FPGA 狀態機，FPGA的靈魂

有關狀態機的文章，事實上已經寫過很多了，可是即使如此，真的懂了嗎？真的能熟練應用嗎？未必吧。這篇博文**是《fpga之道》，認真下看去收貨頗豐！

借這個主題來梳理下狀態機：

狀態機是fpga設計中一種非常重要、非常根基的設計思想，堪稱fpga的靈魂，貫穿fpga設計的始終。

簡單地說，狀態機就是一副描繪著狀態變遷的狀態轉移圖，它體現著系統對外界事件的反應和行為。

fpga中的狀態機是指有限狀態機，簡稱為fsm，是指狀態節點數和輸入、輸出範圍皆有限的狀態機。需要說明的是，雖然有限狀態機的狀態節點和輸入、輸出皆為有限的，但這並不意味著它僅能進行有限次的處理，這是因為有限狀態機可以形成閉環系統，所以可以用有限個狀態處理無限的事件，從而到達化有限為無窮的境界。

例如，宇宙中物資的三種最基本的狀態：固態，液態和氣態，它們之間的狀態轉移圖如下：

從上圖可以看出，雖然該狀態機僅有三個狀態，輸入（六個觸發條件）、輸出（狀態本身即為輸出）也是有限的，但是它卻永遠不會結束，因為宇宙中的物理轉換永遠也不會停止。。。至少可預見的未來不會停止。

（1）狀態集合：

狀態集合是組成狀態機的必備要素，該集合裡包含了狀態機所能達到的所有狀態，例如上例中的。

（2）初態：

初態是狀態機的第二必備要素，它是整個狀態機開始工作的起點。它的功能類似於乙個參考係，它為狀態機的其他狀態提供參考與標準。

例如上例中，任何乙個狀態都可以作為初態。

（3）終態

終態是狀態機的結束狀態，即若狀態機達到終態，它的使命也將完成，不再工作。

與初態不同，終態不是狀態機的必備要素，大部分執行在fpga上的狀態機是沒有終態的，因為它們都需要用有限的狀態來處理無限的事件。

（4）輸入符號集

輸入符號集是驅動狀態機進行狀態轉換的主要因素，不過狀態機的狀態轉換其實並不一定需要外界的事件觸發，因此，輸入符號集也不是組成狀態機的必備要素，但是大部分執行在fpga上的狀態機是需要輸入符號集的，至少大多數情況下，需要乙個復位訊號來讓fpga進入初態。

例如，上例中的輸入符號集為。

（5）輸出符號集

輸出符號集是狀態機傳遞給外界的反饋，不過與輸入符號集不同，輸出符號集是組成狀態機的乙個必備要素，因為乙個對外界毫無影響、或者在外界看來毫無變化的狀態機是沒有必要存在的。

例如上例中的輸出符號集可以是

（6）狀態轉移函式

狀態轉移函式決定了狀態機的行為，它是狀態機的必備要素之一，也是狀態機最重要的乙個組成因素。狀態轉移函式的表現形式可以由很多種，例如帶有說明的有向箭頭，狀態轉移**等。

狀態機在工作的時候，出於對狀態機內在因果關係的考慮，將狀態機的工作狀態劃分為四個要素：現態，輸入，輸出和次態。其中，現態和輸入是因，輸出和次態是果。

（1）現態

現態指狀態機當前所處的狀態。

（2）輸入

輸入一般指外部事件，當乙個外部事件發生後，狀態機便會根據狀態轉移函式發生響應的狀態跳轉，或者狀態機將會更新自己的輸出情況。

通常在fpga中，根據輸入訊號是非同步的還是同步的，又可以將狀態機分為非同步狀態機和同步狀態機，不過鑑於穩定性的考慮，以後提到和fpga相關的狀態機都是同步狀態機。而對於非同步訊號，要先同步化後再送至狀態機。

（3）輸出

輸出是由現態或者現態和輸入共同決定的。輸出符號集是必需的，但是具體到某一狀態或者某一輸入觸發事件，輸出並不是必需的，有時候帶來的僅僅是狀態遷移而已。

（4）次態

次態是根據現態，輸入以及狀態轉移函式所得到的，狀態機將要跳轉至的新狀態。次態是相對於現態而言的，一旦狀態遷移完成，次態便變成了新的現態。

這篇博文暫時到此，下篇博文，關於狀態機的模型介紹。