状态机简介
状态机简写为FSM(Finite State Machine),主要分为2大类：第一类，若输出只和状态有关而与输入无关，则称为Moore状态机：第二类，输出不仅和状态有关而且和输入有关系，则称为Melay状态机。

要特别注意的是，因为Melay状态机和输入有关，输出会受到输入的干扰，所以可能会产生毛刺（Gitch）现象，使用时应当注意。

事实上现在市面上有很多EDA工具可以很方便的将采用状态图的描述转换成可以综合的VHDL程序代码。

Moore状态机
其Moore状态图如图1所示。

S0/0S1/1S3/0S2/100110011
其中S0/0所代表的意思为现在是状态S0且输出为0，状态图最主要是将每个状态都给予一个编号，详细描述如下：
1）在某状态时，列出所有的输出条件。

2）在某状态时，当输入信号是什么则会跳至哪一个状态。

3）在某状态时，当输入信号是什么则会维持原状态不变。

可以将图1的Moore状态机写成状态表如表1.
表1 Moore状态表
状态表主要描述它与状态图的关系，再设计状态机电路是，需要先定义状态机的变量，定义状态机的变量时使用枚举类型来定义，如下范例所示：
Type State is (S0,S1,S2,S3)
接下来，状态会被加以编码。

其状态编码方式如下：
（1）时序编码（Sequential）
将每个状态以二进制来做编码。

（2）格雷码 (Gray)
也是将四个State以二进制来编码，不过不同的是每次编码只会差一个位，其主要缺点是状态改变是要依序改变才可以，若状态不是依序是，则Gray编码不适用。

（3）独热码（One hot）
独热码状态编码的特色为每一个状态均有自己的触发器，所以若有N个状态就也存在有N个触发器，在任一时刻只会有一组状态编码，缺点是会产生较大的电路，但是相对的使用独热码状态编码对帧错相当有帮助。

三种格式之状态编码如表2所示。

有了以上的初步观念，可以设计图1四个状态的Moore状态机。

2.2 状态机描述方法
状态机描述时关键是要描述清楚几个状态机的要素，即如何进行状态转移，每个状态的输出是什么，状态转移的条件等。

具体描述时方法各种各样，最常见的有三种描述方式：
1、一段式：整个状态机写到一个always模块里面，在该模块中既描述状态转移，又描述状态的输入和输出；
2、二段式：用两个always模块来描述状态机，其中一个always模块采用同步时序描述状态转移；另一个模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；
3、三段式：在两个always模块描述方法基础上，使用三个always模块，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，另一个always模块描述状态输出(可以用组合电路输出，也可以时序电路输出)。

一般而言,推荐的FSM 描述方法是后两种。

这是因为：FSM和其他设计一样，最好使用同步时序方式设计，以提高设计的稳定性，消除毛刺。

状态机实现后，一般来说，状态转移部分是同步时序电路而状态的转移条件的判断是组合逻辑。

第二种描述方法同第一种描述方法相比，将同步时序和组合逻辑分别放到不同的always模块中实现，这样做的好处不仅仅是便于阅读、理解、维护，更重要的是利于综合器优化代码，利于用户添加合适的时序约束条件，利于布局布线器实现设计。

在第二种方式的描述中，描述当前状态的输出用组合逻辑实现，组合逻辑很容易产生毛刺，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。

第三种描述方式与第二种相比，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。

2.3 状态机的编码
二进制编码(Binary)、格雷码(Gray-code)编码使用最少的触发器，较多的组合逻辑，而独热码(One-hot)编码反之。

独热码编码的最大优势在于状态比较时仅仅需要比较一个位，从而一定程度上简化了比较逻辑，减少了毛刺产生的概
率。

由于CPLD更多地提供组合逻辑资源，而FPGA更多地提供触发器资源，所以CPLD多使用二进制编码或格雷码，而FPGA多使用独热码编码。

另一方面，对于小型设计使用二进制和格雷码编码更有效，而大型状态机使用独热码更高效。