在FPGA設計中,狀態機的選擇主要取決于具體應用場景和設計需求。

1. 一段式狀態機:

優點:

• 結構簡單,易于理解和實現
• 占用資源少
• 時序邏輯簡單,延遲小

缺點:

• 組合邏輯復雜度高
• 可能存在毛刺問題
• 不易于大規模狀態機的設計

適用場景:

• 簡單的控制邏輯
• 狀態數量較少的場合
• 對時序要求較高的場合

2. 二段式狀態機:

優點:

• 結構清晰,易于理解和維護
• 組合邏輯和時序邏輯分離
• 減少了毛刺問題

缺點:

• 相比一段式,占用資源略多
• 狀態轉換可能需要額外一個時鐘周期

適用場景:

• 中等復雜度的狀態機設計
• 需要較好的可讀性和可維護性
• 對時序要求不是特別苛刻的場合

3. 三段式狀態機:

優點:

• 結構最為清晰,易于理解和維護
• 組合邏輯完全分離,便于大規模狀態機設計
• 最大程度減少毛刺問題

缺點:

• 占用資源最多
• 狀態轉換通常需要額外的時鐘周期
• 可能引入額外的延遲

適用場景:

• 復雜的大規模狀態機設計
• 需要高度模塊化和可維護性的場合
• 對時序要求相對寬松的場合

選擇建議:

1. 對于簡單的控制邏輯,可以選擇一段式狀態機,以獲得最小的資源占用和延遲。

2. 對于中等復雜度的狀態機,二段式通常是較好的選擇,它在性能和可維護性之間取得了良好的平衡。

3. 對于復雜的大規模狀態機設計,三段式是更好的選擇,它提供了最清晰的結構和最好的可維護性。

4. 如果對時序要求特別高,可以考慮使用一段式或經過優化的二段式狀態機。

5. 如果設計的重點是可讀性和可維護性,可以優先考慮二段式或三段式狀態機。

在實際應用中,設計者需要根據具體的項目需求、性能要求和資源限制來權衡選擇合適的狀態機結構。

二段式狀態機之所以可以有效減少毛刺，主要是因為其結構特點和時序控制方式。

1. 結構特點：
   二段式狀態機通常由兩個主要部分組成：
   a. 組合邏輯部分：負責計算下一個狀態和輸出。
   b. 時序邏輯部分：由觸發器組成，用于存儲當前狀態。

2. 時鐘同步機制：
   二段式狀態機使用時鐘信號來同步狀態更新和輸出變化。這是減少毛刺的關鍵。

3. 減少毛刺的原理：

   a. 狀態更新的同步：

   • 只在時鐘邊沿更新狀態，而不是在組合邏輯計算過程中持續變化。
   • 這確保了狀態在一個時鐘周期內保持穩定。

   b. 輸出的穩定：

   • 輸出通常也是在時鐘邊沿更新，或者直接由當前狀態決定。
   • 這避免了由于組合邏輯的中間態導致的輸出波動。

   c. 消除中間態影響：

   • 即使組合邏輯在計算過程中產生中間態，這些中間態也不會立即影響到狀態機的輸出。
   • 只有在下一個時鐘邊沿，經過穩定的結果才會被采樣和更新。

4. 具體例子：
   假設狀態轉移：A -> B -> C

   • 在一段式中：可能出現 A -> (短暫的B) -> C 的快速變化。
   • 在二段式中：會嚴格按照時鐘周期變化，如 A -> A -> B -> C，每個狀態至少穩定一個時鐘周期。

5. 亞穩態處理：
   二段式狀態機通過引入時序邏輯，也更容易處理輸入信號的亞穩態問題，進一步提高了系統的可靠性。

6. 輸出穩定性：
   即使組合邏輯的輸出在一個時鐘周期內發生多次變化，由于有觸發器的鎖存作用，這些變化不會直接反映在狀態機的輸出上。

7. 設計靈活性：
   二段式結構允許設計者更靈活地控制狀態轉換和輸出生成的時序，有助于在系統層面上減少毛刺。

需要注意的是，雖然二段式狀態機大大減少了毛刺問題，但并不能完全消除。在一些高速或對時序特別敏感的應用中，可能還需要額外的去毛刺技術。

總的來說，二段式狀態機通過引入時鐘同步機制，有效地隔離了組合邏輯的瞬態變化，從而大大減少了毛刺問題，提高了系統的穩定性和可靠性。這使得二段式狀態機在許多FPGA設計中成為一個很好的選擇，特別是在中等復雜度的應用場景中。