有限状态机(Finite State Machine )
1、有限状态机的基本概念
有限状态机是指输出取决于过去输入部分和当前输入部分的时序逻辑电路。在数字电路系统中，有限状态机时一种十分重要的时序逻辑电路模块，它对数字系统的设计具有十分重要的作用。有限状态机一般用来描述数字数字系统的控制单元，是许多数字系统的核心部件。有限状态机由组合逻辑和寄存器逻辑组成。其中，寄存器逻辑的功能是存储有限状态机的内部状态；而组合逻辑有可以分为次态逻辑和输出逻辑两部分，次态逻辑的功能是确定有限状态机的下一个状态，输出逻辑的功能是确定有限状态机的输出。
在实际的应用中，根据有限状态机是否使用输入信号，设计人员经常将其分为Moore型有限状态机和Mealy型有限状态机两种类型。
⑴Moore型有限状态机其输出信号仅与当前状态有关，即可以把Moore型有限状态的输出看成是当前状态的函数。其结构框图如图1.
图1 Moore型有限状态机的结构
⑵Mealy型有限状态机其输出信号不仅与当前状态有关，而且还与所有的输入信号有关，即可以把Mealy型有限状态机的输出看成是当前状态和所有输入信号的函数。其结构框图如图2.
图2 Mealy型有限状态机的结构
这两种有限状态机的主要区别在于：Moore型有限状态机仅与当前状态有关，而与输入信号无关。Mealy型有限状态机不但与当前状态有关，还与输入信号有关。
2、为什么要使用有限状态机
? 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。
3、描述有限状态机应该包含的内容
⑴至少包含一个状态信号，用来指定状态机的状态。
⑵时钟信号，为有限状态机的状态转换提供时钟信号。
⑶状态转移指定，用于指定有限状态机的状态之间转换的逻辑关系。
⑷输出指定，用来指明有限状态机两状态之间转换的结果。
⑸复位信号，用于有限状态机从任意状态到复位状态的转换。
4、有限状态机的描述方法
一般描述有限状态机应遵循一定的语法规则：
状态机的状态：用枚举类型数据进行定义。
状态机的次态逻辑、输出逻辑和状态寄存器等一般用并行信号赋值语句、IF语句或CASE 语句等语句进行描述。
有限状态机的各种描述风格
描述风格功能划分进程数
A 1、次态逻辑、状态寄存器、输出逻辑1
B 1、次态逻辑、状态寄存器2、输出逻辑2
C 1、次态逻辑2、状态寄存器、输出逻辑2
D 1、次态逻辑、输出逻辑2、状态寄存器2
E 1、状态逻辑2、状态寄存器3、输出逻辑3
有限状态机各种描述风格对逻辑综合的结果影响很大，一般地，时序逻辑电路与组合逻辑电路分别用不同的进程进行描述，综合后不会生成多余的寄存器，占用硬件资源输省;若把时序逻辑电路与组合逻辑电路混合在同一个进程描述，逻辑综合时，可能生成数目较多的多余寄存器，占用硬件资源会大大增加。
5、用VHDL设计状态机的具体步骤
⑴根据具体的状态机设计要求，确定选择Moore型状态机还是选择Mealy型状态机。
⑵根据系统要求确定状态数量、状态转移的条件和各状态输出信号的赋值，并画出状态转移图或状态转换表；
⑶根据状态转移图或状态转换表编写状态机的VHDL程序；
⑷利用EDA工具对状态机的功能进行仿真验证。
6、一般状态机的VHDL设计
用VHDL设计有限状态机方法有多种，但最一般和最常用的状态机设计通常包括说明部分，主控时序部分，主控组合部分和辅助进程部分。
1) 说明部分
说明部分中使用TYPE语句定义新的数据类型，此数据类型为枚举型，其元素通常都用状态机的状态名来定义。状态变量定义为信号，便于信息传递，并将状态变量的数据类型定义为含有既定状态元素的新定义的数据类型。说明部分一般放在结构体的ARCHITECTURE和BEGIN之间。
2) 主控时序进程
主控时序进程是指负责状态机运转和在时钟驱动正负现状态机转换的进程。状态机随外部时钟信号以同步方式工作，当时钟的有效跳变到来时，时序进程将代表次态的信号next_state 中的内容送入现态信号current_state中，而next_state中的内容完全由其他进程根据实际情况而定，此进程中往往也包括一些清零或置位的控制信号。
3) 主控组合进程
根据外部输入的控制信号（包括来自外部的和状态机内容的非主控进程的信号）或（和）当前状态值确定下一状态next_state的取值内容，以及对外或对内部其他进程输出控制信号的内容。
4) 辅助进程
用于配合状态机工作的组合、时序进程或配合状态机工作的其他时序进程。在一般状态机的设计过程中，为了能获得可综合的，高效的VHDL状态机描述，建议使用枚举类数据类型来定义状态机的状态，并使用多进程方式来描述状态机的内部逻辑。例如可使用两个进程来描述，—个进程描述时序逻辑，包括状态寄存器的工作和寄存器状态的输出，另一个进程描述组合逻辑，包括进程间状态值的传递逻辑以及状态转换值的输出。必要时还可以引入第三个进程完成其它的逻辑功能。
下例描述的状态机由两个主控进程构成，其中进程REG为主控时序进程，COM为主控组合进程。
[例]
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY s_machine IS
PORT (clk, reset: IN STD_LOGIC;
State_inputs: IN STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 1);
comb_outputs: OUT STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 1));
END ENTITY s_machine;
ARCHITECTURE behv OF s_machine IS
TYPE states IS (st0,st1,st2,st3);--定义states为枚举型数据类型
SIGNAL current_state, next_state : states;
BEGIN
REG: PROCESS (reset, clk) --时序逻辑进程
BEGIN
IF reset='1' THEN--异步复位
Current_state<=st0;
ELSIF clk='1' AND clk'EVENT THEN
current_state<=next_state; --当检测到时钟上升沿时转换至下一状态
END IF;
END PROCESS; --由信号current_state将当前状态值带出此进程，进入进程COM COM: PROCESS(current_state, state_Inputs) --组合逻辑进程
BEGIN
CASE current_state IS -- 确定当前状态的状态值
WHEN st0 =>comb_outputs <= "00"; --初始状态译码输出"00"
IF state_inputs="00" THEN --根据外部的状态控制输入"00"
next_state<=st0; --在下一时钟后，进程REG的状态将维持为st0
ELSE
next_state<=st1; --否则，在下一时钟后，进程REG的状态将为st1
END IF;
WHEN st1=> comb_outputs<="01"; --对应状态st1的译码输出"01"
IF state_inputs="00" THEN --根据外部的状态控制输人"00"
next_state<=st1; --在下一时钟后，进程REG的状态将维持为st1
ELSE
next_state<=st2; -- 否则，在下一时钟后，进程REG的状态将为st2
END IF;
WHEN st2=> comb_outputs<="10"; --以下依次类推
IF state_inputs="11" THEN
next_state<=st2;
ELSE
next_state<=st3;
END IF;
WHEN st3=>comb_outputs<="11";
IF state_inputs="11" THEN
next_state<=st3;
ELSE
next_state<=st0;
END IF;
END CASE;
END PROCESS;
END ARCHITECTURE behv;
图3为上述状态机的工作时序图。reset为异步复位信号，低电平有效，而clk为上升沿有效。如在第3个脉冲上升沿到来时current_state=“st0”，state_inputs＝“01”，输出comb_outputs=“01”。第4个脉冲上升沿到来时current_state=“st1”，state_inputs＝“00”，输出comb_outputs=“01”。综合后的RTL图如图4所示。
图3 上例中状态机的工作时序图
图4上例中状态机的RTL图
一般来说，程序的不同进程间是并行运行的，但由于敏感信号设置的不同和电路的延迟，在时序上进程间的动作是有先后的。如对上例中的状态转换行为来说，有进程REG和COM，它们的敏感信号表分别为（reset,clk）和（current_state,state_inputs），在clk上升沿到来时，进程REG将首先运行，完成状态转换的赋值操作。如果外部控制信号state_inputs不变，只有当来自进程REG的信号current_state改变时，进程COM才开始动作，并将根据current_state 和state_inputs的值来决定下一有效时钟沿到来后，进程REG的状态转换方向。这个状态机的两位组合逻辑输出comb_outputs是对当前状态的译码。我们可以通过这个输出值来了解状态机内部的运行情况，同时还可以利用外部控制信号state_inputs任意改变状态机的状态变化模式。
注意：在上例中，有两个信号起到了互反馈的作用，完成了两个进程间的信息传递的功能，这两个信号分别是current_state〔进程REG－>进程COM)和next_state(进程COM－>进程REG)。
在VHDL中可以有两种方式来创建反馈机制：即使用信号的方式和使用变量的方式。通常倾向于使用信号的方式（如例7.1）。一般而言，在进程中使用变量传递数据，然后使用信号将数据带出进程。在设计过程中，如果希望输出的信号具有寄存器锁存功能，则需要为此输出写第3个进程，并把clk和reset信号放入敏感信号表中。但必须注意避免由于寄存器的引入而创建了不必要的异步反馈路径。根据VHDL综合器的规则，对于所有可能的输入条件，如果进程中的输出信号没有被明确的赋值时，此信号将自动被指定，即在未列出的条件下保持原值，这就意味着引入了寄存器。因此，我们在程序的综合过程中，应密切注意VHDL 综合器给出的警告信息，并根据警告信息对程序作必要的修改。
1.#include
11. parent(char* expr); 12.virtual parent* transition() {} 13.}; 14. 15.parent::parent(char* expr) 16.{ 17. expression = new char[strlen(expr)]; 18. strcpy(expression,expr); 19. end_state = 0; 20. doom_state = 0; 21. index = 0; 22.} 23. 24.struct state1:public parent 25.{ 26. parent *ptr2,*ptr3,*ptr4,*ptr5; 27. state1():parent(expression) {} 28. parent* transition(); 29.}; 30. 31.struct state2:public parent 32.{ 33. parent *ptr2; 34. state2():parent(expression) {} 35. parent* transition(); 36.}; 37. 38.struct state3:public parent 39.{ 40. parent *ptr3,*ptr4; 41. state3():parent(expression) {} 42. parent* transition(); 43.}; 44. 45.struct state4:public parent 46.{ 47. parent *ptr4; 48. state4():parent(expression) {} 49. parent* transition(); 50.}; 51. 52.struct state5:public parent 53.{ 54. parent *ptr2,*ptr4,*ptr5;
实验四有限状态机设计(2学时) 实验内容一： 状态机是指用输入信号和电路状态（状态变量）的逻辑函数去描述时序逻辑电路功能的方法，也叫时序机。有限状态机是指在设计电路中加入一定的限制条件，一般用来实现数字系统设计中的控制部分。 根据时序电路输出信号的特点可将时序电路划为Mealy 型和Moore 型两种。Moore型电路中，输出信号仅仅取决于存储电路的状态。Mealy型电路中，输出信号不仅取决于存储电路的状态，而且还取决于输入变量。图1是某Mealy型电路的状态转换图，图中圆圈内的S0、S1等代表电路的状态，状态转换箭头旁斜杠“/”上边的数字代表输入信号，斜杠“/”下边的数字代表输出信号。假设电路的当前状态为S0，当输入信号为0时，电路的下一个状态仍为S0，输出信号为0；当输入信号为1时，电路的下一个状态为S1，输出为1。 图1 Mealy状态机 下面的程序中使用两个进程来描述该状态机。第一个进程负责状态转化，在CP上升沿到达时，当前状态（PresetState）向下一个状态（NextState）的转换；第二个进程负责检测输入信号（DIN）和当前状态（PresetState）的值，并由CASE-WHEN 语句决定输出信号（OP）和下一个状态值（NextState）的值。请补充下图中虚线“…”部分省略掉的程序，然后对完整程序进行编译，并用Tools->Netlist Views->State Machine Viewer和RTL Viewer工具查看该状态机的状态图和RTL顶层图。
… … 实验内容二： 论文《基于VHDL的一个简单Mealy状态机》中设计了一个Mealy状态机用来检测数据流“1101010”，用以验证状态机在数据检测上的应用。请在读懂文中程序的基础上，在Quartus Ⅱ软件中通过编译仿真得到状态图和波形图，仿真中输入波形的设置应能体现该状态机的用途。 实验报告： 本次实验占用两个学时，请于12周周四(5月12日)上课时交实验报告。对于实验内容一，报告的内容应重在程序的完善上，对于实验内容二，报告的内容应重在对论文中源程序的分析和理解，以及仿真的波形图上。
第四章程控数字交换系统的软件 4.1.1 程控交换软件的基本特点 程控交换软件的基本特点是：实时性强、具有并发性、适应性强、可靠性和可维护性要求高。 一、实时性强。 2、在正常的情况下，实时性要求最为严格的是信号接受及信号处理程序。（微秒级） 3、相对而言，对时间要求最不严格的是运行管理功能。（秒级） 二、并发性和多道程序运行 1、并发性就是在同一时间内执行多道程序。 2、采用多道程序运行，可以使处理机在一段时间内同时保持若干进程处于激活状态 3、不同用户启动的呼叫处理进程实例可使用同一个程序代码，各进程实例的差别仅在于它们所处理的数据不同。 4、多个进程实例共用一个程序代码。 三、可靠性要求高 1、可靠性指标是99.98%的正确呼叫处理及40年内系统中断运行时间不超过两小时. 2、提高可靠性的措施有：（1）、对关键设备（如中央处理机、交换网络）采用冗余配置；（2）、采用各种措施及时发现已出现的错误，在交换机软、硬件出现故障时，迅速确定故障性质及其所在，如为硬件故障，则隔离故障部件，调用备用设备重新组成可工作的硬件系统，如为软件故障，则采用程序段的重新执行或再启动，予以恢复。 四、能方便地适应交换机的各种条件 1、为了使交换机能适应不同交换局对交换机的具体要求，在交换机软件的设计中普遍采用参数化技术，使描述处理逻辑大程序部分与给予处理参量的数据部分分离。 2、可用局数据和用户数据来适应不同的局条件。 五、软件的可维护性要求高 采用模块化、结构化设计方法，采用数据驱动程序结构，在编程时尽量采用有意义的标识符常数，建立完备、清晰的文档资料，把易随硬件更新、扩充而变化的软件部分相分离，采用虚拟机层次结构等，都有助于提高软件的可维护性。 4.1.2 程控设计的基本技术 交换机软件的设计中，普遍采用了自顶向下、模块化、层次化、参数化、数据驱动程序、有限状态模型等基本设计技术和概念。 一、自顶向下设计和模块化。 1、系统---子系统----功能块----功能模块 2、自顶向下设计的一个重要特征是对分解中的每一级而言，低一级的设计细节是“隐藏的”，只需确定各模块间的数据接口。 3、一个好的模块设计，应使得模块内部的关联性要强，模块间的关连性要弱，保证各模块的独立性。 二、层次结构和虚拟机概念 1、层次结构中，各层之间只有单向依赖关系。 2、一个硬件模块、被一层或多层软件包围，这些硬件和软件共同组成一个虚拟机。 3、软件层次越多，则虚拟机显示的功能就越强。 三、参数化 1、参数化技术就是在编制程序时对于程序中要用到的半固定数据（如描述交换机容量、硬件配置、路由组织、中继信令方式等方面的数据）暂不赋值，而是用参数来代替它们，仅在为每一台交换机安装时，根据交换局的要求再来确定这些参数的具体数值。 2、一般将这些参数的具体数值称为局数据和用户数据。 四、数据驱动程序 1、数据驱动程序，就是根据一些参数查表来决定需要启动的程序。
有限状态机设计 实验报告 一．实验题目 有机状态机设计 二．实验目的 掌握有机状态机设计的基本方法。 三．实验远离 状态机是指用输入信号和电路状态（状态变量）的逻辑函数去描述时序逻辑电路功能的方法，也叫时序机。有限状态机是指在设计电路中加入一定的限制条件，一般用来实现数字系统设计中的控制部分。 四．实验内容
实验内容一： 状态机是指用输入信号和电路状态（状态变量）的逻辑函数去描述时序逻辑电路功能的方法，也叫时序机。有限状态机是指在设计电路中加入一定的限制条件，一般用来实现数字系统设计中的控制部分。 根据时序电路输出信号的特点可将时序电路划为Mealy 型和Moore 型两种。Moore型电路中，输出信号仅仅取决于存储电路的状态。Mealy型电路中，输出信号不仅取决于存储电路的状态，而且还取决于输入变量。图1是某Mealy型电路的状态转换图，图中圆圈内的S0、S1等代表电路的状态，状态转换箭头旁斜杠“/”上边的数字代表输入信号，斜杠“/”下边的数字代表输出信号。假设电路的当前状态为S0，当输入信号为0时，电路的下一个状态仍为S0，输出信号为0；当输入信号为1时，电路的下一个状态为S1，输出为1。 图1 Mealy状态机 下面的程序中使用两个进程来描述该状态机。第一个进程负责状态转化，在CP上升沿到达时，当前状态（PresetState）向下一个状态（NextState）的转换；第二个进程负责检测输入信号（DIN）和当前状态（PresetState）的值，并由CASE-WHEN 语句决定输出信号（OP）和下一个状态值（NextState）的值。请补充下图中虚线“…”部分省略掉的程序，然后对完整程序进行编译，并用Tools->Netlist Views->State Machine Viewer和RTL Viewer工具查看该状态机的状态转移图和RTL原理图。
有限状态机(Finite State Machine ) 1、有限状态机的基本概念 有限状态机是指输出取决于过去输入部分和当前输入部分的时序逻辑电路。在数字电路系统中，有限状态机时一种十分重要的时序逻辑电路模块，它对数字系统的设计具有十分重要的作用。有限状态机一般用来描述数字数字系统的控制单元，是许多数字系统的核心部件。有限状态机由组合逻辑和寄存器逻辑组成。其中，寄存器逻辑的功能是存储有限状态机的内部状态；而组合逻辑有可以分为次态逻辑和输出逻辑两部分，次态逻辑的功能是确定有限状态机的下一个状态，输出逻辑的功能是确定有限状态机的输出。 在实际的应用中，根据有限状态机是否使用输入信号，设计人员经常将其分为Moore型有限状态机和Mealy型有限状态机两种类型。 ⑴Moore型有限状态机其输出信号仅与当前状态有关，即可以把Moore型有限状态的输出看成是当前状态的函数。其结构框图如图1. 图1 Moore型有限状态机的结构 ⑵Mealy型有限状态机其输出信号不仅与当前状态有关，而且还与所有的输入信号有关，即可以把Mealy型有限状态机的输出看成是当前状态和所有输入信号的函数。其结构框图如图2. 图2 Mealy型有限状态机的结构 这两种有限状态机的主要区别在于：Moore型有限状态机仅与当前状态有关，而与输入信号无关。Mealy型有限状态机不但与当前状态有关，还与输入信号有关。 2、为什么要使用有限状态机 ? 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。 3、描述有限状态机应该包含的内容 ⑴至少包含一个状态信号，用来指定状态机的状态。 ⑵时钟信号，为有限状态机的状态转换提供时钟信号。 ⑶状态转移指定，用于指定有限状态机的状态之间转换的逻辑关系。 ⑷输出指定，用来指明有限状态机两状态之间转换的结果。 ⑸复位信号，用于有限状态机从任意状态到复位状态的转换。 4、有限状态机的描述方法 一般描述有限状态机应遵循一定的语法规则： 状态机的状态：用枚举类型数据进行定义。 状态机的次态逻辑、输出逻辑和状态寄存器等一般用并行信号赋值语句、IF语句或CASE 语句等语句进行描述。 有限状态机的各种描述风格 描述风格功能划分进程数 A 1、次态逻辑、状态寄存器、输出逻辑1
第7章状态机及其VHDL设计 内容提要：有限状态机（Finite State Machine，简称FSM）是一类很重要的时序电路，是许多数字系统的核心部件，也是实时系统设计中的一种数学模型，是一种重要的、易于建立的、应用比较广泛的、以描述控制特性为主的建模方法，它可以应用于从系统分析到设计的所有阶段。有限状态机的优点在于简单易用，状态间的关系清晰直观。建立有限状态机主要有两种方法：“状态转移图”和“状态转移表”。标准状态机通常可分为Moore和Mealy两种类型。本章主要介绍了基于VHDL的常见有限状态机的类型、结构、功能及表达方法，重点是如何有效地设计与实现。 学习要求：了解状态机的基本结构、功能和分类，掌握有限状态机的一般设计思路与方法、状态机编码方案的恰当选取、Moore和Mealy状态机的本质区别及设计实现。 关键词：状态机(State Machine)，Moore，Mealy，VHDL设计(VHDL Design) 状态机的基本结构和功能 一般状态机的VHDL设计 状态机的一般组成 状态机的编码方案 摩尔状态机的VHDL设计 米立状态机的VHDL设计 状态机的基本结构和功能 状态机的基本结构如图所示。除了输人信号、输出信号外，状态机还包含一组寄存器记忆状态机的内部状态。状态机寄存器的下一个状态及输出，不仅同输入信号有关，而且还与寄存器的当前状态有关，状态机可以认为是组合逻辑和寄存器逻辑的特殊组合。它包括两个主要部分：即组合逻辑部分和寄存器。组合逻辑部分又可分为状态译码器和输出译码器，状态译码器确定状态机的下一个状态，即确定状态机的激励方程，输出译码器确定状态机的输出，即确定状态机的输出方程。寄存器用于存储状态机的内部状态。 状态机的基本操作有两种： 1．状态机的内部状态转换。 状态机经历一系列状态，下一状态由状态译码器根据当前状态和输入条件决定。2．产生输出信号序列。
利用有限状态机进行时序逻辑的设计 1. 实验目的： （1）掌握利用有限状态机实现一般时序逻辑分析的方法； （2）掌握用Verilog编写可综合的有限状态机的标准模板； （3）掌握用Verilog编写状态机模块的测试文件的一般方法。 （4）在数字电路中已经学习过通过建立有限状态机来进行数字逻辑的设计，而在VerilogHDL硬件描述语言中，这种设计方法得到进一步的发展。通过Verilog HDL提供的语句，可以直观的设计出更为复杂的时序逻辑的电路。关于有限状态机的设计方法在教材中已经作了较为详细的阐述。 2.实验环境 PC机一台，安装有quartusII13.0软件以及modulsim软件 3.实验内容 设计一个简单的状态机，功能是检测一个5位二进制序列“10010”。考虑到序列重叠的可能。有限状态机共提供8个状态（包括初始状态IDLE）. 4.实验步骤 1) 源程序： module seqdet(x,z,clk,rst,state); input x,clk ,rst ;
output z; output [2:0] state ; reg[2:0] state ; wire z; parameter IDLE='d0, A='d1, B='d2, C='d3, D='d4, E='d5, F='d6, G='d7; assign z=(state == E && x==0)?1:0; always @(posedge clk) if(!rst) begin state <= IDLE; end else casex(state) IDLE:if(x==1)
实验七有限状态机设计 一、实验目的 1、掌握利用有限状态机实现一般时序逻辑分析的方法； 2、掌握用VHDL或Verilog编写可综合的有限状态机的标准模板； 3、掌握用VHDL或Verilog编写序列检测器以及其他复杂逻辑电路的设计； 二、实验内容 1、用MOORE型状态机设计一个具有双向步进电动机控制实验：该控制电路有三个输入信号：clk时钟信号，clr复位信号，dir方向控制信号。输出信号为phase[3..0]用来控制步进电机的动作。当dir=1时要求phase[3..0]按照“0001”，“0010”，“0100”，“1000”的顺序变化；当dir=0时要求phase[3..0]按照“0001”，“1000”，“0100”，“0010”的顺序变化。 2、设计一个简单的状态机，功能是检测一个5位的二进制序列“10010”。 3、设计一个串行数据检测器，要求是：连续4个或4个以上为1时输出为1，其他输入情况为0。（选做） 4、根据状态图，写出对应于结构图b，分别由主控组合进程和主控时序进程组成的VERILOG 有限状态机描述。（选做） 三、实验步骤 实验一： 1、建立工程
2、创建Verilog HDL文件 3、输入程序代码并保存 module moore1(clk,clr,dir,phase); input clk,clr,dir; output[3:0] phase; reg[3:0] phase; reg[1:0] state; parameter s0='b00,s1='b01,s2='b10,s3='b11; always@(posedge clk) begin if(clr)begin phase<='b0000;state<=s0;end else begin case(state) s0:if(dir) begin phase<='b0010;state<=s1;end else begin phase<='b1000;state<=s3;end s1:if(dir) begin phase<='b0100;state<=s2;end else begin phase<='b0001;state<=s0;end s2:if(dir) begin phase<='b1000;state<=s3;end
如何设计最优化的状态机 前言：数字电路通常分为组合逻辑电路和时序电路， 组合逻辑电路outputs = F(current inputs) 时序电路outputs = F(current inputs,past inputs) 有限状态机就是时序电路的数学抽象，一个有限状态机系统包括inputs ,outputs, states .状态机分为同步状态机（synchronous）和异步状态机(asynchronous),异步状态机由于输出信号不稳定，所以不详细讨论，对绝大多数设计来说，用的最广泛的是同步状态机。下面主要讨论了同步状态机的设计。 一．状态机的基础知识 1．1. moore状态机和mealy状态机的区别： 2．1．1moore状态机输出只依赖于及其的当前状态，与输入信号无关。这是moore状态机的优点。下面是moore状态机的模型： moore状态机比较容易用数学的方式来分析，因此被更广泛的用在代数状态机理论中（algebraic FSM theory）。 Mealy状态机输出依赖于机器现在的状态和输入的值，如果输入改变，输出可以在一个时钟周期中将发生了改变。其模型如下： 图的说明：state memory :保存现在的状态(current state s(t) ) state transistion function :根据现态和输入x(t),s(t+1)来决定下一个状态。 Output function :根据s(t)和x(t)来决定最后的输出。 Mealy 状态机通常可以有更少的状态变量，因此在工程领域有更为广阔的应用，状态变量越少，则所需的存储单元就越少。
实验三利用有限状态机进行时序逻辑的设计 1.实验目的： （1）掌握利用有限状态机实现一般时序逻辑分析的方法； （2）掌握用Verilog编写可综合的有限状态机的标准模板； （3）掌握用Verilog编写状态机模块的测试文件的一般方法。 （4）在数字电路中已经学习过通过建立有限状态机来进行数字逻辑的设计，而在VerilogHDL硬件描述语言中，这种设计方法得到进一步的发展。通过Verilog HDL提供的语句，可以直观的设计出更为复杂的时序逻辑的电路。关于有限状态机的设计方法在教材中已经作了较为详细的阐述。 2.实验环境 PC机一台，安装有quartusII13.0软件以及modulsim软件 3.实验内容 设计一个简单的状态机，功能是检测一个5位二进制序列“10010”。考虑到序列重叠的可能。有限状态机共提供8个状态（包括初始状态IDLE）. 4.实验步骤 1)源程序： module seqdet(x,z,clk,rst,state); input x,clk ,rst ; output z; output [2:0] state ; reg[2:0] state ; wire z; parameter IDLE='d0, A='d1, B='d2, C='d3, D='d4, E='d5, F='d6, G='d7; assign z=(state == E && x==0)?1:0; always @(posedge clk) if(!rst) begin state <= IDLE; end else casex(state) IDLE:if(x==1) begin state <= A; end A: if(x==0) begin state <= B; end B: if(x==0) begin state <= C; end else begin state <= F; end C: if(x==1) begin state <= D; end else begin
Digital System Design 大部分数字系统都可以划分为控制单元和数据单元（存储单元）两个组成部分，通常，控制单元的主体是一个状态机，它接收外部信号以及数据单元产生的状态信息，产生控制信号序列。 1 2011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of Technology
Digital System Design 有限状态机特别适合描述那些发生有先后顺序或者有逻辑规律的事情（其实这就是状态机的本质）。状态机的本质就是对具有逻辑顺序或时序规律事件的一种描述方法，即“逻辑顺序”和“时序规律”就是状态机所要描述的核心和强项，换言之，所有具有逻辑顺序和时序规律的事情都适合用状态机来描述。 2 2011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of Technology
Digital System Design 1、基本概念 有限状态机（Finite State Machine，FSM）是表示实现有限个离散状态及其状态之间的转移等行为动作的数学模型。（关注Matlab的Stateflow） （1）状态：也叫状态变量。在逻辑设计中，使用状态划分逻辑顺序和时序规律。 状态名称、状态编码、进入/退出操作、内部转移、子状态、延迟事件 3 2011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of Technology
Digital System Design （2）转移：指两个状态之间的关系，表示当发生指定事件且满足指定条件时，第一个状态中的对象将执行某些操作并进入第二个状态，即“触发”了转移。将触发转移之前的状态定义为“源”状态（初始状态），而触发转移之后的状态定义为“目标”状态（次态）。 初始状态、转移条件、警戒条件、转移操作、目标状态 4 2011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of Technology
状态机设计 简介 状态机的设计被广泛地用于时序控制逻辑中，它是许多数字系统的核心。状态机可以应付众多应用场合的需求，覆盖宽范围的性能和复杂度；例如微处理器与VLSI外围接口的低级别控制，常规微处理器中的总线裁决和时序产生，定制的位片微处理器，数据加密和解密，传输协议等。 通常在设计周期中，控制逻辑的细节安排在最后处理，因为系统需求的改变和特征的增强会对其造成影响。对于控制逻辑设计，可编程逻辑是一个很宽松的解决方案，因为它允许简单的修改而不必扰乱PCB板布局。其灵活性提供了在不影响市场化时间的前提下，允许设计改动的机会。大多数带寄存器的PAL器件应用都是需要使用状态机设计技术的时序控制逻辑。随着技术的发展，新的高速、高性能的器件不断出现，它们简化了状态机设计的任务。对于状态机设计，宽范围的不同功能与性能的解决方案是可行的。在本次讨论中，我们将检验状态机执行的功能，它们在多种器件中的实现，以及它们的选择。 什么是状态机？ 状态机是一个以有序的方式，遍历预定的状态序列的数字设备。状态是在电路的不同部分，测量到的一组数值。一个简单状态机可以由以下几部分构成：基于PAL器件的组合逻辑，输出寄存器和状态寄存器。这样一个序列发生器中的状态由状态寄存器和/或输出寄存器中所存储的值来决定。 状态机的通用形式可以用图1所示的设备来描述。除了这一设备的输入和输出，状态机还有两个必需的组成元件：组合逻辑和存储器（寄存器）。这类似于前面所讨论的带寄存器的记数器设计，它们本质上就是简单的状态机。存储器用来存储状态机的状态，组合逻辑可以看成两个截然不同的功能模块：下一状态解码器和输出解码器（图2）。当输出解码器产生实际的输出时，下一状态解码器决定状态机的下一状态。尽管它们执行截然不同的两个功能，但是它们通常被组合成如图1所示的组合逻辑阵列。 状态机的基本操作有两部分： 1、状态机遍历状态序列，下一状态解码器基于当前状态和输入条件来决定下一状态。
集成电路实验 状态机设计实验报告 专业：电子信息工程 姓名：江燕婷 学号：2011301200025
状态机设计（实验五）实验报告 一．实验目的 1. 掌握状态机设计的基本方法 2.学习利用状态机的方法实现控制电路 二．实验原理 有限状态机（Finite State Machine FSM）是时序电路设计中经常采用的一种方式，尤其适合设计数字系统的控制模块，在一些需要控制高速器件的场合，用状态机进行设计是一种很好的解决问题的方案，具有速度快、结构简单、可靠性高等优点。有限状态机非常适合用FPGA器件实现，用Verilog HDL的case 语句能很好地描述基于状态机的设计，再通过EDA工具软件的综合，一般可以生成性能极优的状态机电路，从而使其在执行时间、运行速度和占用资源等方面优于用CPU实现的方案。 有限状态机一般包括组合逻辑和寄存器逻辑两部分，寄存器逻辑用于存储状态，组合逻辑用于状态译码和产生输出信号。根据输出信号产生方法的不同，状态机可分为两类：米里型(Mealy)和摩尔型(Moore)。摩尔型状态机的输出只是当前状态的函数，如图1-1所示；米里型状态机的输出则是当前状态和当前输入的函数，如图1-2所示。米里型状态机的输出是在输入变化后立即变化的，不依赖时钟信号的同步，摩尔型状态机的输入发生变化时还需要等待时钟的到来，必须在状态发生变化时才会导致输出的变化，因此比米里型状态机要多等待一个时钟周期。 图1-1 摩尔型状态机图1-2 米里型状态机 状态机在硬件描述语言实现上，可使用单过程、双过程或三过程等不同的结构实现。状态机的状态实现上，可采用符号编码或显式数字编码。编码方式有顺序编码（自然二进制编码），一位热码（one－hot encoding），格雷（gray code）码等。顺序编码，简单状态寄存器占用少；一位热码输出译码电路简单；在状态顺序变化时，格雷码每次只有一位变化，避免产生输出信号毛刺。
贴1 状态机的编码 a.状态机的编码。Biary、gray-code编码使用最少的触发器，较多的组合 逻辑。而one-hot编码反之。由于CPLD更多的提供组合逻辑资源，而FPGA更多的提供触发器资源，所以CPLD多使用gray-code，而FPGA多使用one-hot编码。另一方面，对于小型设计使用gray-code和binary编码更有效，而大型状态机使用one-hot更高效。 b.在代码中添加综合器的综合约束属性或者在图形界面下设置综合约束属性可以比较方便的改变状态的编码。 如VHDL的示例： Synplicity: attribute syn_encoding : string; attribute syn_encoding of
1.什么是有限状态机 有限状态机，常常被称作FSM（Finite State Machine），多年来已经作为人工智能编程者们选用的工具用于设计具有智能幻觉的游戏智能体。你会发现从视频游戏的早期开始，这种或那种FSM正是每个游戏所选中的架构；尽管更专业的智能体结构越来越普及，但FSM架构还将在今后很长时间内无处不在。为何会这样？原因如下： ●编程快速简单。有很多方法编码一个有限状态机，并且几乎所有的有限状态机实现 都相当的简单。 ●易于调试。因为一个游戏智能体的行为被分解成简单的易于管理的块，如果一个智 能体开始变得行动怪异，会通过对每一个状态增加跟踪代码来调试它。用这种方法， 人工智能程序员可以很容易跟踪错误行为出现前的事件序列，并且采取相应的行动。 ●很少的计算开销。有限状态机几乎不占用珍贵的处理器时间，因为它们本质上遵守 硬件编码的规则。除了if-this-then-that类型的思考处理之外，是不存在真正的“思 考”的。 ●直觉性。人们总是自然地把事物思考为处在一种或另一种状态。并且我们也常常提 到我们自己处在这样那样的状态中。有多少次你“使自己进入一种状态”或者发现 自己处于“头脑的正确状态”，当然人类并不是像有限状态机一样工作，但是有时 候我们发现在这种方式下考虑我们的行为是有用的。相似地，将一个游戏智能体的 行为分解成一些状态并且创建需要的规则来操作它们是相当容易的。出于同样的原 因，有限状态机能够使你很容易地与非程序员（例如与游戏制片人和关卡设计师） 来讨论你的人工智能的设计，能够更好地进行设计概念的沟通和交流。 ●灵活性。一个游戏智能体的有限状态机可以很容易地由程序员进行调整，来达到游 戏设计者所要求的行为。同样通过增添新的状态和规则也很容易扩展个智能体的行 为的范围。此外，当你的人工智能技术提高了，你会发现有限状态机提供了一个坚 固的支柱，使你可以用它来组合其他的技术，例如模糊逻辑和神经网络。 历史上来说，有限状态机是一个被数学家用来解决问题的严格形式化的设备。最著名的有限状态机可能是艾伦·图灵假想的设备——图灵机，他在1936年论文《关于可计算数字》中写道：这是一个预示着现代可编程计算机的机器，它们可以通过对无限长的磁带上的符号进行读写和擦除操作来进行任何逻辑运算。 幸运的是，作为一个人工智能程序员，我们可以放弃有限状态机的正式的数学定义，一个描述性的定义就足够了： 一个有限状态机是一个设备，或是一个设备模型，具有有限数量的状态，它可以在任何给定的时间根据输入进行操作，使得从一个状态变换到冗一个状态，或者是促使一个输出或者一种行为的发生。一个有限状态机在任何瞬间只能处在一种状态。 因此，有限状态机背后的概念是要把一个对象的行为分解成为易于处理的“块”或状态。例如，在你墙上的灯的开关，是一个非常简单的有限状态机。它有两种状态：开或关。状态之间的变换是通过你手指的输入产生的。向上按开关，产生从关到开的状态变换，向下按开关，产生从开到关的状态变换。 关闭状态没有相关的输出或行动（除非你考虑灯泡不亮也作为一个行动），但是当它处在开状态时，允许电流流过开关并且通过电灯泡罩的灯丝点亮你的房间，见图1。
第五讲状态机设计及其指导原则1/ 38第五讲状态机设计及其指导原则1/ 38制作人：梁瑞宇单位：河海大学制作人：梁瑞宇单位：河海大学第五讲状态机设计及其指导原则 1 状态机是一种设计思想方法2状态机结构 3状态机设计的其他技巧4状态机设计步骤 第五讲状态机设计及其指导原则2/ 38 第五讲状态机设计及其指导原则2/ 38制作人：梁瑞宇单位：河海大学制作人：梁瑞宇单位：河海大学z 状态机是一种设计思想方法 第五讲状态机设计及其指导原则3/ 38 第五讲状态机设计及其指导原则3/ 38制作人：梁瑞宇单位：河海大学制作人：梁瑞宇单位：河海大学原语描述 module noconditional (clk,nrst,state,event);input clk,nrst input state;output event;reg event;reg [2:0] CS; //CurrentState reg [2:0] NS; //NextState parameter [2:0] //one hot with zero idle idle = 3’b000,dorm = 3'b001,diningroom = 3'b010,classroom = 3'b100; 第五讲状态机设计及其指导原则4/ 38第五讲状态机设计及其指导原则4/ 38制作人：梁瑞宇单位：河海大学制作人：梁瑞宇单位：河海大学//sequential state transition always @ (posedge clk or negedge nrst) if (!nrst) CS <= idle; else CS <= NS; //combinational condition judgment always @ (nrst or CS) begin case (CS) idle:idle_task;NS = dorm; dorm:dorm_task;NS = diningroom; diningroom:diningroom_task;NS = classroom;classroom:classroom_task;NS = dorm;default:idle_task;NS = dorm; endcase end endmodule 第五讲状态机设计及其指导原则5/ 38第五讲状态机设计及其指导原则5/ 38制作人：梁瑞宇单位：河海大学制作人：梁瑞宇单位：河海大学第五讲状态机设计及其指导原则6/ 38 第五讲状态机设计及其指导原则6/ 38制作人：梁瑞宇单位：河海大学制作人：梁瑞宇单位：河海大学 状态机的本质--对具有逻辑顺序或时序规律事件的一种描述方法 状态机的两个应用思路：-从状态变量入手-明确电路的输出的关系
实验八：利用有限状态机进行时序逻辑的设计一：利用有限状态机进行时序逻辑的设计的源程序: module seqdet(x,z,clk,rst,state); input x,clk,rst; output z; output[2:0] state; reg[2:0] state; wire z; parameter IDLE='d0, A='d1, B='d2, C='d3, D='d4, E='d5, F='d6, G='d7; assign z = ( state==E && x==0 )? 1 : 0; always @(posedge clk) if(!rst) begin state <= IDLE; end else casex(state) IDLE : if(x==1) begin state <= A; end A: if(x==0) begin state <= B; end B: if(x==0) begin state <= C; end else begin state <= F; end C: if(x==1) begin state <= D; end else begin
state <= G; end D: if(x==0) begin state <= E; end else begin state <= A; end E: if(x==0) begin state <= C; end else begin state <= A; end F: if(x==1) begin state <= A; end else begin state <= B; end G: if(x==1) begin state <= F; end default:state=IDLE; endcase endmodule 二：利用有限状态机进行时序逻辑的设计的测试代码：`timescale 1ns/1ns `include "./seqdet.v" module seqdet_Top; reg clk,rst; reg[23:0] data; wire[2:0] state; wire z,x; assign x=data[23]; always #10 clk = ~clk;
浅谈状态机的设计方法及应用 刘成玉 李明 陈洁 (中国兵器工业第214研究所 蚌埠 233042) 摘 要 有限状态机(Fi n ite S tate M achine ,FS M )是时序电路设计中经常采用的一种方式,尤其适用于设计数字系统的控制模块。有限状态机不是孤立的一个状态,它依赖于输入输出关系,系统需求,编程语言的条件限制以及其他诸多因素。本文主要介绍了有限状态机的原理及实际应用。 关键词 有限状态机(Fi n ite State M achine ,FS M ) 二进制编码(B inary S tate M achine) 格雷编码(Gray Code State M ach i n e) 一位热码编码(One-H ot S tate M ach i n e Encod i n g ) 1 引 言 我们可以把有限状态机(F i n ite State M a ch i n e ,FSM )想象成一个能够接受输入信号的系统,系统内部包含状态寄存器,并且在可能的条件下产生输出信号。在任何特定的时刻,状态机内部所有寄存器的状态和形成这个状态的完整的条件构成了那个时刻的状态(state)。因为状态的个数是有限的,所以称之为有限状态机。 根据输出信号产生方法的不同,状态机可以分为米里型(M ealy )和摩尔型(M oore )两类。M ealy 型状态机输出与当前状态和输入有关,而M oore 型状态机的输出只与当前状态有关。在实际设计工作中,M ealy 型状态机应用较为普遍,而在设计高速电路时,常常把状态变量直接用作输出,以提高运行速度,则M oore 型状态机更为适合。有限状态机的结构如图1所示: 我们可以从图1 中清楚地看出两类状态机的 图1 有限状态机的结构 第25卷第1期 2007年3月 集成电路通讯 JICHENGDIANLU TONGXUN V o.l 25 N o .1 M ar .2007
第7章状态机及其VHDL设计 容提要：有限状态机（Finite State Machine，简称FSM）是一类很重要的时序电路，是许多数字系统的核心部件，也是实时系统设计中的一种数学模型，是一种重要的、易于建立的、应用比较广泛的、以描述控制特性为主的建模方法，它可以应用于从系统分析到设计的所有阶段。有限状态机的优点在于简单易用，状态间的关系清晰直观。建立有限状态机主要有两种方法：“状态转移图”和“状态转移表”。标准状态机通常可分为Moore和Mealy 两种类型。本章主要介绍了基于VHDL的常见有限状态机的类型、结构、功能及表达方法，重点是如何有效地设计与实现。 学习要求：了解状态机的基本结构、功能和分类，掌握有限状态机的一般设计思路与方法、状态机编码方案的恰当选取、Moore和Mealy状态机的本质区别及设计实现。 关键词：状态机(State Machine)，Moore，Mealy，VHDL设计(VHDL Design) 7.1 状态机的基本结构和功能 7.2 一般状态机的VHDL设计 7.2.1 状态机的一般组成 7.2.2 状态机的编码方案 7.3 摩尔状态机的VHDL设计 7.4 米立状态机的VHDL设计 7.1 状态机的基本结构和功能 状态机的基本结构如图7.1所示。除了输人信号、输出信号外，状态机还包含一组寄存器记忆状态机的部状态。状态机寄存器的下一个状态及输出，不仅同输入信号有关，而且还与寄存器的当前状态有关，状态机可以认为是组合逻辑和寄存器逻辑的特殊组合。它包括两个主要部分：即组合逻辑部分和寄存器。组合逻辑部分又可分为状态译码器和输出译码器，状态译码器确定状态机的下一个状态，即确定状态机的激励方程，输出译码器确定状态机的输出，即确定状态机的输出方程。寄存器用于存储状态机的部状态。 状态机的基本操作有两种： 1．状态机的部状态转换。 状态机经历一系列状态，下一状态由状态译码器根据当前状态和输入条件决定。 2．产生输出信号序列。 输出信号由输出译码器根据当前状态和输入条件确定。 用输入信号决定下一状态也称为“转移”。除了转移之外，复杂的状态机还具有重复和历程功能。从一个状态转移到另一状态称为控制定序，而决定下一状态所需的逻辑称为转移函数。