有限状态机：摩尔与米勒型，及状态机描述方法

"有限状态机是一种重要的数字系统设计工具，用于描述和实现具有逻辑顺序或时序规律的事件。它由组合逻辑和寄存器逻辑组成，根据输出是否依赖于输入，分为摩尔型和米勒型。状态机的描述方法包括一段式、两段式和三段式，每种方法在实现上各有优缺点。状态编码通常采用二进制码、格雷码、Johnson码或独热码，其中独热码在避免中间状态转移问题和提高速度方面表现出色。" 有限状态机（FSM）是数字系统设计的基础，它的核心在于其输出不仅取决于当前输入，也可能受到过去输入的影响。FSM通过结合组合逻辑（即时响应输入的逻辑）和寄存器逻辑（保存状态信息）来实现复杂的控制逻辑。在现实应用中，FSM被广泛用于诸如控制器、协议解析器、计数器等设计中。 FSM根据其输出行为分为两类：摩尔型和米勒型。摩尔型状态机的输出仅取决于当前状态，而不受当前输入的影响；而米勒型状态机的输出则同时考虑当前状态和输入。例如，图1所示的是一个Mealy型状态转移图，展示了状态之间的转移关系以及输入如何影响这些转移。 在Verilog或VHDL等硬件描述语言中，FSM的描述方法多样。一段式FSM将状态转移和输出逻辑都放在同一个always模块中，简洁但可能造成代码混乱。两段式FSM将状态转移逻辑和输出逻辑分开，分别在两个always模块中实现，增强了可读性。三段式FSM进一步细化，将状态转移、状态转移条件判断和输出逻辑各置于独立的模块，提高了设计的清晰度和可维护性。 状态编码是设计FSM时需要考虑的关键因素。二进制码是最直观的编码方式，但状态转换可能导致多位同时变化，影响速度和稳定性。相比之下，格雷码的相邻码值只有一位不同，降低了电噪声，而Johnson码具有类似优点但需要更多位。独热码虽然需要更多触发器，但译码逻辑简单，且随着状态增加，其速度性能更稳定。 有限状态机作为一种强大的设计工具，具有广泛的适用性。其分类、描述方法和状态编码选择都对最终设计的效率和性能有着直接影响。理解并熟练掌握这些概念对于数字系统的设计至关重要。