸出太多了不利于理解，會使用盡量多的狀態，每一個狀態只對應一種輸出，這種習慣會將狀態機傾向寫成moor型。
如換用上文的例程，主張狀態少的幫派會寫成一段式的狀態機一，或寫成錯誤的狀態機二，主張多狀態的幫派會寫成狀態機三，從性能方面考慮，后者將狀態細分的更清楚，綜合工具會更容易優化分析，獲得更好的性能，但是綜合工具altera和xilinx每年都在更新，分析能力也越來越強，越來越聰明，減少開發者的經驗門檻，按這種趨勢，前者和后者的性能差異也會逐年縮小。從維護升級的方面考慮，前者和后者的輸出都一樣，但是前者的狀態少，代碼會更少些，更利于查看，對代碼理解上面，本來就存在兩種不同的思維習慣，只能智者見智了。
回到本例中，第二種解決辦法是，僅將狀態機二的第三段的nextstate換成state，其他兩段不變，如下所示。
always @(posedge clk)
begin
case(state)
wr_st: if(end) q <= 1;
else q<= 0;
rd_st: if(end) p <= 0;
else p<= 1;
...
endcase
end
輸出波形和一段式相同，如圖一所示，三段式狀態機的第三段并沒有規定一定要基于nextstate輸出，只是主流資料在介紹三段式狀態機時，多用moor型為例，moor型的特點是輸出僅由狀態決定，當狀態變化時，輸出立刻變化，如要實現輸出緊跟著狀態變化，第三段中就必須要基于nextstate輸出才可以，對比圖一和圖二B時刻，使用state時，當前狀態已經變為rd_st，輸出p滯后了一個時鐘才輸出，而使用nextstate時，當前狀態變為 rd_st的同時輸出p就變化了，再比較圖一和圖二的C時刻，在同一個狀態下，end有效后，兩者的p輸出都一樣，所以可得出，第三段使用nextstate和state的區別在于，當狀態跳轉時，基于nextstate的輸出是立刻變化的，而基于state輸出會延遲一個周期，其他情況都一樣，應該根據自己的時序要求，選擇用nextstate還是state。
這里提到的三段式的思維陷阱，特權同學曾經也不小心犯過，所著的《深入淺出玩轉FPGA》的p40，漫談狀態機設計一節中舉了sram的例子比較一段式和三段式的區別，一段式是可以按照程序正常運行的，但是三段式的輸出在讀取的狀態下會和一段式略有不同，當cstate進入RD_S1時，如果此時wr_req有效，cmd不會輸出3`b101，而是3`b111，問題在于使用了 wr_req同時控制了RD_S1的跳轉和cmd輸出，RD_S2也存在同樣的問題，如下所示。
case(cstate)
...
RD_S1: if(wr_req) nstate <=WR_S2;
else nstate <= RD_S2;
RD_S2: if(wr_req) nstate <=WR_S1;
else nstate <= IDLE;
...
endcase
...
case(nstate)
...
WR_S2: cmd <= 3'b111;
RD_S1: if(wr_req) cmd <=3'b101;
else cmd <= 3'b110;
RD_S2: if(wr_req) cmd <=3'b011;
else cmd <= 3'b111;
...
endcase
再回到開篇，談談第三點關于代碼量，Clifford E. Cummings在文中提到一段式狀態機會比三段式狀態機會多20%到80%的代碼量，并舉例證明。但是舉得例子都有一個特點"狀態多，輸出少"，比如有 10種狀態，但是輸出種類只有5種，很多的狀態都是相同的輸出，這在第三段式描述時就可以利用case的簡寫語法減少代碼量，如下所示
case (next)
S0, S2, S4, S5 : ; // defaultoutputs
S7 : y3<= 1'b1;
S1 : y2<= 1'b1;
S3 :begin
y1<= 1'b1;
y2<= 1'b1;
end
S8 :begin
y2<= 1'b1;
y3<= 1'b1;
end
S6,S9 : begin
y1<= 1'b1;
y2<= 1'b1;
y3<= 1'b1;
end
endcase
但是實際的狀態機中，還有很多是“狀態少，輸出多”的情況，每種狀態都會有不同的輸出，這就無法利用上述的case的簡寫語法了，再試著比較一下，一段式和三段式的輸出邏輯代碼量幾乎一樣，狀態轉移部分也差不多，但是在輸入判斷代碼量方面，一段式只用判斷一次可完成狀態轉移和輸出，對于mealy型，第二段和第三段都要判斷，這就肯定比一段式多了，對于moor型，第二段需要判斷一次，第三段雖然不用判斷但是為了實現相同的功能肯定要將狀態擴展，相比一段式增加了不少的代碼量。所以不能一概而論一段式的代碼量就一定比三段式多，要視具體情況而定。
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