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ステートマシンの考え方

条件分岐やループはソフトウェアだけの話ではありません。論理回路でも実現できます。それがステートマシンです。後のユニットでHDLを使って記述しますが、その容易さは感動的です。

「ステートマシン（状態遷移機械）」って必殺技みたいな名前だね🐾
これを使えば、自動販売機や信号機みたいな『順番に動く賢いシステム』が作れるようになるんだ！

1. ステートマシンとは

ステートマシン（状態機械）とは、いくつかの状態（ステート）を持ち、条件によって次の状態に遷移する回路です。

状態遷移図は「どの状態にいるとき、どの条件で、どの状態に移るか」を表した図です。

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活用例 ステートマシンはエアコン・電子炊飯器などの家電製品、自動車のエンジン制御、工業用ロボットなど幅広い機器の制御に使用されています。状態数・条件が非常に多い場合はマイクロコントローラが使われます。

ステートマシンは以下の2つのブロックで構成されます。

ブロック	役割	回路の種類
状態保持	「現在の状態」を記憶する	D-FF（フリップフロップ）
次状態生成	現在の状態 + 外部入力 → 「次の状態」を計算	組み合わせ回路

CDプレイヤーのトレイ開閉動作をステートマシンで表現します。

状態名	状態コード	モータ動作	説明
CLOSED	00	OFF	トレイが完全に閉じた状態
OPENING	01	ON（開く方向）	トレイが開いている途中
OPEN	10	OFF	トレイが完全に開いた状態
CLOSING	11	ON（閉じる方向）	トレイが閉じている途中

現在の状態	遷移条件	次の状態	モータ
CLOSED	ボタンが押された	OPENING へ	OFF → ON（開く）
CLOSED	ボタン未押下	CLOSED のまま	OFF 継続
OPENING	トレイが完全に開いた	OPEN へ	ON → OFF
OPENING	まだ開いていない	OPENING のまま	ON 継続
OPEN	ボタンが押された	CLOSING へ	OFF → ON（閉じる）
OPEN	ボタン未押下	OPEN のまま	OFF 継続
CLOSING	トレイが完全に閉じた	CLOSED へ	ON → OFF
CLOSING	まだ閉じていない	CLOSING のまま	ON 継続

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ステート符号化 回路規模削減やスピード向上のため、意図的にステート値の割り付けを変える場合があります（バイナリ・グレイコード・ワンホット符号化など）。

お疲れさま！これでLシリーズ（基礎ノート）はすべて完了だよ🐾
次からは、いよいよお待ちかねの「Verilog-HDLの書き方（文法ノート）」に突入するよ！一緒にコードを書いていこう！