通過數(shù)據(jù)路徑的逐步穿透，設(shè)計(jì)模塊，是一種常見的設(shè)計(jì)方法。而從另外一種常規(guī)思想來看，電路的另一種表現(xiàn)形式，是狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。往往在設(shè)計(jì)有模式變換，且組合關(guān)系較復(fù)雜的電路時(shí)，使用狀態(tài)機(jī)描述電路，比數(shù)據(jù)路徑穿透的方法更加直接。

比如說，某個(gè)電路存在S0、S1、S2、S3、S4、S5六種狀態(tài)，電路上電后處于一個(gè)特定的狀態(tài)，只有當(dāng)發(fā)生輸入變換時(shí)，才會(huì)切換到其他的狀態(tài)。這種電路，直觀上無(wú)法用數(shù)據(jù)路徑穿透設(shè)計(jì)，但如果使用狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)，則會(huì)簡(jiǎn)單很多。

狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)，一般先把3種類型的信號(hào)（狀態(tài)）整理出來：

1. 狀態(tài)信號(hào)，表示當(dāng)前狀態(tài)機(jī)處于什么狀態(tài)下
2. 條件信號(hào)，狀態(tài)機(jī)在不同條件下的跳轉(zhuǎn)，需要不同的信號(hào)
3. 輸出信號(hào)，根據(jù)狀態(tài)的不同，輸出相應(yīng)的結(jié)果

接著就可以把狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)變化描述圖整理出來，如下圖所示：

以上狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)信號(hào)一共6種，S0~S5，而條件信號(hào)為a。可以看出不同狀態(tài)下，a的變換決定了狀態(tài)的下一次跳轉(zhuǎn)會(huì)向哪個(gè)方向跳。這里有2個(gè)必須理解的點(diǎn)：

1. a沒有變換的時(shí)候，無(wú)論多少個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，狀態(tài)都會(huì)保持不變
2. a的到來應(yīng)該是脈沖型信號(hào)（單個(gè)時(shí)鐘周期），以確保狀態(tài)的變換是按照時(shí)鐘周期進(jìn)行的。

Z則是輸出信號(hào)，在不同狀態(tài)下，其輸出會(huì)有所不同。

根據(jù)以上狀態(tài)圖的描述，我們可以開始用Verilog HDL進(jìn)行電路描述了（狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)圖，可視為電路圖）。一般的狀態(tài)機(jī)描述，我們稱為三段式描述，實(shí)際上就是剛才說的，分別對(duì)三種不同信號(hào)的描述。

第一部分是狀態(tài)跳轉(zhuǎn)的描述，采用時(shí)序邏輯與組合邏輯分離的描述方式，將狀態(tài)信號(hào)看成寄存器：

以上狀態(tài)的定義，使用的是順序編碼，如果根據(jù)實(shí)際情況，采用格雷碼設(shè)計(jì)，跳轉(zhuǎn)頻率高的盡量減少跳轉(zhuǎn)，則可以相應(yīng)減少一些功耗。

接著第二部分，描述條件對(duì)狀態(tài)的影響，屬于組合邏輯，一般來說我們用case語(yǔ)句結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，需要注意的是，必須加上default條件，其實(shí)就是說其他條件不滿足的話，nextstate就保持在上一個(gè)狀態(tài)。如果沒有default語(yǔ)句，且條件不完整，則synthesis工具會(huì)生成一個(gè)鎖存器來實(shí)現(xiàn)case語(yǔ)句，那樣的話，與我們的設(shè)計(jì)初衷就不同了，要避免：

條件語(yǔ)句，其實(shí)也可以用數(shù)據(jù)路徑來設(shè)計(jì)，但那樣的話就會(huì)有優(yōu)先級(jí)出現(xiàn)，需要根據(jù)實(shí)際情況來分析。

第三部分，就是根據(jù)狀態(tài)的變換，為輸出值Z賦值。根據(jù)狀態(tài)圖分析，只有處于S5的時(shí)候，Z才輸出1'b1，否則都是1'b0：

所以輸出仍然可以使用數(shù)據(jù)路徑描述方式。

由此三段式描述狀態(tài)機(jī)的方式，就完成了。至于條件a怎么來的，輸出Z又給到哪里去了，該如何進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，就需要各位看官自己吸收理解了。