Question

如何在FPGA中实现状态机

Answer 1

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。
Moore和Mealy:应该选择哪个?
实现Moore状态机还是Mealy状态机，取决于状态机需要实现的功能，以及特定的反应次数要求。两种状态机之间的最大差别在于状态机如何对输入做出反应。在输入和设置的适当输出之间，Moore状态机一般有一个时钟周期的延迟。这就意味着Moore状态机无法对输入变化立即做出反应，这点在图3中可以清楚地看到。而Mealy状态机则能够立即对输入做出反应，这通常意味着：实现相同的函数，Mealy状态机比Moore状态机需要更少的状态。Mealy状态机的不足之处就是在与另一个状态机进行通信时，如果输出出乎意料地严重依赖于其它事件的序列或时序，就可能会发生紊乱情况。