状态机

复习

　　累加器能保存“算到了多少”，但要自动完成一长串操作，机器还得记住“走到了哪一步”。

　　以乘法为例，它需要反复执行同一套动作：检查乘数当前位、决定要不要累加、把数据移位、判断是否结束。如果每一步仍要靠人拨动控制线，那这台机器只是会记事，还算不上会做事。

　　我们想要的是什么？是给一次运算写好步骤，然后按下开始键，剩下的它自己走完。

　　办法还是那个办法：存起来。用寄存器给步骤编号：

00：等待开始
01：检查当前位
10：累加并移位
11：判断是否完成

　　寄存器里保存的这个编号，叫作当前状态（current state）。不同的状态会打开不同的控制线，让相应的部件完成这一拍的动作。状态，本质上是给“走到哪一步”起的一个名字。

　　接下来是巧妙的第二步：让状态自己决定自己的下一步。组合逻辑读取当前状态和外部输入，同时产生两类结果：

　　时钟边沿到来时，状态寄存器收下“下一个状态”；下一拍，机器便按照新状态继续工作。这就是“当前状态 → 动作 → 下一状态”的循环，这样的电路叫作状态机（state machine）。

　　请注意状态机有多“笨”，又有多“聪明”。它不必理解乘法是什么、9 到底对不对，它只负责依照条件推进步骤。正因为如此，交通灯、电梯、售票机、以及下一章的控制器，全都可以用同一套方法组织动作。把’做什么’和’走到哪’分开，是控制复杂流程的通用智慧。

　　现在，三块拼图都齐了：组合逻辑负责“这一拍算什么”，数据寄存器负责“已经算出了什么”，状态寄存器负责“接下来走哪一步”。下一章，我们用这套结构真正完成一次乘法。

思考题 1

　　交通灯按照“绿 → 黄 → 红 → 绿”循环。状态寄存器需要保存什么？组合逻辑又负责决定什么？

思考题 2

　　状态机和累加器都用到了寄存器，它们保存的东西有什么本质不同？

　　状态寄存器保存当前亮的是绿灯、黄灯还是红灯。组合逻辑根据当前颜色和“计时是否结束”，决定本拍点亮哪些灯，并计算出下一个应该进入的颜色状态。

　　累加器的寄存器保存的是数据——算出来的和；状态机的寄存器保存的是序号——当前走到哪一步。前者参与运算，后者决定控制。一个是“算什么”，一个是“做什么”，职责完全不同。也正因为如此，机器里通常会把数据寄存器和状态寄存器分开设置。

设计师 | 南国微雪