FPGA/数字IC秋招笔试面试003——FSM有限状态机、三段式状态机（2022届）

状态机的编码风格包括一段式、两段式和三段式，下列描述正确的是（）
A、一段式寄存器输出，易产生毛刺，不利于时序约束；
B、二段式组合逻辑输出，不产生毛刺，有利于时序约束；
C、三段式寄存器输出，不产生毛刺，有利于时序约束；
D、所有描述风格都是寄存器输出，易产生毛刺，有利于时序约束。

答案：C
解析：
（1）一段式：一个always块，既描述状态转移，又描述状态的输入输出，当前状态用寄存器输出；

（2）二段式：两个always块，时序逻辑与组合逻辑分开，一个always块采用同步时序描述状态转移；另一个always块采用组合逻辑判断状态转移条件，描述状态转移规律以及输出，当前状态用组合逻辑输出，可能出现竞争冒险，产生毛刺，而且不利于约束，不利于综合器和布局布线器实现高性能的设计；

（3）三段式：三个always块，一个always模块采用同步时序描述状态转移；一个always采用组合逻辑判断状态转移条件，描述状态转移规律；第三个always块使用同步时序描述状态输出，寄存器输出。

三段式与二段式相比，关键在于根据状态转移规律，在上一状态根据输入条件判断出当前状态的输出，从而在不插入额外时钟节拍的前提下，实现了寄存器输出。

状态机编码：
二进制码Binary Code和格雷码Gray Code占用的位宽少，相应的使用的触发器资源少，但是状态对比时需要比较多个bit，消耗的组合逻辑比较多，适用于组合电路资源丰富的情况（CPLD）；独热码One-Hot Code的状态比较时只比较1bit，节省逻辑资源，使用的触发器资源比较多，适用于触发器资源丰富的情况（FPGA）；总体来讲，状态较少时（4-24个状态）用独热码效果好，状态多时格雷码（状态数大于24）效果好。

对四个状态编码：
二进制码：
S0 = 2’b00;
S1 = 2’b01;
S2 = 2’b10;
S3 = 2’b11;
格雷码相邻码元之间有且只有一位不同：
S0 = 2’b00;
S1 = 2’b01;
S2 = 2’b11;
S3 = 2’b10;
独热码只有一位是“1”：
S0 = 4’b0001;
S1 = 4’b0010;
S2 = 4’b0100;
S3 = 4’b1000;
有时候也是用连续编码，状态值连续：
S0 = 2’d0;
S1 = 2’d1;
S2 = 2’d2;
S3 = 2’d3;

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