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1、有限状态机设计,一、为什么要使用有限状态机，什么是状态机 二、有限状态机的分类及表示 三、有限状态机的设计举例 四、有限状态机的状态编码 五、有限状态机的多余状态,为什么要使用状态机, 有限状态机克服了纯硬件数字系统顺序方式控制不灵活的缺点。, 状态机的结构模式相对简单。, 状态机容易构成性能良好的同步时序逻辑模块。, 状态机的VHDL表述丰富多样。, 在高速运算和控制方面，状态机更有其巨大的优势。, 就可靠性而言，状态机的优势也是十分明显的。,回忆计数器设计,设计一电路，包含模4计数器，和译码输出模块。计数器的输出(Present_value)从0到3循环；当计数值为2时，译码输出(Data
2、Out)为“1”，否则输出“0”。,Clk,Present_value Q(n),Next_value Q(n+1),译码,DataOut Z(n),00/0,01/0,10/1,11/0,00/0,01/0,10/1,11/0,扩展一个输入端din，当din = 1时计数器递增计数；当din = 0时计数器递减计数。,再将计数器修改成一个状态转换器，状态为S0, S1, S2, S3。每个状态的取值根据具体情况而定。比如S0 = 00, S1 = 11, S3 = 01, S4 = 10。,再将计数器修改成一个状态转换器，状态为S0, S1, S2, S3。每个状态的取值根据具体情况而定。比
3、如S0 = 00, S1 = 11, S3 = 01, S4 = 10。,现在我们得到了一个 比较通用的时序电路， 这种电路统称为状态 机(State Machine)。,语音信箱控制系统用于控制对语音信箱的有关操作，允许用户发送信息、重阅信息、存储信息和擦除信息，状态转移图如图。,状态机的应用1、语音信箱控制系统,设计一个空调系统的有限状态自动机，它的两个输入端TEMP_HIGH 和TEMP_LOW分别与传感器相连，用于检测室内温度。如果室内温度正常，则TEMP_HIGH和TEMP_LOW均为0。如果室内温度过高，则TEMP_HIGH为1，TEMP_LOW为0 。如果室内温度过低，则TEMP
4、_HIGH为0， TEMP_LOW为1。根据TEMP_HIGH 和TEMP_LOW的值来判断当前的状态(太热TOO_HOT，太冷 TOO_COLD或适中JUST_RIGHT)，并决定HEAT和COOL的输出值。,状态机的应用2、空调系统,状态机（STATE MACHINE）可以说是一个广义时序电路，触发器, 计数器,移位寄存器都算是它的特殊功能的一种.在电子设计自动化应用当中,状态机经常是担任CPU 的功能,从某种意义上讲状态机的应用让系统具有了智能化的功能.传统的逻辑电路设计在描述状态机的表示上,以状态图(STATE DIAGRAM)方式最为清晰且容易理解.根据输入,输出及状态关系,状态图可
5、以分为: 1. 状态&输出(输出仅与状态有关) 2.输入&状态&输出(输出与状态输入有关),有限状态机可以高效的用来实现控制功能。状态机可以分为两种基本类型：Mealy型状态机和Moore型状态机。Moore型状态机的输出仅是当前状态的函数，属于同步输出状态机。 Mealy型状态机的输出是当前状态和输入信号的函数，不依赖时钟的同步，属于异步输出状态机。,状态机分类,数字系统控制单元通常用有限状态机（FSM）建模。 Moore型的输出只是当前值的函数； Mealy型的输出为当前值和输入值的函数。 模型如图所示。,Moore型,Mealy型,状态机的表示方法1,方法一：状态转换表,状态机的表示方法
6、2,方法二：算法流程图,方法与软件程序的流程图类似,状态转换表和算法流程图都不适合复杂系统的设计,状态机的表示方法3,方法三：状态转换图,状态1,状态4,状态2,状态3,入,/出,入,入,入,/出,/出,/出,Moore,条件控制定序,直接控制定序,状态机的表示方法3,方法三：状态转换图,状态1,状态4,状态2,状态3,入,/出,入,入,入,/出,/出,/出,/出,Mealy,条件控制定序,直接控制定序,状态机的代码实现,状态 寄存器,输出 译码,下一状 态译码,clk,时序进程,组合进程,1. 说明部分,2. 时序进程,ARCHITECTURE . ISTYPE ST IS (s0，s1，s
7、2，s3); SIGNAL current_state, next_state: ST; .,3.组合进程,在时钟信号的作用下，负责状态的转换。,4.辅助进程,根据输入信号和当前状态的取值（current_state）确定下一状态（next_state）的取值，确定输出或产生内部其它组合进程或时序进程所需的控制信号。,配合时序进程或组合进程工作的数据锁存器等进程。,有限状态机的程序构成,用户自定义数据类型定义语句,TYPE语句用法如下：TYPE 数据类型名 IS 数据类型定义 OF 基本数据类型 ; 或 TYPE 数据类型名 IS 数据类型定义 ;,以下列出了两种不同的定义方式：TYPE st
8、1 IS ARRAY ( 0 TO 15 ) OF STD_LOGIC ;TYPE week IS (sun，mon，tue，wed，thu，fri，sat) ;,TYPE m_state IS ( st0，st1，st2，st3，st4，st5 ) ;SIGNAL present_state，next_state : m_state ;,布尔数据类型的定义语句是：TYPE BOOLEAN IS （FALSE，TRUE） ；,TYPE my_logic IS ( 1 ，Z ，U ，0 ) ;SIGNAL s1 : my_logic ;s1 = Z ;,状态机的设计举例,例子：设计一个二进制序列
9、检测器，当检测到10110序列时，就输出1(一个时钟周期的脉冲)。其他情况下输出0。规定检测到一次之后，检测器复位到最初始的状态，重新从头检测。如下所示：,输入：01101101101100,输出：00000001000001,状态转换图设计（Moore）,1,0,1,1,0,S0/0,S1/0,S2/0,S3/0,S4/0,S5/1,Reset,1,1,0,0,1,1,0,1,0,0,1,0,1,0,1,1,0,s1,s2,s3,s4,s5,s0,问题1：如何保证状态机在初始时状态为s0？,问题2：在状态机跑飞，即脱离有效状态(s0s5)时，如何使状态机能恢复工作,Sx/0,波形,波形如下图
10、所示,问题：如果需要将输出脉冲往前推一个时钟周期，该如何修改设计？,1,0,1,1,0,1,0,1,1,0,s1,s2,s3,s4,s5,s0,输入,时钟,输出,当前状态,发现当当前壮态为s4，并且输入为0时，输出为1。,状态转换图设计(Mealy),S0,S1,S2,S3,S4,S5,Reset,1,0,0,1,1,0,1,0,0,1,0,1,sX,/0,/0,/0,/0,/0,/0,/0,/0,/0,/1,/0,/0,1,0,1,1,0,1,0,1,1,0,s1,s2,s3,s4,s5,s0,/0,0/1,s0,状态机的代码实现,状态定义 Architecture rtl of Syn i
11、s - 其他信号定义。 Type SynFsmState is ( s0, s1, s2, s3, s4, s5); Signal SynCst, SynNst : SynFsmState; Begin - 结构体。 End rtl;,状态机的代码实现,状态寄存器进程描述,状态 寄存器,输出 译码,下一状 态译码,clk,状态机的代码实现,状态寄存器进程描述,状态 寄存器,输出 译码,下一状 态译码,当前状态,输出,下一状态,输入,时钟clk,状态寄存器进程描述,Process( clk, Reset ) Begin if( Reset = 1 ) then SynCst = S0; - 初始
12、状态。elsif( clkevent and clk = 1 ) thenSynCst when s1 =,when s5 =End case; End process;,if( din = 1 ) then SynNst = s1;else SynNst SynNst when s1 =,when s5 =when others =End case; End process;,Moore,Mealy,Dout = 0;,Dout = 0;,Dout n2 设为状态s2；输出为y=10； n1 n2 设为状态s3；输出为y=01； 输入有四种情况, 分别为00，01，10，11。,1 双进程有
13、限状态机描述如下：LIBRARY IEEE； USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；entity state is port ( n1, n2, clk: in std_logic;y: out std_logic_vector(1 downto 0);end state;,architecture stamach of state is type statype is (s1, s2, s3); -自定义statype类型signal present_state , next_state : statype; signal n: std_logic_vector(1 downto 0);beginn y=”00”; -现态为s1时,输出”00”if (n=”10”) then next_state=s2; -输入为”10”,次态为s2elsif (n=”01”) then next_state=s3; -输入为”01”,次态为s3else next_state=s1; end if;,
