時序電路的狀態是一個狀態變量集合，這些狀態變量在任意時刻的值都包含了為確定電路的未來行為而必需考慮的所有歷史信息。

狀態機采用VerilogHDL語言編碼，建議分為三個always段完成。

三段式建模描述FSM的狀態機輸出時，只需指定case敏感表為次態寄存器， 然后直接在每個次態的case分支中描述該狀態的輸出即可，不用考慮狀態轉移條件。

三段式描述方法雖然代碼結構復雜了一些，但是換來的優勢是：使FSM做到了同步寄存器輸出，消除了組合邏輯輸出的不穩定與毛刺的隱患，而且更利于時序路徑分組，一般來說在FPGA/CPLD等可編程邏輯器件上的綜合與布局布線效果更佳。

示列如下：

//第一個進程，同步時序always模塊，格式化描述次態寄存器遷移到現態寄存器

always @ (posedge clk or negedge rst_n)    //異步復位

 if(!rst_n)

   current_state <= IDLE;

 else

   current_state <= next_state;   //注意，使用的是非阻塞賦值

//第二個進程，組合邏輯always模塊，描述狀態轉移條件判斷

always @ (current_state)        //電平觸發

  begin

    next_state = x;  //要初始化，使得系統復位后能進入正確的狀態

    case(current_state)

    S1: if(...)

       next_state = S2;           //阻塞賦值

    ...

    endcase

end

//第三個進程，同步時序always模塊，格式化描述次態寄存器輸出

always @ (posedge clk or negedge rst_n)

...//初始化

 case(next_state)

S1:

   out1 <= 1'b1;                //注意是非阻塞邏輯

S2:

   out2 <= 1'b1;

default:...      //default的作用是免除綜合工具綜合出鎖存器

endcase

end

兩段式有限狀態機與三段式有限狀態機的區別

FSM將時序部分（狀態轉移部分）和組合部分（判斷狀態轉移條件和產生輸出）分開，寫為兩個always語句，即為兩段式有限狀態機。
　　將組合部分中的判斷狀態轉移條件和產生輸入再分開寫，則為三段式有限狀態機。
　　區別：
　　二段式在組合邏輯特別復雜時適用，但要注意需在后面加一個觸發器以消除組合邏輯對輸出產生的毛刺。三段式沒有這個問題，由于第三個always會生成觸發器。
　　設計時注意方面：
　　1.編碼原則，binary和gray-code適用于觸發器資源較少，組合電路資源豐富的情況（CPLD），對于FPGA，適用one-hot code。這樣不但充分利用FPGA豐富的觸發器資源，還因為只需比較一個bit，速度快，組合電路簡單。
　　2.FSM初始化問題：
　　GSR(Gobal Set/Reset)只是在加電時清零所有的reg和片內ram，并不保證FSM能進入初始化狀態，要利用GSR，方案是適用one-hot code with zero idle，即初始狀態編碼為全零。已可以適用異步復位rst
　　3.FSM輸出可以適用task
　　4FSM中的case最好加上default，默認態可以設為初始態
　　5.尤其注意：
　　第二段的always(組合部分，賦值用=)里面判斷條件一定要包含所有情況！可以用else保證包含完全。
　　6第二段always中，組合邏輯電平要維持超過一個clock，仿真時注意。

以 前看了不少關于如何寫VDHL狀態機的文章，都是提倡使用二段式或三段式的寫法，都建議避免使用一段式的寫法，但看了之后，都沒什么體會。象我們寫軟件出 身的，心理上總喜歡一段式的寫法，覺得思路比較連貫，而且可以寫在一個process里，“內聚性”比較高。軟件工程師是最討厭多個函數共用全局變量的 了。
        但對于硬件開發，就不一樣了。因為VHDL還是無法完全屏蔽掉硬件的物理特性，不好的布局，會使得寫的邏輯錯誤執行。最近寫的一個狀態機，就遇到了這個麻 煩。因為喜好的緣故，加上狀態機里面有計數器，用組合邏輯寫比較麻煩，于是我用了一段式的寫法。結果實際運行的時候，發現狀態機經常無故鎖死，用邏輯分析 儀看，發現陷入了非法的狀態，而且when others語句也無法使狀態機回到IDLE狀態。開始懷疑邏輯上有錯誤，折騰幾天后，把狀態切換部分獨立出來放在一個同步process里，問題解決 了。雖然偶爾還會發現落入非法狀態，但狀態機會自動恢復到初始狀態，不會鎖死了，而程序邏輯沒有做如何修改。看來以后還是得規規矩矩用二段或三段式的寫法 了。為了便于記憶，把二段、三段式的特點終結成幾句話：
        二段式：狀態切換用時序邏輯，次態輸出和信號輸出用組合邏輯。
        三段式：狀態切換用時序邏輯，次態輸出用組合邏輯，信號輸出用時序邏輯。信號輸出的process中，case語句用next state做條件，可以解決比組合邏輯輸出慢一拍的問題。
有時候判斷次態需要用到計數器怎么辦呢（計數器是時序電路，用組合邏輯是實現不了的）？方法是獨立實現一個計數器，而在組合邏輯里用使能信號（或清除、置位等）來控制它。

狀態機描述時關鍵是要描述清楚幾個狀態機的要素，即如何進行狀態轉移，每個狀態的輸出是什么，狀態轉移的條件等。具體描述時方法各種各樣，最常見的有三種描述方式：

1、一段式：整個狀態機寫到一個always模塊里面，在該模塊中既描述狀態轉移，又描述狀態的輸入和輸出；

2、二段式：用兩個always模塊來描述狀態機，其中一個always模塊采用同步時序描述狀態轉移；另一個模塊采用組合邏輯判斷狀態轉移條件，描述狀態轉移規律以及輸出；

3、 三段式：在兩個always模塊描述方法基礎上，使用三個always模塊，一個always模塊采用同步時序描述狀態轉移，一個always采用組合邏 輯判斷狀態轉移條件，描述狀態轉移規律，另一個always模塊描述狀態輸出(可以用組合電路輸出，也可以時序電路輸出)。

一般而言,推薦的FSM 描述方法是后兩種。這是因為：FSM和其他設計一樣，最好使用同步時序方式設計，以提高設計的穩定性，消除毛刺。狀態機實現后，一般來說，狀態轉移部分是同步時序電路而狀態的轉移條件的判斷是組合邏輯。

第 二種描述方法同第一種描述方法相比，將同步時序和組合邏輯分別放到不同的always模塊中實現，這樣做的好處不僅僅是便于閱讀、理解、維護，更重要的是 利于綜合器優化代碼，利于用戶添加合適的時序約束條件，利于布局布線器實現設計。在第二種方式的描述中，描述當前狀態的輸出用組合邏輯實現，組合邏輯很容 易產生毛刺，而且不利于約束，不利于綜合器和布局布線器實現高性能的設計。