FPGA有限狀態(tài)機(jī)編寫如何選擇狀態(tài)編碼？

今天看《從算法設(shè)計到硬件邏輯的實現(xiàn)》這本電子書時，遇到了一個問題，就是有限狀態(tài)機(jī)的編寫中，狀態(tài)編碼是采用格雷碼還是獨熱碼呢？究竟采用哪一種編碼呢？

采用獨熱碼為什么節(jié)省許多組合電路？

等等問題，就這些問題我收集了一些說法，覺得很有意思，在這里我們一起討論下。

還是先簡介下有限狀態(tài)機(jī)：

有限狀態(tài)機(jī)是由寄存器組和組合邏輯構(gòu)成的硬件時序電路，其狀態(tài)（即由寄存器組的1和0的組合狀態(tài)所構(gòu)成的有限個狀態(tài)）只可能在同一時鐘跳變沿的情況下才能從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)向另一個狀態(tài)，究竟轉(zhuǎn)向哪一狀態(tài)還是留在原狀態(tài)不但取決于各個輸入值，還取決于當(dāng)前所在狀態(tài)。這里是指Mealy型有限狀態(tài)機(jī)。

Moore型有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移只取決于當(dāng)前狀態(tài)，與輸入值無關(guān)。

在Verilog HDL中可以用許多種方法來描述有限狀態(tài)機(jī)，最常用的方法是用always語句和case語句。下面的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖表示了一個有限狀態(tài)機(jī)：

上面的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖表示了一個四狀態(tài)的有限狀態(tài)機(jī)，它的同步時鐘是Clock,輸入信號是 A 和 rst_n ,輸出信號是 F 和 G。狀態(tài)的轉(zhuǎn)移只能在同步時鐘（Clock）的上升沿時發(fā)生，往哪個狀態(tài)的轉(zhuǎn)移則取決于目前所在的狀態(tài)和輸入的信號（Reset 和 A）。

我們采用兩種狀態(tài)編碼方式來實現(xiàn)這個有限狀態(tài)機(jī)：

1）采用格雷碼：

在ISE中，綜合后，得到的RTL Schematic：

2）采用獨熱碼：

程序和上面的幾乎一樣，只需要改下，各個狀態(tài)對應(yīng)的編碼值即可，還有最后的default：state <= Idle;

還是給出程序吧：

上面兩個程序的主要不同點是狀態(tài)編碼，2）采用了獨熱編碼，而1）則采用Gray碼，究竟采用哪一種編碼好要看具體情況而定。對于用FPGA實現(xiàn)的有限狀態(tài)機(jī)建議采用獨熱碼，因為雖然采用獨熱編碼多用了兩個觸發(fā)器，但所用組合電路可省下許多，因而使電路的速度和可靠性有顯著提高，而總的單元數(shù)并無顯著增加。采用了獨熱編碼后有了多余的狀態(tài)，就有一些不可到達(dá)的狀態(tài)，為此在CASE語句的最后需要增加default分支項，以確保多余狀態(tài)能回到Idle狀態(tài)。

上面所說的多余狀態(tài)是：4位編碼有16種，獨熱碼只列出了4種，剩下了12種，就是多余的狀態(tài)。

另一位大牛只說了一句話，但很有啟發(fā)：

那我把3—8譯碼器的真值表給出來，確實如此。

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編輯：黃飛

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