理解状态机：Mealy与Moore，设计与实现

"状态机设计-LPC1768基础教程，Xilinx 7 FPGA入门" 在数字系统设计中，状态机扮演着至关重要的角色，它是一种典型的时序逻辑电路，常用于控制序列化操作和复杂行为。状态机主要由三个核心部分构成：下一个状态的逻辑电路、存储当前状态的时序逻辑电路以及根据当前状态和可能的输入产生输出的组合逻辑电路。状态机按照状态数量的限制，被归类为有限状态机（FSM），并且它们通常采用同步设计，意味着所有触发器都由同一个时钟脉冲边沿触发。 状态机有两种基本类型，即Mealy型和Moore型。Mealy型状态机的输出不仅取决于当前状态，还与输入信号相关，遵循次态=f(现状，输入)，输出=f（现状，输入）的规则。相反，Moore型状态机的输出仅由当前状态决定，不受输入影响，次态=f(现状，输入)，输出=f（现状）。 设计状态机的过程通常涉及以下步骤： 1. 首先，根据系统需求和设计目标，确定使用Mealy型还是Moore型状态机。 2. 其次，分析所有可能的状态，并选择合适的编码方式（如自然二进制编码、One-hot编码或格雷编码）对状态进行编码。 3. 接着，根据状态转移关系和输出条件绘制状态转移图，以可视化状态机的行为。 4. 最后，构建状态机的硬件描述，这通常包括使用参数定义语句（parameter）描述状态编码，用时序always块描述状态触发器，使用敏感表和case语句（或if-else语句）描述状态转换逻辑，以及定义状态机的输出逻辑。 状态机的描述方法有三种：一段式、二段式和三段式。这些方法的区别在于如何组织和分离状态机的各个组成部分。例如，一段式状态机将状态转换和输出逻辑合并在一个always块中，而二段式和三段式则将它们分开，以便于理解和维护。 在Xilinx 7系列FPGA的基础入门中，会介绍如何使用Verilog语法进行状态机设计，并通过Vivado软件进行工程创建、仿真和逻辑分析。教程内容涵盖了从基础的Verilog语法到Vivado的使用，旨在帮助初学者快速掌握FPGA编程和Vivado工具，为后续深入学习奠定基础。尽管教程以特定的开发板和FPGA芯片型号为例，但其原理和方法适用于其他类型的FPGA，只需适配不同的IO定义和芯片型号。使用的软件版本为Vivado 2017.4。