【 FPGA 】状态机，FPGA的灵魂

有关状态机的文章，事实上已经写过很多了，可是即使如此，真的懂了吗？真的能熟练应用吗？未必吧。这篇博文来源是《FPGA之道》，认真下看去收货颇丰！

借这个主题来梳理下状态机：

状态机简介

状态机是FPGA设计中一种非常重要、非常根基的设计思想，堪称FPGA的灵魂，贯穿FPGA设计的始终。

简单地说，状态机就是一副描绘着状态变迁的状态转移图，它体现着系统对外界事件的反应和行为。

FPGA中的状态机是指有限状态机，简称为FSM，是指状态节点数和输入、输出范围皆有限的状态机。需要说明的是，虽然有限状态机的状态节点和输入、输出皆为有限的，但这并不意味着它仅能进行有限次的处理，这是因为有限状态机可以形成闭环系统，所以可以用有限个状态处理无限的事件，从而到达化有限为无穷的境界。

例如，宇宙中物资的三种最基本的状态：固态，液态和气态，它们之间的状态转移图如下：

从上图可以看出，虽然该状态机仅有三个状态，输入（六个触发条件）、输出（状态本身即为输出）也是有限的，但是它却永远不会结束，因为宇宙中的物理转换永远也不会停止。。。至少可预见的未来不会停止。

状态机的组成六要素：

（1）状态集合：

状态集合是组成状态机的必备要素，该集合里包含了状态机所能达到的所有状态，例如上例中的{固态，液态，气态}。

（2）初态：

初态是状态机的第二必备要素，它是整个状态机开始工作的起点。它的功能类似于一个参考系，它为状态机的其他状态提供参考与标准。

例如上例中，任何一个状态都可以作为初态。

（3）终态

终态是状态机的结束状态，即若状态机达到终态，它的使命也将完成，不再工作。

与初态不同，终态不是状态机的必备要素，大部分运行在FPGA上的状态机是没有终态的，因为它们都需要用有限的状态来处理无限的事件。

（4）输入符号集

输入符号集是驱动状态机进行状态转换的主要因素，不过状态机的状态转换其实并不一定需要外界的事件触发，因此，输入符号集也不是组成状态机的必备要素，但是大部分运行在FPGA上的状态机是需要输入符号集的，至少大多数情况下，需要一个复位信号来让FPGA进入初态。

例如，上例中的输入符号集为{气化，液化，凝华，升华，凝固，融化}。

（5）输出符号集

输出符号集是状态机传递给外界的反馈，不过与输入符号集不同，输出符号集是组成状态机的一个必备要素，因为一个对外界毫无影响、或者在外界看来毫无变化的状态机是没有必要存在的。

例如上例中的输出符号集可以是{温度变化，体积变化，状态变化}

（6）状态转移函数

状态转移函数决定了状态机的行为，它是状态机的必备要素之一，也是状态机最重要的一个组成因素。状态转移函数的表现形式可以由很多种，例如带有说明的有向箭头，状态转移表格等。

状态机的工作四要素

状态机在工作的时候，出于对状态机内在因果关系的考虑，将状态机的工作状态划分为四个要素：现态，输入，输出和次态。其中，现态和输入是因，输出和次态是果。

（1）现态

现态指状态机当前所处的状态。

（2）输入

输入一般指外部事件，当一个外部事件发生后，状态机便会根据状态转移函数发生响应的状态跳转，或者状态机将会更新自己的输出情况。

通常在FPGA中，根据输入信号是异步的还是同步的，又可以将状态机分为异步状态机和同步状态机，不过鉴于稳定性的考虑，以后提到和FPGA相关的状态机都是同步状态机。而对于异步信号，要先同步化后再送至状态机。

（3）输出

输出是由现态或者现态和输入共同决定的。输出符号集是必需的，但是具体到某一状态或者某一输入触发事件，输出并不是必需的，有时候带来的仅仅是状态迁移而已。

（4）次态

次态是根据现态，输入以及状态转移函数所得到的，状态机将要跳转至的新状态。次态是相对于现态而言的，一旦状态迁移完成，次态便变成了新的现态。

这篇博文暂时到此，下篇博文，关于状态机的模型介绍。