状态机例子-自动售货机

离散数学有限自动机模型应用举例离散数学是数学的一个分支，主要研究离散对象和离散关系。

而有限自动机是离散数学中的重要概念之一，用于描述具有有限数量的状态和状态之间的转换关系。

有限自动机模型在计算机科学和其他领域中有着广泛的应用。

本文将从几个具体的应用案例来探讨离散数学有限自动机模型的应用。

案例一：自动售货机自动售货机是我们日常生活中常见的一种自动化设备。

它通过有限自动机模型来实现对商品的管理和售卖。

假设自动售货机有3个状态，分别为“待机”、“选择商品”和“完成交易”。

当用户投入硬币后，自动售货机会从“待机”状态转换为“选择商品”状态，用户可以通过按下相应按钮来选择商品。

一旦用户选定商品，自动售货机将通过有限自动机模型转换到“完成交易”状态，并同时释放商品和找零。

这个案例清晰地展示了有限自动机模型如何应用于自动售货机的控制。

案例二：电话拨号电话拨号也是离散数学有限自动机模型的一个应用。

在传统电话中，数字键盘上有10个数字按钮和几个特殊按钮（如*和#）。

每次按下一个按钮时，电话系统都会根据当前状态和按下的按钮进行状态转换。

例如，当你拨号时，初始状态为“待命”状态，按下数字按钮后，系统将从“待命”状态转移到“拨号中”状态，并显示所拨的号码。

这个过程中，电话系统一直在根据当前状态和按下的按钮进行状态转换，直到通话结束。

这种电话系统的设计正是基于离散数学有限自动机模型，它能够准确地响应用户的操作。

案例三：词法分析器在计算机科学中，词法分析器是编译器的一个基本组成部分，用于将源代码分解为有意义的元素（如标识符、关键字和运算符）。

离散数学有限自动机模型可以用来构建词法分析器。

通过使用有限自动机，可以将源代码作为输入，并根据代码的语法规则将其分解为不同的词法单元。

例如，当遇到空格时，词法分析器将从初始状态转换到“空格”状态，并且继续分析后续字符。

同样地，当遇到标识符或关键字时，词法分析器将进行相应的状态转换并识别它们。

事件驱动状态机实例讲解-回复什么是事件驱动？事件驱动（Event-driven）是一种计算机编程范例，它通过响应事件的方式来控制程序的执行流程。

事件驱动编程是一种反应性编程方法，它基于事件的发生而触发相应的处理流程。

在事件驱动的程序中，程序状态通常是静态的，只有当外部事件发生时，程序才会进入相应的处理流程，执行相关的代码。

事件驱动的编程模型可以适用于多种情况，如图形用户界面（GUI）开发、网络编程、服务器开发等。

在这些场景下，用户的操作、网络请求、外部设备的输入等都可以被视为事件，并通过事件驱动模型进行处理。

不同于传统的顺序编程模型，事件驱动模型具有以下几个特点：1. 程序按照事件顺序响应：程序会等待事件发生，然后根据事件的顺序依次进行处理。

事件驱动编程通常具有异步的特性，即不会一直等待事件的发生，而是可以同时处理多个事件。

2. 事件处理是离散的：每个事件都会有相应的处理流程，事件之间是相互独立的。

这使得程序能够更好地适应外部环境的变化。

3. 事件驱动编程具有高度的灵活性和可扩展性：由于事件驱动模型基于事件的发生来触发相应的处理流程，使得程序可以根据实际需求进行动态调整和扩展。

4. 事件驱动模型对并发和并行编程友好：事件驱动编程天然支持多线程、多任务并发执行。

不同的事件可以由不同的线程或进程处理，从而提高程序的执行效率和响应性。

什么是状态机？状态机（State machine）是一种将系统行为建模的数学模型。

它描述了一个系统的内部状态以及状态之间的转换规则。

状态机由一组状态和状态转移构成，状态表示系统所处的状态，转移表示状态之间的切换。

状态机可以分为两种类型：有限状态机（Finite-state machine，FSM）和无限状态机（Infinite-state machine）。

有限状态机中，状态的数量是有限的，系统的状态会在不同的输入条件下从一个状态转移到另一个状态，形成一个状态转移图。

无限状态机中，状态的数量是无限的，系统的状态可能具有连续性或无规律性。

1有限状态机有限状态机(Finite State Machine )是一种具有内部记忆的抽象机器模型，是时序电路的一种，通过有限状态机课实现高效率高可靠逻辑控制。

根据输出与输入关系、系统状态的关系，有限状态机又可以分为Moore型有限状态机和Mealy型有限状态机。

Moore型状态机的输出信号只于当前的状态有关；Mealy型状态机是输出信号不仅与当前的状态有关，还与输入信号有关。

Mealy机的示意图如图二所示：Mealy图二Mealy机的示意图Moore机的示意图如图三所示：Moore图三Moore机的示意图Moore型有限状态机和Mealy型有限状态机的区别：•在Moore机中，输出的时钟活动沿到达后的几个门电路的延迟时间之后即到达，并且在该时钟周期的剩余时间内保持不变，即使输入在该时钟周期内发生变化，输出值也保持不变。

然而，因为输出与当前的输入无关，当前输出产生的任何效果将延迟到下一个时钟周期。

Moore机的优点是将输出与输入分隔开。

einepde r registeroutputencoderoutputregisteroutputencoderoutput• 在Mealy 机中，因为输出是输入的函数，如果输入改变，则输出可以在下一个时钟周期的中间发生改变。

这使得Mealy 机比Moore 机，对输入变化的响应要早一个时钟周期，一旦输入信号或状态发生变化，输出信号随着输入信号变化。

• 实现同样功能，Moore 机要比Mealy 机需要更多的状态。

通过分析本次实验，利用Mealy 机更加容易理解，并且使用Moore 会使用更多的状态，所以本次实验使用Mealy 型有限状态机。

2 Soda Machine机的设计2.1 Soda Machine机的状态转换图Soda Machine 机的状态转换图如图四所示。

Soda Machine图四Soda Machine 机的状态转换图图中共有10个状态，为ST0 — ST9。

实验项目名称：有限状态机指导教师：实验日期：实验概述：【实验目的及实验设备】实验目的：(1)掌握有限状态机的应用方法。

(2)掌握有限状态机的静态测试方法，能够进行程序设计。

(3)学习测试模块的编写,综合和不同层次的仿真。

(4)用有限状态机设计一个自动售货机（饮料价格为2.5元）。

实验设备及仪器名称：CPU型号:英特尔*****************************操作系统类型:Windows XP SP3仿真软件:MAX Plus 2软件、Modelsim SE-64 10.0c实验内容及步骤：【实验原理及电路图】系统能够根据用户输入的硬币，判断钱币是否足够，当所投硬币达到或者超过购买者所选面值时，则根据顾客的要求自动售货，并找回剩余的硬币，然后回到初始状态，当所投硬币面值不够时，则给出提示，并通过一个复位键退回所投硬币。

然后回到初始状态。

该实验输入有4个clk，reset，表示投一元币y，表示投五角币w。

输出有2个，表示饮料出现的out和找五角钱的w_out.该实验共5个状态，s0:表示投币为0的状态，s1：表示投入5角的，s2：表示投入1元，s3：表示投入1.5元，s4：表示投入2元。

当投入2.5时out输出1，状态回到s0，当投入3元时out 和w_out都输出1，状态回到s0.【实验方案】（实验步骤，记录）1、打开Modelsim SE-64 10.0c软件。

else beginout=0;w_out=0;s=s4;endendcaseendendmodule测试程序：module shou;wire y;reg w;reg reset;reg clk;paramerer clkperiod=100;shouhuoji shou(y,w,reset,clk)initial beginw=0;clk=0;reset=1;#150 reset=0;#100 reset=1;endalways#(clkperiod/2) clk=~clk;always#(clkperiod+30) $random;initial $monitor(Stime, “y=%b”,y);endmodule3、编译并调试程序，出现错误立即修改直至无错误出现。

自动售货机用例图
一实验内容：
一台饮料自动售货机能提供六种不同的饮料，售货机上有六个按钮，分别对应于这六种饮料，顾客可通过按钮来选择所要的饮料。

每个按钮旁边有一个指示灯，用来表明该售货机中是否还有这种饮料可售。

售货机有一个硬币槽和找零槽，用来收钱和找零。

假设现在有一位顾客投币购买矿泉水，不用找零。

问题：请给出描述上述场景的用例图。

二用例描述：
1）该用例的目的是描述自动售货机的用例图，来更好的学习用例建模；
2）该用例在当有人想买饮料并到自动售货机钱塞硬币买饮料的时候被参与者即：顾客启动执行
3）在用例中指示灯来提示哪种饮料有得买，哪种饮料没有卖；
每种饮料有各自的按钮来供顾客选择要买的饮料；
行为者：顾客；
用例：按钮，指示灯，投币槽，退币槽；
按钮是用来供顾客选择要选择的饮料；
指示灯是来显示对应的饮料是否可售；
投币槽供顾客投币买饮料的；
退币槽式用来退剩下的钱币；
三自动售货机的对象图：
四用例图：
指示灯提示饮料是否可售
吐饮料
五实验小结：
1）在本次实验中初次使用Rational Rose来画用例图，在画用例图之间要寻找并确定行为者，以及寻找并确定用例；
2）一个用例表示系统中一个与特定行为者相关的完整功能。

用例通过关联与行为者链接，关联指出一个用例与哪些行
为者交互，所以在确定了行为者和用例之后，要理清楚各
个用例之间的关系，在画用例图时候才能够顺手，才能过
完成自动售货机系统中的一系列动作，才能特定行为者一
个可观擦到的结果值；。

自动售货机控制系统VHDL有限状态机实现1 引言有限状态机FSM(Finite State Machine)及其设计技术是实用数字系统设计中实现高效率、高可靠逻辑控制的重要途径。

传统的状态机设计方法需进行繁琐的状态分配、绘制状态表、化简次态方程等，而利用VHDL可以避免这些繁琐的过程，直接利用状态转换图进行状态机的描述，所有的状态均可表达为CASE_WHEN结构中的一条CASE语句，而状态的转移则通过IF_THEN_ELsE语句实现。

此外，与VHDL的其它描述方式相比，状态机的VHDL表述丰富多样，程序层次分明，结构清晰，易读易懂；在排错、修改和模块移植方面也有其独到的特点。

2 自动售货机控制系统的实现2.1 自动售货机功能描述及控制系统组成设计一个自动售货机的逻辑控制电路。

它有两个投币口分别为一元投币口和五角投币口，假设每次只能投入一枚一元或五角硬币，投入一元五角硬币后机器自动给出一瓶矿泉水，投入两元硬币后，在给出一瓶矿泉水的同时找回一枚五角的硬币。

图1为自动售货机控制系统方框图，由投币信号处理模块和功能控制模块组成。

2.2 自动售货机控制功能的状态描述取投币信号为输入逻辑变量，投入一枚一元硬币时用A=1表示，未投入时A=0。

投入一枚五角硬币用B=1表示，未投入时B=0。

给出矿泉水和找钱为两个输出变量，分别用Z和Y表示，给出矿泉水时Z=1，不给时Z=0，找回一枚五角硬币时Y=1，不找时Y=0。

根据上面的功能描述，可用三个状态S0，S1，S2表示，未投币前的初始状态为S0，投入五角硬币以后为S1，投入一元硬币后(包括投入一枚一元硬币和投入两枚五角硬币的情况)为S2，再投入一枚五角硬币后电路返回S0，同时输出为Z=1，Y=0；如果投入的是一枚一元硬币，则电路也应能返回S0，同时输出为Z=1，Y=1。

根据上面的分析可得到状态转换图如图2所示。

2.3 自动售货机功能控制模块的VHDL实现根据图2所示的状态转换图，用VHDL语言中的CASE_WHEN结构和IF_THEN_ELSE语句实现控制功能，源程序如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY shj_ctrl ISPORT(A,B:IN STD_LOGIC;clk:IN STD_LOGIC;Z,Y:OUT STD_LOGIC);END shj_ctrlARCHITECTURE beha OF shi_ctrl ISTYPE states IS(S0,S1,S2);SIGNAL state:states;SIGNAL X:STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);BEGINX<=A&B;PROCESS(x,state)BEGINIF rising_edge(clk) THENCASE state ISWHEN S0=>Z<='0';Y<='0';IF(X="01")THENstate<=s1;ELSIF(X="10")THENstate<=s2;ELSEstate<=s0;END IF;WHEN S1=>Z<='0';Y<='0';IF(X="01")THENstate<=s2;ELSIF(X="10")THENstate<=S0;Z<='1';Y<='0';ELSEstate<=s1;END IF;WHEN S2=>Z<='0';Y<='0';IF(X="01")THENstate<=S0;Z<='1';Y<='0';ELSIF(X="10")THENstate<=s0;Z<='1';Y<='1';ELSEstate<=s2;END IF;END CASE;END IF;END PROCESS;END beha;c上面程序中，A、B分别为一元硬币和五角硬币驱动信号，Z为矿泉水输出信号，Y为找钱输出信号。

状态机设计实验报告小结引言状态机是一种用于描述对象行为的工具，它在开发软件系统时具有重要的作用。

本次实验主要目的是通过学习状态机的原理和设计方法，利用状态机理论来设计和实现一个简单的系统。

本文将对实验的整体过程和结果进行总结和分析。

实验过程设计目标本次实验的设计目标是实现一个简单的自动售货机系统。

系统具有四个状态：待命状态、支付状态、出货状态和故障状态。

当用户插入钱币时，系统从待命状态转换到支付状态；当用户选择商品并确认支付时，系统从支付状态转换到出货状态；当出货完成后，系统从出货状态转换为待命状态；当系统出现故障时，系统进入故障状态。

状态图设计根据设计目标，我们绘制了自动售货机系统的状态图。

状态图清晰地显示了各个状态之间的转换关系和条件。

在状态图的设计中，我们使用了合适的符号和标注，让状态机的含义更加明确。

状态图的设计是状态机实现的基础，合理的状态图可以减少后续的修改和调试工作。

状态机实现在实验中，我们选择使用Python语言来实现状态机。

Python提供了强大的面向对象编程能力，可以很方便地实现状态机的各个组件。

我们编写了一个`StateMachine`类来表示状态机，该类具有状态转换和条件判断的功能。

通过维护状态和事件的字典，我们可以方便地进行状态转换和条件判断。

系统测试在状态机实现完成之后，我们对系统进行了一系列的测试。

测试的目的是验证系统在各个状态之间能够正确地进行转换，并且根据条件触发相应的操作。

测试包括了用户插入钱币、选择商品、确认支付、出货等动作，并检查系统是否输出了正确的结果。

通过测试，我们发现系统在各个状态下表现良好，能够正确地处理各种输入情况，并产生正确的输出结果。

实验结果经过实验，我们成功地设计和实现了一个简单的自动售货机系统。

系统能够正确地进行状态转换，并在不同的状态下展示不同的行为。

通过状态机的设计，我们清晰地定义了系统的各个状态和转换条件，提高了程序的可读性和可维护性。

SOPC及EDA技术课程结业报告题目：基于状态机的自动售货机设计院（系）电气工程及其自动化姓名学号班号基于状态机的自动售货机设计一．实验目的1. 学习FPGA入门知识，了解FPGA的编程形式；2. 掌握Quartus II的使用步骤；3. 掌握基于状态机原理的自动售货机设计过程。

二．实验原理自动售货机是可完成无人自动售货,集光、机、电一体化的商业自动化设备。

自动售货机不受任何场地限制,方便快捷,可以每天24小时售货,因此深受上班族的欢迎,很多城市的公共场所里面都放置有自动售货机,出售的商品五花八门,从饮料、零食、香烟、糖果,到牙刷、方便面、自动照相机。

近年来,我国的自动售货机行业突飞猛进:在汽车总站、商厦、医院、小区、学校等地区纷纷涌现出自动售货机的踪迹。

这种方便快捷的购物方式越来越受到人们的青睐,同时也是现代化城市配套设施的需求。

因为自动售货机作为社会上完成商品零售和综合服务的独立设施,所以必须要求它的结构可靠、稳定而且执行效率高。

传统的自动售货机控制系统采用单片机作为控制核心,这样不仅会在输入输出接口上做大量的工作,而且系统的抗干扰性也比较差。

可编程控制器（Programmable Logical Controller，简称PLC）是综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型的工业控制装置,它具有可靠性高、编程简单、维护方便等优点,已在工业控制领域得到广泛地应用。

PLC是以CPU为核心, 综合了计算机技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置, 是现代工业控制的三大支柱(PLC、机器人和CAD/CAM) 之一。

PLC的工作原理与计算机的工作原理基本是一致的, 可以简单地表述为在系统程序的管理下, 通过运行应用程序完成用户任务。

但是PLC也有它自己的特点, PLC在确定了工作任务, 装入了专用程序后成为一种专用机, 它采用循环扫描工作方式, 系统工作任务管理及应用程序执行都是用循环扫描方式完成的。