1.什么是有限状态机，Moore机和Mealy机的各自特点和他们之间的区别是什
么？
答：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。Mealy机属于同步输出状态机，他的输出是当前状态和所有输入信号的的函数，其输出会在输出仅为当前状态的函数，与当前输入信号无关。当然，当前状态是和上一时刻时输入信号相关的，当前输入的变化必须等待下一时钟到来使状态发生变化时才能导致输出的变化。因此，Moore机比Mealy机多等待一个时钟周期才会引起输出的变化，由于Mealy机的输出不与时钟同步，当状态译码比较复杂时，易在输出端产生不可避免的毛刺。
********************************************************************* 2.一个复杂的电路可以划分为几个不同的抽象级别：系统级，算法级，寄存器
传输级，逻辑门级，晶体管开关级。
********************************************************************* 3.reg和wire的区别
Reg型变量需要被明确赋值，并且在重新赋值前，一直保持原值，wire对应于连续赋值，如assign,reg对应于过程赋值，如always，initial。
********************************************************************* 4.阻塞和非阻塞的区别
非阻塞赋值在整个过程块结束后才能完成赋值操作，阻塞赋值在该语句结束时就立即完成赋值操作，阻塞语句是顺序执行的，而非阻塞语句是同时执行的。
********************************************************************* 5.举例说明触发器在什么情况下会在综合过程中生成锁存器
在写组合逻辑电路的always块中，， always块中要使用的输入信号在always 后面的敏感信号表中有遗漏，组合逻辑电路设计时不能有反馈。另外一个就是if、else；case语句没有写完全。
********************************************************************* 6.什么是综合？综合包括哪两个阶段，每个阶段的具体功能是什么？
（1）综合是指将HDL语言、原理图等设计输入翻译成由与门，或门，非门，等基本逻辑单元组成的门级连接，并根据设计目标和要求优化所生成的逻辑连接，输出门级网表。
（2）两个阶段，转换和编译。转换阶段综合工具将高层语言描述的电路用门级的逻辑来实现。编译阶段包括优化与映射过程，是综合工具对已有的初始化电路进行分析，去掉电路中的冗余单元并对不满足限制条件的路径进行优化，然后映射到工艺库上
********************************************************************* 7.Initial语句与always语句施加激励
Initial和always是两种基本的过程结构语句，在仿真开始并行执行，被动检测相响应时使用always语句，主动产生激励时使用initial语句。在initial 和always的区别是：initial语句只执行一次，always语句不断重复执行。所以initial多用于给变量，信号付初始值或用于产生测试激励。
*********************************************************************
8.用行为描述方法编写4位全加器？
module adder4(cout,sum,ina,inb,cin);
output[3:0] sum;
output cout;
input[3:0] ina,inb;
input cin;
assign {cout,sum}=ina+inb+cin;
endmodule
********************************************************************* 9.如何生成时钟激励信号，什么是TestBench？
1）使用initial方式产生占空比50％的时钟
initial
begin
Clk = 0 ;
# delay ;
forever
# (period/2) Clk = ~ Clk ;
End
2）使用always方式
initial
Clk= 0 ;
Always
# (period/2) Clk = ~ Clk ;
3）使用repeat产生确定数目的时钟脉冲
initial
begin
Clk = 0 ;
repeat ( 6 )
# (period/2) Clk = ~ Clk ;
End
4)产生占空比非50%的时钟
initial
Clk = 0 ;
always
begin
# 3 Clk=~Clk;
#2 Clk=~Clk;
End
testbench是一种验证的手段。首先，任何设计都是会有输入输出的。但是在软环境中没有激励输入，也不会对你设计的输出正确性进行评估。那么此时便有一种，模拟实际环境的输入激励和输出校验的一种“虚拟平台”的产生。在这个平台上你可以对你的设计从软件层面上进行分析和校验，这个就是testbench的含义。
9.如何使用Verilog语句生成异步复位激励与同步激励信号？
（a）异步复位
initial
begin
Rst = 1 ;
# 100 ;
Rst = 0 ;
# 500 ;
Rst ＝ 1 ；
End
（b）同步复位
initial
begin
Rst = 1 ;
@( negedge Clk) ; //等待时钟下降沿
Rst = 0 ;
# 30 ;
repeat（3）@( negedge Clk) ; //等待3个时钟下降沿
Rst = 1 ;
End
CPLD和FPGA都是可编程的逻辑部件，他们是当今数字系统设计的主要硬件平台，主要特点是完全由软件进行编程和配置，从而完成某种特定功能，且可以反复擦写，在修改和升级时，不需要额外改变PCB电路板，只在计算机上修改和更新程序，使硬件设计成为软件开发，缩短了设计周期，提高了实现的灵活性降低成本。
物理综合包括两种模式：（1）RTL到布局后的门级模式（2）门到布局后的门级模式
形式验证：门级网表还可以通过形式验证来检查综合后的网表与RTL源代码是否一致，逻辑等效性验证是目前形式验证的主要形式。
测试平台为RTL代码或门级网表的功能验证提供验证平台，该平台包括待验证的设计，激励信号产生器和输出显示控制等。在仿真的时候，测试平台用于产生测试激励给DUT，同时检查DUT的输出是否与预测的一致。从而达到验证设计功能的目的。
********************************************************************* 10.设计有限状态机的步骤如下
1.画出状态转移图
2.确定编码状态和编码方式
3.给出状态方程和输出方程
4.编写verilog代码
11.设计FSM原则
（1）所设计的状态机要安全，不能进入死循环，不能进入非预支状态，即使是由于某种扰动进入非设计模式设计状态，也要很快恢复到正常的状态循环中来（2）状态机的设计要满足设计的面积和速度的要求
（3）状态机的设计要清晰易懂，易维护
********************************************************************* 12.解释Verilog与VHDL的相同和不同之处？
Veilog是最初为更简洁、更有效地描述数字硬件电路地描述数字硬件电路和仿真设计的，他的许多关键字和语法都继承了C语言的传统。
VHDL具有更强的描述能力，，他的抽象性更强，从而决定了他成为系统设计领域最佳的硬件描述性语言，更适合描述更高的层次如行为级或系统及的硬件电路。********************************************************************* 13.SOPC:可编程片上系统
SOC:片上系统
Soc是片上系统，sopc是可编程的，包括了soc的功能
********************************************************************* 14.FPGA与CPLD的异同？
都是可编程的逻辑器件，设计流程相似，不同是CPLD是一个限制性的结构，ＦＰＧＡ是可以有很多链接单元，ＦＰＧＡ含有高层次的内置模块和内置记忆体，FPGA集成度比cpld高，他们的结构也不相同cpld速度比fpga块，保密性也比fpga好。
********************************************************************* 15.用户定义原语必须遵循以下原则：
（1）UDP允许有多个输入端口，但是只能有一个输出端口，并且输出端口必须在端口列表第一个位置。
（2）UDP不支持inout端口类型
（3）表示时序的UDP需要保持状态，所以他的输出端口需要用output和reg 类型的。
（4）表示时序的UDP中的状态可以用initial初始化，将1位值赋给reg
（5）状态表有、输入顺序必须与列表中出现的顺序相同，输入输出用‘：‘相隔，每一行以分号结束内容与真值表类似，可填入值0.1.x，udp不能处理Z
（6）UDP与其他模块同级，不能在模块内定义UDP
（7）在UDO中不能实例化其他的模块和原语，但是可以在模块中实例化UDP
*********************************************************************
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。
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。
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。
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;
空调系统有限状态机的设计 摘要：空调系统状态机自动控制是以可编程逻辑为核心，配以各种传感器，电机驱动，状态机，变频器等实现自动控制，能确保空调末端温度供给，降低系统运行费用和时间，从而节约资源，它必将日趋成熟，在人类的生活中大显身手。一直以来，环保问题时世界关注的焦点，各种替代能源动力车的出现，为空调业提出来新的课题与挑战。现代家用也得发展成为人们生活的追求，空调已成为人们的必备品。 关键字：FPGA，空调系统状态机，自动控制。
一、设计分析： 1.课程设计目的： 本课程设计的目的是在掌握EDA实验开发的初步使用基础上，了解EDA技术，对空调系统进一步了解，掌握其状态机的工作原理，掌握用Verilog实现状态机的方法。通过本课程的设计，更好的巩固加深基础知识的理解，独立完成仿真过程，增强理论联系实际，提高电路分析能力，为日后的学习奠定基础。 2.课程设计要求： 试设计一个空调系统状态机，它两个输入端A和B分别与传感器相连（用两位拨码开关模拟），用于检测室内温度。如果室内温度正常，则A和B均为0。如果室内温度过高，则A为“1”，B为“0”。如果室内温度过低，则A为“0”，B为“1”。根据A和B的值来判断当前的状态，如太热，则在液晶上显示TOO-HOT，并将输出端COOL 置为“1”，并显示，表明现在开始制冷；如太冷，则在液晶上显示TOO-COLD，并将输出端HEAT置为“1”，并显示，表明现在开始加热；如适中，则在液晶上显示JUST-RIGHT，COOL和HEAT都为“0”。 要求一: 由传感器检测室内温度，并将采集来的数据传输到控制系统的预处理单元，在预处理单元将采集来的温度信号与设定值相比较，来判断当前的状态 (太热、太冷或适中)，然后将处理结果传输到控制单元，最后由执行机构接受控制单元输出的控制信号，控制
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。
第６章 如何写好状态机 节选自《Verilog设计与验证》作者：吴继华、王诚 状态机是逻辑设计的重要内容，状态机的设计水平直接反应工程师的逻辑功底，所以许多公司的硬件和逻辑工程师面试中，状态机设计几乎是必选题目。本章在引入状态机设计思想的基础上，重点讨论如何写好状态机。 本章主要内容如下： ?状态机的基本概念； ?如何写好状态机； ?使用Synplify Pro分析FSM。 6.1 状态机的基本概念 本节的重点在于帮助读者理解状态机的基本概念和应用场合。 6.1.1 状态机是一种思想方法 相信大多数工科学生在学习数字电路时都学习过状态机的基本概念，了解一些使用状态机描述时序电路的基本方法。但是，笔者希望大家能扩展思维，认识到状态机不仅仅是一种时序电路设计工具，它更是一种思想方法。 我们先看下面一个简单的例子。在大学生活中，某学生的在校的学习生活可以简单地概括为宿舍、教室、食堂之间的周而复始，用图6-1就可以形象地表现出来。这里画这张图，并不是要讨论这个学生是否是一个“乖乖”类型学生，请大家注意，如果将图中的“地点”认为是“状态”，将“功能”认为是状态的“输出”，这张图就是一张标准的状态转移图，也就是说，我们用状态机的方式清晰地描述了这个学生的在校生活方式。
第6章如何写好状态机 138
状态机的基本概念 139 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描述。 很多初学者不知道何时应用状态机。这里介绍两种应用思路：第一种思路，从状态变量入手。如果一个电路具有时序规律或者逻辑顺序，我们就可以自然而然地规划出状态，从这些状态入手，分析每个状态的输入，状态转移和输出，从而完成电路功能；第二种思路是首先明确电路的输出的关系，这些输出相当于状态的输出，回溯规划每个状态，和状态转移条件与状态输入。无论那种思路，使用状态机的目的都是要控制某部分电路，完成某种具有逻辑顺序或时序规律的电路设计。 其实对于逻辑电路而言，小到一个简单的时序逻辑，大到复杂的微处理器，都适合用状态机方法进行描述。请读者打开思路，不要仅仅局限于时序逻辑，发现电路的内在规律，确认电路的“状态变量”，大胆使用状态机描述电路模型。由于状态机不仅仅是一种电路描述工具，它更是一种思想方法，而且状态机的HDL 语言表达方式比较规范，有章可循，所以很多有经验的设计者习惯用状态机思想进行逻辑设计，对各种复杂设计都套用状态机的设计理念，从而提高设计的效率和稳定性。 6.1.2 状态机基本要素与分类 状态机的基本要素有3个，其实我们在第一节的举例中都有涉及，只是没有点明，它们是：状态、输出和输入。 ? 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。 比如：设计伪随机码发生器时，可以用移位寄存器序列作为状态；在设计电机 控制电路时，可以以电机的不同转速作为状态；在设计通信系统时，可以用信 令的状态作为状态变量等。 ? 输出：输出指在某一个状态时特定发生的事件。如设计电机控制电路中，如 果电机转速过高，则输出为转速过高报警，也可以伴随减速指令或降温措施 等。 ? 输入：指状态机中进入每个状态的条件，有的状态机没有输入条件，其中的 状态转移较为简单，有的状态机有输入条件，当某个输入条件存在时才能转移 到相应的状态。 根据状态机的输出是否与输入条件相关，可将状态机分为两大类：摩尔（Moore ）型状态机和米勒（Mealy ）型状态机。 ? 摩尔状态机：摩尔状态机的输出仅仅依赖于当前状态，而与输入条件无关。 例如图6-1所示的例子，将图中的“地点”认为是“状态”，将“功能”认为 是状态的“输出”，则每个输出仅仅与状态相关，所以它是一个摩尔型状态 机。 ? 米勒型状态机：米勒型状态机的输出不仅依赖于当前状态，而且取决于该状 态的输入条件。例如图6-2所示的例子，将图中的“地点”认为是“状态”， 将“功能”认为是状态的“输出”，将“条件”认为是状态转移的“输入条 件”，大家可以发现，该学生到达什么地方，做什么事情都是由当前状态和输
状态机设计 FSM简介： FSM 分两大类：米里型和摩尔型，组成要素有输入（包括复位），状态（包括当前状态的操作），状态转移条件，状态的输出条件，图1为状态机结构图。设计FSM 的方法和技巧多种多样，但是总结起来有两大类：第一种，将状态转移和状态的操作和判断等写到一个模块（process、block）中。另一种是将状态转移单独写成一个模块，将状态的操作和判断等写到另一个模块中（在V erilog代码中，相当于使用两个“always”block）。其中较好的方式是后者。其原因如下： 首先FSM 和其他设计一样，最好使用同步时序方式设计，好处不再赘述。而状态机实现后，状态转移是用寄存器实现的，是同步时序部分。状态的转移条件的判断是通过组合逻辑判断实现的，之所以第二种比第一种编码方式合理，就在于第二种编码将同步时序和组合逻辑分别放到不同的程序块（process，block）中实现。这样做的好处不仅仅是便于阅读、理解、维护，更重要的是利于综合器优化代码，利于用户添加合适的时序约束条件，利于布局布线器实现设计。 图1为状态机结构图 显式的FSM 描述方法可以描述任意的FSM（参考V erilog 第四版P181 有限状态机的说明）。两个always 模块。其中一个是时序模块，一个为组合逻辑。时序模块设计与书上完全一致，表示状态转移，可分为同步与异步复位。 同步： always @(posedge clk) if (!reset) ………… 异步： always @(posedge clk or negedge reset) if (!reset) …………
组合逻辑用case 语句，sensitive list 包括当然状态（current state）和输入（a,b,c…）。 编者注：以下是编者从“State Machine Coding Styles for Synthesis”一文中摘取的程序代码，是一个简单状态机的示例，采用两个always块的方法： module bm1_s (err, n_o1, o2, o3, o4,i1, i2, i3, i4, clk, rst); output err, n_o1, o2, o3, o4; input i1, i2, i3, i4, clk, rst; reg err, n_o1, o2, o3, o4; parameter [2:0] //可以在此处添加综合约束属性来限定状态机的编码：binary,one-hot,gray,etc… IDLE = 3'd0, S1 = 3'd1, S2 = 3'd2, S3 = 3'd3, ERROR = 3'd4; reg [2:0] state, next; always @(posedge clk or posedge rst)//异步复位，时序逻辑 if (rst) state <= IDLE; else state <= next; always @(state or i1 or i2 or i3 or i4) begin //组合逻辑，敏感列表包含当前状态以及所有的状态机输入 next = 3'bx;//设置默认值，以便防止因为if或者case语句不完整综合生成锁存器 err = 0; n_o1 = 1; o2 = 0; o3 = 0; o4 = 0; case (state)