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。
图1 一个电灯开关是一个有限状态机
当然，一个游戏智能体的行为常常要比一个电灯泡复杂的多。下面是一些关于有限状态机是如何应用在游戏中的例子：
●在Pac-Man中幽灵行动的实现就是一个有限状态机。存在一个规避状态，这对所
有的幽灵都是相同的，并且每个幽灵都有自己的追踪状态，追踪行动的实现对于每
个幽灵来说都是不同的。玩家吃了一个强力药丸的输入就是从追踪状态变换为规避
状态的条件。
●类似雷神之槌中的角色类型也可以作为一个有限状态机来实现。它们具有诸如找到
武器、找到血包、寻求掩护和走开的状态。甚至雷神之槌中的武器也实现了它们自
己的小型有限状态机。例如，火箭可以实现如移动、接触物体和消失的状态。
●运动员仿真例如足球游戏FIFA2002，是作为有限状态机来实现的。他们具有状态例
如碰撞、运球、追球和盯住对方队员。此外，球队本身也常常作为FSM来实现，
并且具有状态如开球、防卫，或者退场。
●NPC们（非玩家角色）在RTS（实时策略游戏）中，例如Warcraft也利用有限状态
机。他们具有移动到位、巡逻和沿路经前进等状态。
有限状态机的实现
有一些方法来实现有限状态机。一种幼稚的方法就是使用一系列的if-then语句或者对switch语句稍加整理。使用一个具有枚举类型的switch语句来表达状态的代码如下所示。enum StateType { RunAway, Patrol, Attacki};
public void UpdateState (StateType CurrentState)
{
switch (CurrantState)
case StateType.RunAway :
EvadeEnemy ();
if (Safe ())
ChangeState (StateType.Patrol) ;
break;
case StateType.Patrol:
FollowPatrolPath ();
if (Threatened ())
{
if(StrongerThanEnemy())
{
ChangeState(StateType.Attack);
}
else
ChancjeState (StateType.RunAway) ;
}
break;
case StateType.Attack :
if (WeakerThanEnemy ())
{
ChangeState (StateType.RunAway) ;
}
else
{
BashEnemyOverHead();
}
break;
} //switch结束
}
虽然初看之下，这个方法是合理的，但当实际应用到任何一个比最简单的游戏对象稍复杂的情况，switch/if-then解决方法就变成了一个怪物，它潜伏在阴影中等待着发难。随着更多的状态和条件被加入，这种结构就像意大利式面条一样跳转得非常快，使得程序流程很难理解并且产生一个调试噩梦。此外，它不灵活，难以扩展，而扩展在实际编程时常常需要的。当你第一次计划状态机时，除非你设计一个有限状态机来完成非常简单的行为（或者你是一个人才），你几乎肯定会发现，在设计的行为实现你认为将要得到的结果之前，你总要调整智能体来应对计划外的情况。
此外，作为一个人工智能编程者，当处于初始进入状态或者退出状态时，你会常常需要一个状态完成一个指定的行动（或多个行动）。例如，当一个智能体进入逃跑状态，你可能会希望它向空中挥动着胳膊并且喊道“啊！”；当它最后逃脱了并且改变成为巡逻状态，你可能希望它发出一声叹息，擦去额头的汗水，并且说“呦！”。这些行为只能是在进入或退出逃跑状态时出现的，而不会发生在通常的更新步骤中。因此，这个附加的函数必须被理想地建立在你的状态机架构中。要想在switch或if-then架构中做到这些，你必定会咬牙切齿，恶心反胃，并写出非常糟糕的代码。
状态变换表
一个用于组织状态和影响状态变换的更好的机制是一个状态变换表。就如名称所示的那样：它是一个条件和那些条件导致的状态的表。下表显示的例子是前面所述例子的状态和条件映射图。
这个表可以被一个智能体在规则的间隔内询问，使得它能基于从游戏环境中接受到的刺激进行必需的状态转换。每个状态可以模型化为一个分离的对象或者存在于智能体外部的函数，提供了一个清楚的和灵活的结构。这个表与前面讨论的if-then/switch方法相比，将少有出现意大利面条式的失控情况。
有人曾经告诉我一个生动且天真形象化的方法，能够帮助人们来理解这样一个抽象概念。让我们看它是否有效。
假想一个机器人小猫。它闪闪发光、娇小可爱，长着金属的胡子并且在它的胃罩有个插槽，可以插入模块（用以控制它的状态）。这些模块都是用逻辑编程的，使小猫完成特殊的行动集。每个行动集编码一个不同的行为。例如，“玩线绳”、“吃鱼”，或者“趴在地毯上”。如果没有一个模块，小猫就会是个死气沉沉的金属雕塑品，只会像金属米老鼠那样静坐着，看起来很可爱。
小猫是非常灵巧的，并且它具有自治能力来调换模块，我们只要指示它这样去做。通过提供指示何时应该转换模块的规则，就可以把能够产生所有类型的有趣复杂的行为的模块的插入序列串在一起。这些规则被编程放在置于小猫头内的一个微小的芯片上，与我们前面讨论过的状态转换表类似。芯片与小猫的内部函数交流来找到必要的信息以处理规则（例如小猫有多么饿或它觉得有多么好玩）。
因此，状态转换芯片可以用类似这样的规则来编程：
IF Kitty_Hungry ANDNOT Kitty_Playful
SWITCH_CARTRIDGE eat_fish
所有在表中的规则在每个时间步进中都进行测试并且将命令送给小猫来相应地转换模块。
这类结构非常灵活，可以容易地通过增加新的模块来扩展小猫的指令表。每当—个新的模块被加入的时候，主人只需要用螺丝起子打开小猫的头部来取出芯片并重新编程状态转换规则。无需干扰任何其他的内部电路。
内置的规则
另一种方法就是将状态转换规则嵌入到状态本身的内部。应用这个概念到机器小猫，就是省掉状态变换芯片而把规则直接嵌入模块。例如，模块“玩线绳”可以监控小猫饥饿的等级并且当它感到饥饿等级上升时指导它转换状态到“吃鱼”。“吃鱼”模块接着可以监控小猫的碗并且当它感到排便的等级达到危险的高度时，指导它转换到“存地毯上排便”。
虽然每个模块可以意识到任何其他模块的存在，但每一个模块是一个独立的单位并不依
赖任何外部的逻辑来决定它是否应该允许自己变换到一个替代状态。因此增加状态或者用一个完全新的集合来交换整个的模块集是简单易行的（可能是使得小猫的行为像个猛禽的新集合）。这样就无需再用螺丝刀打开小猫的头，只要改变一些模块本身即可。
让我们看看在一个视频游戏的环境中这个方法是怎样实现的。就像小猫的模块一样，状态被封装成对象，包含推动状态变换需要的逻辑。此外，所有的状态对象共享一个称为State 的抽象类。
public abstract class State
{
public abstract void Execute(Troll troll);
}
现在想象一个TroIl（巨魔）类，它具有成员变量表示特征，例如健康、发怒、体力等，还有方法允许客户获取或设置那些值。一个Troll类可以被赋予有限状态机的功能性，只要增加一个指向State类继承类的对象和允许用户改变对象的方法。
class Troll
{
State _currentState;
public void Update()
{
_currentState.Execute( this);
}
public void ChangeState(State newState)
{
_currentState=newState;
}
}
当Troll类的更新方法被调用时，它反过来用this指针调用当前状态类型中的Execute方法。当前的状态就可以使用这个this对象获取对象的信息，来调整对象的属性，或者产生一个状态转换。换句话说，一个Troll类当更新时有怎样的行为可以完全依赖于它当前状态的逻辑。用实例可以最佳地阐明这一点，让我们创建一对状态，使troll在感到危险时从敌人身边逃跑，并且当它感到安全时变为睡觉。
//-------- -------逃跑状态
class State_RunAway : State
{
public void Execute(Troll troll)
if(troll.isSafe )
troll.ChangeState(new StateSleep());
else
troll.MoveAwayFromEnemy();
}
//-------- -------睡觉状态
class State_Sleep : State
{
public void Execute(Troll troll)
if(troll.isThreatened)
troll.ChangeState (new State_RunAway () );
else
troll.Snore() ;
}
正如你看到的，当更新时，一个troll将依赖于状态中_currentStatc指向哪里而产生不同的行为。两个状态都作为对象封装并且它们都给出了影响状态变换的规则。一切都很简洁严谨。
这个结构被称为状态设计模式，它提供了一种优雅的方式来实现状态驱动行为。尽管这偏离了数学形式化的FSM，但它是直觉的，编码简单，并且很容易扩展。它也可以非常容易地为每个状态增加进入和退出的动作：你需要做的所做的事就是创建Enter和Exit方法并相应地调整智能体的ChangeState方法。
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。
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
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
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
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。
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
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。 *********************************************************************
【转载2】有限状态机的c实现 2007-05-11 15:12 網絡上可以搜索到很多有限狀態機的代碼和理論分析，這兒僅僅是做一個簡單的例子，僅供入門參考。 这儿以四位密码校验作为状态机的例子，连续输入2479就可以通过密码测试。一个非常简单的例子，在实际的状态机实例中，状态转移表要更復雜一些，不過方式非常 類似。在狀態查詢的地方可以做優化，同時對于輸入量也可以做有效性優化。具體代碼如下： view plaincopy to clipboardprint? c.h typedef enum{ STATE1 = 1, STATE2, STATE3, STATE4, STATE5,//password pass //...ADD here }STATE; typedef enum{ INPUT1 = '2', INPUT2 = '4', INPUT3 = '7', INPUT4 = '9', }INPUT; typedef struct { STATE cur_state; INPUT input; STATE next_state; }STATE_TRANS; c.h typedef enum{ STATE1 = 1, STATE2, STATE3, STATE4, STATE5,//password pass //...ADD here }STATE;
typedef enum{ INPUT1 = '2', INPUT2 = '4', INPUT3 = '7', INPUT4 = '9', }INPUT; typedef struct { STATE cur_state; INPUT input; STATE next_state; }STATE_TRANS; c.c #include
1 引言 1.1课程设计的背景 空调的发明已经列入20世纪全球十大发明之一，它首次向世界证明了人类对环境温度、湿度、通风和空气品质的控制能力。19世紀，英国科学家及发明家麦克·法拉第(Michael Faraday)，发现压缩及液化某种气体可以將空气冷冻，当时其意念仍流于理论化。二十世纪六七十年代美国为解决干旱缺水地区的冷热源问题而率先研制出风冷式冷水机，用空气散热代替冷却塔，其英文名为Air cool chiller, 简称Chiller。之后，设备设计和制造技术在90年代被转让到中国[1]。 随着人们生活水平的逐渐提高，空调产品也将由“生活奢侈品”逐渐转变为日常生活用品。在空调健康、节能功能以及外观设计上，国内企业也经过引进、消化、吸收，技术水平及产品质量都在不断趋于完善，我国已经发展成为世界空调产业重要的研发和生产基地。随着经济的发展，空调已成为必备的家用电器，对空调的设计更加重要。随着社会需求的变化，空调朝着节能、环保及智能化方向发展。 1.2课程设计的目的 本课程设计的目的是在掌握EDA实验开发系统的初步使用基础上，了解EDA技术，对空调系统进一步了解，掌握其有限状态自动机工作原理。通过本次课程设计更好地巩固和加深对基础知识的理解，学会设计中小型数字系统的方法，独立完成仿真过程，增强理论联系实际的能力，提高电路分析和理解能力。为日后的学习和工作奠定基础。 1.3课程设计的任务 本课程设计任务是通过设计空调系统有限状态自动机的基本方法学习硬件设计的基本思想和基本流程，采用Max+plus2等软件为开发工具。通过对计算机硬件和软件解决方案的论证，对应用领域进行调查分析，参考各种资料和进行硬件开发实践。在指导老师的帮助下，已经基本上成功地实现了设计任务书的要求。 1.4课程设计的内容 本课程设计主要完成基于VHDL的空调系统的设计与实现。本文运用有限状态自动机的方法，设计了状态机进程与信号控制进程相互配合。在状态机进程中定义了6个
有限状态机定义：由寄存器逻辑和组合逻辑构成的硬件时序电路，一般包括组合逻辑和寄存器逻辑两个部分。 寄存器逻辑的功能是存储有限状态机的内部状态（寄存器组的0和1构成有限状态）； 组合逻辑分为次态逻辑和输出逻辑两部分： 次态逻辑：确定有限状态机的下一个状态 输出逻辑：确定有限状态机的输出 状态机可分为两类：米里型（Mealy）和摩尔型（moore）。区别：摩尔型状态机的输入发生变化时需要等待时钟的到来。米里型的输出是在输入变化后立即变化，多了输入连到输出逻辑的线； //摩尔型状态机的输出信号仅与当前状态有关，即可以把摩尔型有限状态机的输出看成当前状态的函数，米里型状态机的输出信号不仅与当前状态有关，而且还与输入信号有关，即可以把米里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。 Moore Mealy CPU通过操作指令和硬件操作单元来控制功能的实现，有限状态机通过状态转移来实现。适用于PLD，通过恰当的Verilog语言描述和EDA工具综合，可以生产性能优越的有限状态机。 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，尤其适于设计数字系统的控制模块。优点：具有速度快，结构简单，可靠性高等优点，过程明确，适用于控制。 一般结构：（参照程序来理解） 1、说明部分:状态转换变量的定义和所有可能状态的说明 2、主控时序过程：状态机的运转和状态转换的过程 3、主控组合过程：根据当前状态和外部的信号发出控制信号，同时确定下一状态的走
向 4、辅助过程：配合状态机工作的组合过程和时序过程
一些补充说明： 1. 状态机有三种表示方法：状态图（state diagram）、状态表（state table）、流程图 2. 状态机设计中主要包含三个对象： (1)当前状态，或称为现态（current state，cs） (2)下一个状态，或称为次态（Next State，ns） (3)输出逻辑（out logic，ol） 相应的，在用verilog描述有限状态机时，有下面几种描述方式 （1）用三个过程描述：即现态（cs），次态（ns），输出逻辑（ol）各用一个always过程描述 （2）双过程描述（CS+NS,OL双过程描述）：使用两个always过程来描述有限状态机，一个过程描述现态和次态时序逻辑（CS+NS）;另一个过程描述输出逻辑（OL） （3）双过程描述（CS,NS+OL双过程描述）；一个过程用来描述现态（CS）;另一个过程描述次态和输出逻辑（NS+OL）. （4）单过程描述：在但过程描述方式中，将状态机现态。次态，和输出逻辑 （CS+NS+OL）放在一个always过程中进行描述。 FSM设计举例！！！！必考！！！！ PPT的例子：双过程（CS,NS+OL）
大作业：有限状态机 姓名：班级：学号： 一、实验目的 有限状态机，实现书上的蚂蚁实例 二、实验仪器 Pc vc6.0 四、实验结果
五、实验心得 这次大作业做的比较简单，主要是因为没有用mfc做，按着书上一步一步来，基本能看懂。因为选择了win32，所以main函数的书写参考了网上的代码，全部的代码的实现过程已经弄懂了。算法还是比较简单的，相比于前几次实验，代码一步步在书上体现的比较全面。通过大作业的实践，对游戏人工智能有了更新的认识，毕竟是自己建起来的程序，虽然简单，希望下次能用mfc实现。 六、主要代码 #include "ant.h" //#include
int terrainBackup[kMaxRows][kMaxCols]; int terrain[kMaxRows][kMaxCols]; ai_Entity::ai_Entity() { int i; for (i=0;i
相关主题
文本预览