【从零开始学习计算机科学】数字逻辑（九）有限状态机

有限状态机

有限状态机(简称状态机)相当于一个控制器，它将一项功能的完成分解为若干步，每一步对应于二进制的一个状态，通过预先设计的顺序在各状态之间进行转换，状态转换的过程就是实现逻辑功能的过程。

有限状态机三要素为状态（当前状态，下一个状态）、输入信号（事件）和输出控制信号（相应操作）。

从底层实现的角度来看，有限状态机是由寄存器组和组合逻辑构成的硬件时序电路。

为什么要使用状态机？因为有限状态机具有以下特点：有限状态机克服了纯硬件数字系统顺序方式控制不灵活的缺点；状态机的结构模式相对简单；状态机容易构成性能良好的同步时序逻辑模块；状态机的HDL表述丰富多样；在高速运算和控制方面，状态机更有其巨大的优势；就可靠性而言，状态机的优势也是十分明显的。

如果我们有这样一个电路：

1，能记住自己目前所处的状态；

2，状态的变化只可能在同一个时钟的跳变沿时刻发生，而不可能发生在任意时刻；

3，在时钟跳变沿时刻，如输入条件满足，则进入下一状态，并记住自己目前所处的状态，否则仍保留原来的状态；

4，在进入不同的状态时刻，对系统的开关阵列做开启或关闭的操作。
当我们有了以上电路，我们就不难设计出复杂的控制序列来操纵数字系统的控制开关阵列。能达到要求的电路就是时序和组合电路互相结合的产物：同步有限状态机和由状态和时钟共同控制的开关逻辑阵列。

所以，只要掌握有限状态机的基本设计方法，加上对基本电路的掌握，再加上对数据处理的过程的细致了解，就可以规避由于逻辑器件和布线延迟产生的“竞争冒险”现象所造成的破坏，设计出符合要求的复杂数字逻辑系统。

状态机的表示方法

方法一：状态转换表

方法二：算法流程图

方法三：状态转换图

有限状态机的Verilog描述

有限状态机可以通过以下四种方法描述。

（1）用三个过程描述&#