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🔁 FSMの基礎概念と分類

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📘 FSMとは？

FSM（Finite State Machine：有限状態機械）は、入力に応じて状態を遷移しながら、出力を生成する制御回路のモデルです。
特に、順序回路の設計やプロトコル処理、制御信号の生成など、あらゆるデジタル回路に応用されています。

FSMは主に以下の要素で構成されます：

• 状態（State）：回路の内部状態（記憶）
• 入力（Input）：外部から与えられる信号
• 出力（Output）：状態と入力に基づく制御信号
• 状態遷移（Transition）：入力に応じて状態が変化

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🔀 Moore型と Mealy型

FSMは、出力の定義方法により大きく2つに分類されます。

✔️ Moore型 FSM

• 出力は状態のみに依存
• 状態ごとに出力が決まる（出力タイミングが安定）
• 実装例：traffic light controller, simple sequence generator

always @(posedge clk) begin
  case (state)
    S0: begin
      output_signal <= 1'b0;
      state <= S1;
    end
    S1: begin
      output_signal <= 1'b1;
      state <= S0;
    end
  endcase
end

✔️ Mealy型 FSM

• 出力は 状態＋入力に依存
• 状態遷移時に即座に出力が変わる（応答性が高い）
• 実装例：serial data detector, protocol handshake

always @(posedge clk) begin
  case (state)
    S0: begin
      if (input_bit) begin
        output_signal <= 1'b1;
        state <= S1;
      end else begin
        output_signal <= 1'b0;
        state <= S0;
      end
    end
  endcase
end

🧠 状態最小化と抽象化

• 状態数が多いと回路が複雑化 → 状態の最小化 が重要
• 状態図や状態遷移表により可視化
• 教育では、「状態＝意味のある動作」として意識的にラベル付けすることで理解が深まる

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🎓 教材的意義

• 順序回路の基礎として、記憶・遷移・出力の構造的理解が得られる
• FSM分類（Moore/Mealy）の使い分けを通して、設計上のトレードオフを学べる
• HDL設計やシミュレーション前の論理整理として有効

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次は fsm_state_transition.md：状態遷移図と状態表 に進みます。