[Craftor原创]关于一阶状态机跳转问题的研究与心得

简单来说，HDL的精髓就是if、case、FSM（有限状态机），而if、case通常又是伴随在状态机之中的。所以，状态机的重要性是毋庸置疑的。通常，在一个always或者process中，用到的都是一阶的状态机比较多，二阶以上的较复杂，代码可读性不高，所以不用常见，也极少用到。

状态机的核心在于状态的跳转，也是很多初学者头疼的地方，尤其是当一个状态机里的状态数超过10个的时候，考虑不周，很容易混乱。本文中，笔者将用一种新方式来控制状态机的跳转，不同于Xilinx或Altera的参考Coding Style。虽然不一定是最好的，但是仍有一定的借鉴价值，供读者参考交流。

通常，我们是这样定义状态机的：

verilog:
parameter st1 = 8'b00000001;
parameter st2 = 8'b00000010;
parameter st3 = 8'b00000100;
parameter st4 = 8'b00001000;
parameter st5 = 8'b00010000;
parameter st6 = 8'b00100000;
parameter st7 = 8'b01000000;
parameter st8 = 8'b10000000;
reg [7:0] state = st1;

VHDL:
type state_value is (st1, st2, st3, ...);
signal state : state_value := st1;

这样定义状态机，就需要我们对每个状态机的功能、跳转条件非常清楚，当然，这也是必须的。

而有的时候，初学者，是一边写代码一边思考的，到底要定义多少状态数、每个状态的跳转条件，不一定都是非常清楚的。所以，如果这时候还用上述的方式定义状态机，就可能需要一边写一边修改状态机的定义。状态多到一定程度的时候，自己可能就乱了，糊涂了。那么，有没有一种更好的方法来定义状态机，省去这样的麻烦呢？答案：有！肯定有！必须有！

笔者的思路是这样的：将状态机的状态转理解成CPU中的中断向量地址，然后将状态大概分成几类，每类状态提供一个入口地址。这样，我们仅需要清楚这几类状态的入口状态跳转条件即可，状态数的增加并不会增加状态机的复杂度。

状态机的定义：

verilog:
parameter st_init       = 8'd0;
parameter st_read_data  = 8'd10;
parameter st_math       = 8'd20;
parameter st_write_data = 8'd30;
reg [7:0] state = st_init;

   VHDL:
constant st_init       :integer := 0;
constant st_read_data  :integer := 10;
constant st_math       :integer := 20;
constant st_write_data :integer := 30;
signal state : integer range 0 to 255 := 0;

假设状态机分成这样几类：初始化(st_init)、取数据(st_read_data)、数学处理(st_math)、写数据(st_write_data)，每个类状态都不止一个，所以给第类状态预留了10个状态数的间隔。当然，这只是例子。

这样，在写状态机代码的时候，可以这样写：

verilog:
case(state)
st_init :
st_init + 1:
st_init + 2:
st_math :
st_math + 1:
st_math + 2:
st_read_data :
st_read_data + 1:
st_read_data + 2:
st_write_data:
st_write_data + 1:
st_write_data + 2:
default:
endcase

VHDL:
case state is
when st_init =>
when st_init + 1 =>
when st_init + 2 =>
when st_read_data =>
when st_read_data + 1 =>
when st_read_data + 2 =>
when st_math =>
when st_math + 1 =>
when st_math + 2 =>
when st_write_data =>
when st_write_data + 1 =>
when st_write_data + 2 =>
when others =>
end case;

状态机在同一类状态下，只需要自加1就可以了，而在同类最后一个状态才要进行状态的跳转判断，这样状态的跳转就变得容易控制了。

虽然可能看上去与一般的状态机写法和跳转法则没太大的区别，但这确实是笔者在实际应用中写代码的时候思考和探索过的问题，也确实在一定程度上减轻了状态数很多的情况下跳转问题的复杂度。

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