数电和Verilog-时序逻辑实例四：状态机（三段式描述）

A.20 时序逻辑实例四：状态机（三段式描述）

什么叫做三段式描述的状态机？

三段，可以理解为三个always程序块。

（1）第一个always程序块

采用同步时序逻辑电路描述状态转移。

（2）第二个always程序块

采用组合逻辑电路判断状态转移条件并描述状态转移规律。

（3）第三个always程序块

采用同步时序逻辑将结果寄存后输出。

两者的区别是将原先第二个always程序块中对y和z的组合逻辑输出改为了第三个always块的时序逻辑的寄存输出。

其实就这么简单，不少网络以及相关书籍上把它讲复杂了，甚至还给讲错了。

网络上随便搜索“三段式状态机”，基本给出的第三段always块的例子基本都是基于next_state输出的，很少看到有基于current_state输出的，这就形成了一种思维定势，认为三段式的第三段只能基于next_state描述，其实这是不对的。

应该说不管基于current_state还是next_state，目的都是要将最后输出的结果进行时钟同步后寄存器输出，并不拘泥于实现的形式，比如本节给出的例子中的第三个always块就并不是像书上和网络上那样都基于next_state来描述实现的。

这种错误的地方，除了网上以外，书本上要么没讲，要么提到的地方存在问题，至少我看到的地方有出现这种类似的错误，比如：EDA先锋工作室的《设计与验证Verilog HDL》就出现了这种错误。

下面用二段式改三段式的过程来给大家说明这两种描述方式的区别。

两段式改三段式过程

这是原本的两段式实现的代码：

//文件路径：a.19/src/sell.v
module sell(clk,rst_n,a,b,y,z);
  parameter S0 = 1'b0;
  parameter S1 = 1'b1;
  input clk;
  input rst_n;
  input a,b;
  output reg y,z;

  reg current_state;
  reg next_state;

  always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)
      current_state <= S0;
    else
      current_state <= next_state;
  end

  always@(current_state or a or b)begin
    y = 0;
    z = 0;
    case(current_state)
      S0: begin
        if((a == 1'b0) && (b == 1'b1))begin
          y = 1;
          next_state = S0;
        end
        else if((a == 1'b1) && (b == 1'b0))
          next_state = S1;
        else
          next_state = S0;
      end
      S1: begin
        if((a =