有限状态机的设计1212
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有限状态机
综合
可综合的设计中应注意
不使用初始化语句；不使用带有延时的描述； 不使用循环次数不确定的循环语句。
应尽量采用同步方式设计电路。
用always过程块描述组合逻辑，应在敏感 信号列表中列出块中出现的所有输入信号。
基于状态机的设计要点
3．状态编码的定义
在Verilog语言中，有两种方式可用于定义状态编码，分别用
parameter和'define语句实现，比如要为state0、state1、state2
、state3四个状态定义码字为：00、01、11、10，可采用下面
两种方式。
方式1：用parameter参数定义
采用一个always模块描述,状态编码用二进制编码：
• module fsm(clk,ina,out); input clk,ina; output out; reg out; parameter s0 = 3'b00,s1 =3'b01,s2 =3'b10,s3=3'b11; reg[0:1]state; always @ (posedge clk) begin state<=s0;out =0; case(state) s0: begin state<=(ina)?s1:s0;out=0; end s1:begin state<=(ina)?s2:s0;out=0; end s2:begin state<=(ina)?s3:s0;out=0; end s3:begin state<=(ina)?s3:s0;out=1; end endcase end endmodule
1、有限状态机
有限状态机的设计
什么是有限状态机（ FSM ） FSM的种类和不同点 设计举例
可综合的设计中应注意
不使用初始化语句；不使用带有延时的描述； 不使用循环次数不确定的循环语句。
应尽量采用同步方式设计电路。
用always过程块描述组合逻辑，应在敏感 信号列表中列出块中出现的所有输入信号。
基于状态机的设计要点
3．状态编码的定义
在Verilog语言中，有两种方式可用于定义状态编码，分别用
parameter和'define语句实现，比如要为state0、state1、state2
、state3四个状态定义码字为：00、01、11、10，可采用下面
两种方式。
方式1：用parameter参数定义
采用一个always模块描述,状态编码用二进制编码：
• module fsm(clk,ina,out); input clk,ina; output out; reg out; parameter s0 = 3'b00,s1 =3'b01,s2 =3'b10,s3=3'b11; reg[0:1]state; always @ (posedge clk) begin state<=s0;out =0; case(state) s0: begin state<=(ina)?s1:s0;out=0; end s1:begin state<=(ina)?s2:s0;out=0; end s2:begin state<=(ina)?s3:s0;out=0; end s3:begin state<=(ina)?s3:s0;out=1; end endcase end endmodule
1、有限状态机
有限状态机的设计
什么是有限状态机（ FSM ） FSM的种类和不同点 设计举例
有限状态机
有限状态机
有限状态机应用举例—序列检测器
Mealy状态转移图
有限状态机
有限状态机应用举例—序列检测器
Mealy型verilog源代码
module mealyfsm(clk,rst,a,z); input clk; input rst; input a; output z; reg z; reg [3:0] temp_z; reg [3:0] currentstate,nextstate; parameter S0 = 4'b0000; parameter S1 = 4'b0001; parameter S2 = 4'b0010; parameter S3 = 4'b0011; parameter S4 = 4'b0100;
2
3
4
有限状态机
什么是有限状态机 FSM:Finite State Machine
1 2 3
应用市场上的电子产品进入非正常状态/（不需要考虑的状态） 的可能很多，不可能一一去列举
于是采用以“不变应万变”的方式，只考虑需要的状态，不需要 的状态不管。
需要考虑的状态一一列举出来（有限性Finite），不需要考虑 的状态都统一当异常处理（default)
有限状态机
mealyfsm测试模块testbench
module tb_fsm; reg clk,rst; reg a; wire z; mealyfsm fsm(.clk(clk),.rst(rst),.a(a),.z(z)); initial begin clk = 0; rst = 1; #5 rst = 0; #3 rst = 1; #20 a = 1; #100 a = 1; #100 a = 0; #100 a = 0; #100 a = 1; #100 a = 0; #100 a = 0; #100 a = 1; #100 a = 0; #100 a = 0; #100 a = 0; #100 a = 0; #100 a = 1; #100 a = 0; #100 a = 0; #100 a = 1; #100 a = 0; #100 a = 1; #100 a = 0; end always #50 clk = ~clk; endmodule
有限状态机FSM设计
有限状态机(FSM)设计利用VHDL设计的许多实用逻辑系统中，有许多是可以利用有限状态机的设计方案来描述和实现的。
无论与基于VHDL的其它设计方案相比，还是与可完成相似功能的CPU相比，状态机都有其难以逾越的优越性。
它主要表现在以下几方面：由于状态机的结构模式相对简单，设计方案相对固定，特别是可以定义符号化枚举类型的状态，这一切都为VHDL综合器尽可能发挥其强大的优化功能提供了有利条件。
而且性能良好的综合器都具备许多可控或不可控的专门用于优化状态机的功能。
状态机容易构成性能良好的同步时序逻辑模块，这对于对付大规模逻辑电路设计中令人深感棘手的竞争冒险现象无疑是一个上佳的选择，加之综合器对状态机的特有的优化能，使得状态机解决方案的优越性更为突出。
状态机的VHDL设计程序层次分明，结构清晰，易读易懂，在排错、修改和模块移植方面，初学者特别容易掌握。
在高速运算和控制方面，状态机更有其巨大的优势。
由于在VHDL中，一个状态机可以由多个进程构成，一个结构体中可以包含多个状态机，而一个单独的状态机（或多个并行运行的状态机）以顺序方式的所能完成的运算和控制方面的工作与一个CPU类似。
由此不难理解，一个设计实体的功能便类似于一个含有并行运行的多CPU的高性能微处理器的功能。
事实上这种多CPU的微处理器早已在通信、工控和军事等领域有了十分广泛的应用。
就运行速度而言，尽管CPU和状态机都是按照时钟节拍以顺序时序方式工作的，但CPU 是按照指令周期以逐条执行指令的方式运行的；每执行一条指令通常只能完成一项操作，而一个指令周期须由多个CPU机器周期构成，一个机器周期又由多个时钟周期构成，一个含有运算和控制的完整设计程序往往需要成百上千条指令。
相比之下，状态机状态变换周期只有一个时钟周期，而且由于在每一状态中状态机可以完成许多并行的运算和控制操作，所以一个完整的控制程序，即使由多个并行的状态机构成，其状态数也是十分有限的。
EDA技术第八章有限状态机设计
EDA技术第八章有限状态机设计有限状态机（Finite State Machine，简称FSM）是一种用于描述和建模系统行为的数学模型。
它可以将系统的行为抽象化为一个有限的状态集合和状态间的转移关系。
在EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）技术中，有限状态机设计是一项关键技术，用于设计和实现数字电路中的控制逻辑。
有限状态机设计通常包括状态定义、状态转移关系以及输出逻辑的设计。
首先，需要明确定义系统的状态集合。
每个状态代表了系统在特定时间点的行为和状态。
状态可以是简单的布尔值，也可以是复杂的数据结构。
在有限状态机设计中，对状态的定义要具体明确，以便于后续的状态转移关系和输出逻辑的设计。
接下来，需要定义状态间的转移关系。
转移关系决定了系统在不同状态间的切换条件和方式。
可以通过绘制状态转移图或者使用状态转移表的方式来描述状态间的转移关系。
状态转移关系需要保证系统在任意时间点都有确定性的行为，即从一个状态到另一个状态的转移是唯一确定的。
最后，需要设计输出逻辑。
输出逻辑定义了系统在不同状态下的输出行为。
输出可以是控制信号，也可以是数据等其他形式。
输出逻辑的设计需要根据系统的需求和功能来确定，确保在不同状态下的输出能够满足系统的要求。
在有限状态机设计中，可以使用硬件描述语言（HardwareDescription Language，简称HDL）来实现系统的控制逻辑。
常见的HDL语言包括VHDL和Verilog。
通过使用HDL，可以将有限状态机的设计转化为硬件电路的实现，从而在芯片级别上实现系统的功能。
有限状态机设计在EDA技术中起到了至关重要的作用。
它可以帮助工程师更好地理解和描述系统的行为，从而优化和改进设计。
同时，有限状态机设计可以提高设计的灵活性和可重用性，使得设计更易于维护和扩展。
总之，有限状态机设计是EDA技术中的关键技术之一、它通过定义状态集合、状态转移关系和输出逻辑，帮助工程师实现系统的控制逻辑。
有限状态机的设计1212
有限状态机的设计
教学目的
认识状态机及其特点 学习状态转移图的画法 掌握摩尔（MOORE）型状态机的VHDL设计法 掌握米勒（MEALY）型状态机的VHDL设计法
0.1 什么是状态机
有限状态机(简称状态机)相当于一个控制器， 它将一项功能的完成分解为若干步，每一步对应 于二进制的一个状态，通过预先设计的顺序在各 状态之间进行转换，状态转换的过程就是实现逻 辑功能的过程。
ARCHITECTURE a OF mealy IS TYPE STATE IS (S0,S1,S2,S3,S4); SIGNAL pstate :STATE; BEGIN Mealy型 PROCESS(clk) 状态机描述 BEGIN IF (clk‟EVENT AND clk=„1‟) THEN CASE pstate is WHEN S0=> IF data=„1‟ THEN pstate<=S1; ELSE pstate<=S0; END IF; zo<=0; WHEN S1=> IF data=„1‟ THEN pstate<=S2; ELSE pstate<=S0; END IF; zo<=0; WHEN S2=> IF data=„1‟ THEN pstate<=S2; ELSE pstate<=S3; END IF; zo<=0; WHEN S3=> IF data=„1‟ THEN pstate<=S4; zo<=1; ELSE pstate<=S0; zo<=0;END IF; WHEN S4=> IF data=„1‟ THEN pstate<=S1; ELSE pstate<=S0; END IF; zo<=0; END CASE; END IF; END PROCESS;
教学目的
认识状态机及其特点 学习状态转移图的画法 掌握摩尔（MOORE）型状态机的VHDL设计法 掌握米勒（MEALY）型状态机的VHDL设计法
0.1 什么是状态机
有限状态机(简称状态机)相当于一个控制器， 它将一项功能的完成分解为若干步，每一步对应 于二进制的一个状态，通过预先设计的顺序在各 状态之间进行转换，状态转换的过程就是实现逻 辑功能的过程。
ARCHITECTURE a OF mealy IS TYPE STATE IS (S0,S1,S2,S3,S4); SIGNAL pstate :STATE; BEGIN Mealy型 PROCESS(clk) 状态机描述 BEGIN IF (clk‟EVENT AND clk=„1‟) THEN CASE pstate is WHEN S0=> IF data=„1‟ THEN pstate<=S1; ELSE pstate<=S0; END IF; zo<=0; WHEN S1=> IF data=„1‟ THEN pstate<=S2; ELSE pstate<=S0; END IF; zo<=0; WHEN S2=> IF data=„1‟ THEN pstate<=S2; ELSE pstate<=S3; END IF; zo<=0; WHEN S3=> IF data=„1‟ THEN pstate<=S4; zo<=1; ELSE pstate<=S0; zo<=0;END IF; WHEN S4=> IF data=„1‟ THEN pstate<=S1; ELSE pstate<=S0; END IF; zo<=0; END CASE; END IF; END PROCESS;
有限状态机的设计
状态化简
17个状态需要 5位的状态码 15个状态只需 要4位的状态码
重复的状态： •相同的输出，以及 •相同的转换条件 这里有两个重复的状态
用Verilog对摩尔型售货机建模
• 参照上面的结构，用Verilog建模是很容易的， 只要分别描述各个模块。 • 状态寄存器（时序逻辑的always语句块）。 • 下一个状态，组合逻辑（组合逻辑的always语 句块，使用case语句）。 • 输出组合逻辑块（组合逻辑的always语句块或 者使用assign连续赋值语句）。
系统内会出现哪些状态？
• 起始状态: • 对于不同的输入可能出现的状态: • 在交易前,售货机可以投入的最多金额是 多少?
– 售货机内已有25美分,此时只有一个25美分 25 , 25 的硬币可以使用…
• 找零的状态转换
用moore型状态机完成对控制核心的建模
•将所有可能出现的状态 罗列出来，并连接各个 状态之间的转换关系， 标注转换条件，可以得 到如左图所示的呢？能否对这一 很直观的方案作进一步 的优化？
有限状态机的设计
• 什么是状态机？ 什么是状态机？
– 状态机是由寄存器组和组合逻辑构成的硬 件时序电路； 件时序电路； – 其状态（即由寄存器组的1和0的组合状态 其状态（即由寄存器组的1 所构成的有限个状态）只能在同一 同一时钟跳 所构成的有限个状态）只能在同一时钟跳 变沿的情况下， 变沿的情况下，才能从一个状态转向另一 个状态； 个状态； – 一个状态究竟转向哪一状态，不但取决于 一个状态究竟转向哪一状态， 各个输入值，还取决于当前状态。 各个输入值，还取决于当前状态。 – 状态机可用于产生在时钟跳变沿时刻开关 状态机可用于产生在时钟跳变沿时刻开关 的复杂的控制逻辑， 的复杂的控制逻辑，是数字逻辑的控制核 心。
空调系统有限状态机的设计
空调系统有限状态机的设计-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN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，控制室内空调。
有限状态机的设计
2、状态编码
最常用的有三种编码方式： state0, state1, state2, state3 二进制 00， 01， 10， 11 格雷码 Gray 00， 01， 11， 10 独热编码One-hot 0001，0010， 0100，1000 CPLD使用Gray状态码，FPGA使用one-hot 编码
datain=0/out=0
case语句
datain=1/out=1
If(!datain) next_state=1’b0; else next_state=1’b1; end 1’b1 : begin out=datain; If(!datain) next_state=1’b0; else next_state=1’b1; end default: {next_state, out}=2’b00; endcase endmodule 必须规定状态变量，用来定义状态机的状态。 必须有初态处理和默认状态处理 要改变当前的状态，必须改变状态变量的值，状态变量的值的改变要与 时钟沿同步。
下一个状态 默认状态
改写为摩尔状态机
datain=0 rst=1 0 out=0 datain=0
datain=1 1 out=0
datain=0
datain=1 2 out=1 datain=1
改写为摩尔状态机
module exp(out, datain, clk, rst); input clk, rst, datain; output out; reg out; reg[1:0] state,next_state; always@(posedge clk or posedge rst) begin if(rst) state<=2’b0; else state<=next_state; end always@(state or datain) begin case(state) 2’b00: begin out=1’b0; if(!datain) next_state=2’b00; else next_state=2’b01; end 2’b01 : begin out=1’b0; if(datain) next_state=2’b10; else next_state=2’b00; end 2’b10 : begin out=1’b1; if(!datain) next_state=2’b00; else next_state=2’b10; end default: {next_state,out}=3’b000; endcase end endmodule
状态机设计
CLK ,STATUS : IN STD_LOGIC;
--CLK：工作时钟； --STATUS：转换结束状态位
适用于大型设计或FPGA
有限状态机的技术优势
设计方案相对固定，结构模式简单，可定义符 号化枚举类型的状态 状态机的VHDL描述层次分明，结构清晰，易 读易懂 基于有限状态机技术设计的控制器其工作速度 大大优于CPU 基于有限状态机技术设计的控制器其可靠性也 优于CPU
一般有限状态机的设计
一般有限状态机的VHDL组成
PROCESS (state)
-- 输出由当前状态唯一决定的组合逻辑进程
BEGIN CASE state IS WHEN s0 => output <= "00"; WHEN s1 => output <= "01"; WHEN s2 => output <= "10"; WHEN s3 => output <= "11"; END CASE; END PROCESS; END rtl;
主控组合逻辑部分：任务是根据状态机外部输入的
状态控制信号（包括来自外部的和状态机内部的非进程 的信号）和当前的状态值current_state来确定下一状态 next_state的取值内容，以及对外部或对内部其他进程输 出控制信号的内容
辅助逻辑部分：辅助逻辑部分主要是用于配合状态机
的主控组合逻辑和主控时序逻辑进行工作，以完善和提 高系统的性能
WHEN s0=> IF input = '0' THEN state <= s0; ELSE state <= s1; END IF; WHEN s1=> IF input = '0' THEN state <= s1; ELSE state <= s2; END IF;
有限状态机设计
One-hot编码状态机设计编码 编码状态机设计编码
module fsm3 (clk,reset,go,ws,ds,rd); ： reg [2:0] c_state; reg [2:0] n_state; parameter [2:0] S0 = 3'b0_00, S1 = 3'b0_01, S2 = 3'b1_01, S3 = 3'b0_10; always @(posedge clk) begin if(reset==1)
One-hot编码输出状态机设计 编码输出状态机设计
One-hot编码状态机设计框图 编码状态机设计框图
组 合 逻 辑 inputs 次态
当前状 态 次态 逻辑
当 前 状 态 寄 存 器 逻 辑
时序 逻 辑 State & outputs
clk
将输出逻辑通过One-Hot编码的方式和当前状态寄存器 融合在一起。输出信号未经过额外的逻辑对现态进行译码 ，而是直接来自状态寄存器，因而输出信号不会产生毛刺 ，同时减少了直接输出的逻辑，使电路综合面积更小，是 一种更高效的状态机
有限状态机的设计
温国忠
主要内容
1.有限状态机基本结构 有限状态机基本结构 2.有限状态机设计方法 有限状态机设计方法
有限状态机
相当于一个控制器， 相当于一个控制器，它将一项功能的完成分解 为若干步，每一步对应二进制的一个状态， 为若干步，每一步对应二进制的一个状态，通过 预先设计的顺序在各状态之间进行转换， 预先设计的顺序在各状态之间进行转换，状态转 换的过程就是实现逻辑功能的过程。 换的过程就是实现逻辑功能的过程。 状态机的输出信号逻辑值必然与当前状态有关， 状态机的输出信号逻辑值必然与当前状态有关， 但不一定与输入变量有关， 但不一定与输入变量有关，因此根据状态机的输 出变量是否与输入变量有关， 出变量是否与输入变量有关，可将状态机分为 Moore型与 型与Mealy型状态机。 型与 型状态机
空调系统有限状态自动机的设计
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。
状态机的设计
寄存器B
d q
寄存器C
开关S2
开关S4
开关S6
为什么要设计有限状态机？
如果能严格以时钟跳变沿为前提，按排好时序，来 操作逻辑系统中每一个开关Si，则系统中数据的流 动和处理会按同一时钟节拍有序地进行，避免了冒 险和竞争现象，时延问题就能有效地加以解决。
利用有限状态机就能产生复杂的以时钟跳变沿为前 提的同步时序逻辑，并提供操作逻辑系统的开关阵 列所需要的复杂控制时序（具有信号无锁和先后次 序等要求的）。
为什么要设计有限状态机？
有了以上电路，我们就不难设计出复杂 的控制序列来操纵系统的开关阵列。能 达到以上要求的电路就是时序和组合电 路互相结合的产物：同步有限状态机和 由状态和时钟共同控制的开关逻辑。我 们只要掌握有限状态机的基本设计方法， 加上对基本电路的掌握，再加上对数据 处理的过程的细致了解，我们就能设计 出符合要求的复杂数字逻辑系统。
LinkBusSwitc h
ZZ 开
为什么要设计有限状态机？ ： ControlSwitchwitch
In[6]
Q[6]
CLOCK
。 。 。 D Q[6]
带寄存器的八位数据通道控制器的verilog描述
`define ON 1 ‘b 1 `define OFF 1 ‘b 0 wire ControlSwitch; wire clock wire [7:0] out, in; always @(posedge clock) if (ControlSwith== `ON) out <= in ; else out <= out;
开关逻辑应用举例：寄存器间数据流动的控制开关
开关S1
组合逻辑
开关S2
组合逻辑
dd qq dd qq
d q
寄存器C
开关S2
开关S4
开关S6
为什么要设计有限状态机？
如果能严格以时钟跳变沿为前提，按排好时序，来 操作逻辑系统中每一个开关Si，则系统中数据的流 动和处理会按同一时钟节拍有序地进行，避免了冒 险和竞争现象，时延问题就能有效地加以解决。
利用有限状态机就能产生复杂的以时钟跳变沿为前 提的同步时序逻辑，并提供操作逻辑系统的开关阵 列所需要的复杂控制时序（具有信号无锁和先后次 序等要求的）。
为什么要设计有限状态机？
有了以上电路，我们就不难设计出复杂 的控制序列来操纵系统的开关阵列。能 达到以上要求的电路就是时序和组合电 路互相结合的产物：同步有限状态机和 由状态和时钟共同控制的开关逻辑。我 们只要掌握有限状态机的基本设计方法， 加上对基本电路的掌握，再加上对数据 处理的过程的细致了解，我们就能设计 出符合要求的复杂数字逻辑系统。
LinkBusSwitc h
ZZ 开
为什么要设计有限状态机？ ： ControlSwitchwitch
In[6]
Q[6]
CLOCK
。 。 。 D Q[6]
带寄存器的八位数据通道控制器的verilog描述
`define ON 1 ‘b 1 `define OFF 1 ‘b 0 wire ControlSwitch; wire clock wire [7:0] out, in; always @(posedge clock) if (ControlSwith== `ON) out <= in ; else out <= out;
开关逻辑应用举例：寄存器间数据流动的控制开关
开关S1
组合逻辑
开关S2
组合逻辑
dd qq dd qq
第七章有限状态机的设计案例
程序设计的有如下优点：
设计方案相对固定，程序层次分明，结 构清晰，特别是可以定义为符号化枚 举类型的状态，使综合器对状态机具 有很大的优化功能。
容易构成性能良好的同步时序模块，容 易消除电路中的毛刺现象。
由纯硬件组成，工作方式是根据控制信 号按照预先设定的状态进行顺序运行
二、状态机的分类
按照不同的分类方法有不同类型的状态机
主
控
时
序
进
程
;
'1' <0; ' '1' <; ;
自定义数据类 型state，枚举 类型
在时钟驱动下，负 责状态转换，但是 不负责下一状态的 具体状态取值
一、什么是状态机？（续2）
()
主 控 组 合 进 程
; ;
s0 =>q<="0000"<1; s1 =>q<="0001"<2; s2 =>q<="0011"<3; s3 =>q<="0111"<4; s4 =>q<="0110"<5; s5 =>q<="0100"<0; ;
第7章 有限状态机的设计
主要内容
状态机的概述 概念、优点、分类 （摩尔）型状态机 （米利）型状态机 状态编码 非法状态
一、什么是状态机？
先看一个例子—设计一个六进制约翰逊计数器
什么叫做约翰逊计数器？
➢一般的二进制计数器或
十进 制 计 数 器 , 由 于 在 每
clk
次计数时常有不止一位触
在箭头转移处
有限状态机的Verilog设计与研究
谢谢观看
end
endcase
end
end
endmodule
该有限状态机使用三个寄存器来存储当前的状态，并在每个时钟周期检查输入 信号和当前状态来确定下一个状态。如果接收到读取信号，它将输出与输入相 同的数据，并在下一个时钟周期回到空闲状态。如果接收到写入信号，它也会 输出与输入相同的数据，并在下一个时钟周期回到空闲状态。该有限状态机的 设计是可综合的，因为它只包含基本的逻辑门和触发器，并且它的输出只依赖 于当前的状态和输入信号。
end else begin state <= STANDBY;
end
end
endcase
end
end
assign led = state;
endmodule
有限状态机的测试
为了确保有限状态机的正确性，需要对Verilog设计的有限状态机进行测试。 以下是测试过程中需要注意的几点：
end else begin state <= IDLE;
end
end
FLASH: begin
if (flash_timeout) begin state <= STANDBY;
end else begin state <= FLASH;
end
end
STANDBY: begin
if (activate) begin state <= FLASH;
有限状态机的Verilog设计与研究
01 引言
目录
02 有限状态机的设计
03 reg [1:0] state;
05
end else begin
04
if (rst) begin
06
有限状态机(FSM)设计
接下页
BEGIN REG: PROCESS (reset,clk) --主控时序进程 BEGIN IF reset = '1' THEN current_state <= s0;--检测异步复位信号 ELSIF clk='1' AND clk'EVENT THEN current_state <= next_state; END IF; END PROCESS; COM:PROCESS(current_state, state_Inputs) --主控组合进程 BEGIN CASE current_state IS WHEN s0 => comb_outputs<= 5; IF state_inputs = "00" THEN next_state<=s0; ELSE next_state<=s1; END IF; WHEN s1 => comb_outputs<= 8; IF state_inputs = "00" THEN next_state<=s1; ELSE next_state<=s2; END IF; WHEN s2 => comb_outputs<= 12; IF state_inputs = "11" THEN next_state <= s0; ELSE next_state <= s3; END IF; WHEN s3 => comb_outputs <= 14; IF state_inputs = "11" THEN next_state <= s3; ELSE next_state <= s0; END IF; END case; END PROCESS; END behv;
BEGIN REG: PROCESS (reset,clk) --主控时序进程 BEGIN IF reset = '1' THEN current_state <= s0;--检测异步复位信号 ELSIF clk='1' AND clk'EVENT THEN current_state <= next_state; END IF; END PROCESS; COM:PROCESS(current_state, state_Inputs) --主控组合进程 BEGIN CASE current_state IS WHEN s0 => comb_outputs<= 5; IF state_inputs = "00" THEN next_state<=s0; ELSE next_state<=s1; END IF; WHEN s1 => comb_outputs<= 8; IF state_inputs = "00" THEN next_state<=s1; ELSE next_state<=s2; END IF; WHEN s2 => comb_outputs<= 12; IF state_inputs = "11" THEN next_state <= s0; ELSE next_state <= s3; END IF; WHEN s3 => comb_outputs <= 14; IF state_inputs = "11" THEN next_state <= s3; ELSE next_state <= s0; END IF; END case; END PROCESS; END behv;
有限状态机设计
ENTITY AD574 IS
PORT (
d:
IN STD_LOGIC_VECTOR(11 DOWNTO 0);
clk,status :
IN STD_LOGIC; --时钟CLK，状态信号STATUS
lock0 :
OUT STD_LOGIC; --内部锁存信号LOCK旳测试信号
cs,a0,rc,k12x8 : OUT STD_LOGIC; --AD574控制信号
决定进入下一种状态。
（if - then - else）
二、一般有限状态机旳设计
6.2.1 一般有限状态机构成
4. 辅助进程：
clk reset State_inputs
状态机 Current_state
Next_state
一般状态机工作示意图
Comb_output
二、一般有限状态机旳设计
【例 6-1 】一般两进程有限状态机描述
下一状态 输出
001
0
000
0
…
…
状态机旳表达措施2
措施二：算法流程图 措施与软件程序旳流程图类似
状态机旳表达措施3
措施三：状态转换图 条件控制
定序
状态1
入
入
/出
状态4
/出
入
入
状态3
/出
状态2
/出
Moore
直接控制 定序
状态机旳表达措施3
措施三：状态转换图 条件控制
定序
状态1
入 /出
入 /出
状态4
工作状态
禁止
禁止
开启12位转换 开启8位转换 12位并行输出有效 高8位并行输出有效 低4位加上尾随4个0有效
状态机的设计
• 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，可以将电机的 不同转速作为状态;在设计通信系统时，可以将信令的状态 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 控制电路时，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。
Out[7] …... …... Out[0]
为什么要设计有限状态机？
组合逻辑举例之二：一个八位三态数据通路控制器 `define ON 1 ‘b 1 `define OFF 1 ‘b 0 wire LinkBusSwitch; wire [7:0] outbuf; inout [7:0] bus; assign bus = (LinkBusSwitch== `ON) ? outbuf : 8 ‘hzz always@(posedge clk) Begin … If(!linkbusswitch) Inbuf<=bus; …. End
• 状态转移图
状态转移图是状态机描述中最自然的方式，状 态转移图经常在设计规划阶段定义逻辑功能时使 用，也可以在分析已有源代码中的状态机时使用， 这种图形化的描述方式非常有助于理解设计意图。
• 状态转移列表 状态转移列表是用列表的方式描述状态机， 是数字逻辑电路常用的设计方法之一，经常被 用于状态化筒，对于可编程逻辑设计而言，由 于可用逻辑资源比较丰富，而且状态编码要考 虑设计的稳定性、安全性等因素，所以并不经 常使用状态转移列表优化状态. • HDL 语言描述状态机 如何使用HDL 语言描述状态机是本课程所要 讨论的重点，使用HDL 语言描述状态机应具有 一定的灵活性，但是决不是天马行空，而是有 章可循的.通过使用一些规范的描述方法，可以 使HDL 语言描述状态机更安全、更稳定、更高 效、更易于维护.
程序设计之有限状态机
程序设计之有限状态机程序设计之有限状态机状态机？以前听说过，忘了是老师说的，还是老大说得了。
当时的认识也就是字面的意思，无非是和状态以及状态转换有关系。
也许在写过或者读过的一些代码中有遇到过有限状态机的程序，但是当时是一定没有想到这就是状态机吧。
最近在学习一些东西的时候竟然多次遇到，觉得还是有必要写点关于程序设计中有限状态机的东西。
，这里是一篇对状态机从定义到实现都有很好解释的文章，摘录部分如下：*************************************************************** ************************依据状态之间是否有包含关系，分以下两种（1）常规状态机。
状态机中的所有状态是不相交的、互斥的。
（2）层次状态机。
状态机中的状态之间要么是互斥的，要么是真包含的，可以用树性结构来描述这些状态集，包含其它状态的状态称为枝节点，不包含其它状态的状态称为叶节点，为方便单树描述，总是设计一个状态包含所有的状态节点，称为根节点。
状态机的状态只能停留在叶节点，而不能停留在枝节点，每个枝节点需要指定一个子节点为它的默认子节点，以便状态机进入枝节点的时候能够停留到叶节点。
一般都用switch/case if/else方式实现。
在少量状态（3个及其以下）的时候，不需要引入专门的状态机模块。
常规状态机模块实现涉及到的结构由上而下为：顶层结构是状态机：当前状态id，缺省操作，状态表，状态表：状态数组状态结构：状态id，状态名，进入操作，退出操作，缺省操作，状态事件表（数组）状态事件结构：操作，事件，下一状态的id*************************************************************** ************************从代码易读及美观角度来说，建议用switch/case来实现。
从经验来看，在一些稍大的程序设计中一般都会有状态机的实现，特别是在分层实现，协议栈实现，编解码方面。
机器人程序设计中的状态机设计
机器人程序设计中的状态机设计一、前言工业机器人系统通常分为机器人本体和控制器两大部分。
微控制器的主要作用是根据用户的指令对机器人本体进行操作和控制，为每一个不同的机器人设计不同功能的控制程序是一个设计者经常感到困扰的难题。
许多机器人都是有多个任务的，这些任务间是相关联的，且每个任务都有明确的细致要求，这就使得机器人的控制设计难度增大。
在此，有一种叫状态机理论的相关概念，它能用在机器人的控制程序设计上。
二、有限状态机理论有限状态机，又称有限状态自动机，简称状态机。
有限状态机理论构成有限状态机的具体内容是：有限状态机是由寄存器组和组合逻辑构成的硬件时序电路。
它是由有限个状态相互间的转换构成的，下一个状态不但取决于各个输入值，还取决于当前的所有状态。
在任意时刻，当前状态就只能存在一个。
只有在有事件输入的条件下，状态才会产生并发出一个输出。
对在给定时刻要进行的活动的描述的是动作。
它包括了进入动作、退出动作、输入动作和转移动作四个动作。
三、有限状态机的优、缺点有限状态机，又称有限状态自动机，简称状态机，是表示有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型。
它具有以下优缺点：优点：思路明确，内容简单易懂，状态间的关系明了，容易编程；只需要改动输出就可以改动机器人的动作要求；当发现程序不对时，更能快速的找到错误的点。
缺点：在每一个时刻，有且只有一个状态，没有并发性的表达方式，更不能描述异步并发系统；当设计需求的状态太多时，反而编程变得更耗时和困难。
四、基于状态转换方法的机器人的程序控制的设计实例状态机是具有基于状态的动态行为的机器。
它是一个动态系统，对时间和状态产生的时间做出反应。
一个状态机包含一组有限的状态和一组转换的集合。
其中状态描述运算中不同的阶段，而转换所描述的是如何使运算从一个状态变化到另一个状态。
依赖于此理论的有限性，才能发此理论用在机器人的编程设计上，设计时可以把机器人的每个动作按要求先合理分成多个状态，并给予特定的符号代表每个状态，在每个状态给予相应的输出要求，及机器人的动作和反映。
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ARCHITECTURE a OF jtd IS TYPE STATE IS (S0,S1,S2,S3); SIGNAL pstate :STATE; BEGIN PROCESS(clk) BEGIN IF (clk’EVENT AND clk= ‘1’) THEN CASE pstate is WHEN S0=> pstate<=S1; WHEN S1=> pstate<=S2; WHEN S2=> pstate<=S3; WHEN S3=> pstate<=S0; END CASE; END IF; END PROCESS; ZO<=“010100” WHEN pstate=s0 ELSE “001100” WHEN pstate=s1 ELSE “100010” WHEN pstate=s2 ELSE “100001”; END a;
定义状态机
状态转换描述
输出信号描述
0.5 Mealy型状态机设计方法
X
Y
clk
米勒型状态机的典型结构
0.5 Mealy型状态机设计方法 Mealy型状态机输出不仅和存储电路状 态有关，还和外部输入信号有关，即 : 外部输出是内部状态和外部输入的函数
状态图描述方式：
Data_INi/ZOi
Si
0.5 Mealy型状态机设计方法 : ③ 状态转移图 状态转移图:
Moore型状态机设计方法
实体设计
LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY moore IS PORT（ clk, data：IN STD_LOGIC; :OUT STD_LOGIC); zo END moore;
ARCHITECTURE a OF moore IS 定义状态机 TYPE STATE IS (S0,S1,S2,S3,S4); SIGNAL pstate :STATE; BEGIN PROCESS(clk) 状态转移描述 BEGIN IF (clk ’EVENT AND clk= ‘1’) THEN CASE pstate is WHEN S0 => IF data=‘1’ THEN pstate<=S1; ELSE S0=> pstate<=S0; END IF; WHEN S1 => IF data=‘1’ THEN pstate<=S2; ELSE S1=> pstate<=S0; END IF; WHEN S2 => IF data=‘0’ THEN pstate<=S3; ELSE S2=> pstate<=S2; END IF; WHEN S3 => IF data=‘1’ THEN pstate<=S4; ELSE pstate<=S0; S3=> END IF; WHEN S4 => IF data=‘1’ THEN pstate<=S1; ELSE S4=> 输出信号描述 pstate<=S0; END IF; END CASE; END IF; END PROCESS;
Moore型状态机设计方法
仿真波形
0.4 Moore型状态机设计方法 位于十字路口的交通灯，在 A方向和 B方向 练习： 练习：位于十字路口的交通灯，在 位于十字路口的交通灯，在A 方向和B 10 秒变换一次。变换 各有红、黄、绿三盏灯，每 各有红、黄、绿三盏灯，每10 10秒变换一次。变换 顺序如下表： A方向 绿 黄 红 红 B方向 红 红 绿 黄
Moore型状态机设计方法
（1） 分析设计要求，列出全部可能状态 : 分析设计要求，列出全部可能状态:
0） 未收到一个有效位（ 未收到一个有效位（0 收到一个有效位（ 1） 收到一个有效位（1 11 ） 连续收到两个有效位（ 连续收到两个有效位（11 11） 110 ） 连续收到三个有效位（ 连续收到三个有效位（110 110） 1101 ） 连续收到四个有效位（ 连续收到四个有效位（1101 1101） ：S0 ：S1 ：S2 ：S3 ：S4
0.2 为什么使用状态机
� 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。
有限状态机的设计
教学目的
� 认识状态机及其特点 � 学习状态转移图的画法 � 掌握摩尔（MOORE）型状态机的VHDL设计法 � 掌握米勒（MEALY）型状态机的VHDL设计法
0.1 什么是状态机
有限状态机(简称状态机)相当于一个控制器， 它将一项功能的完成分解为若干步，每一步对应 于二进制的一个状态，通过预先设计的顺序在各 状态之间进行转换，状态转换的过程就是实现逻 辑功能的过程。
ARCHITECTURE a OF mealy IS TYPE STATE IS (S0,S1,S2,S3,S4); Mealy型 SIGNAL pstate :STATE; BEGIN 状态机描述 PROCESS(clk) BEGIN IF (clk ’EVENT AND clk= ‘1’) THEN CASE pstate is WHEN S0=> IF data=‘1’ THEN pstate<=S1; ELSE pstate<=S0; END IF; zo<=0; WHEN S1=> IF data=‘1’ THEN pstate<=S2; ELSE pstate<=S0; END IF; zo<=0; WHEN S2=> IF data=‘1’ THEN pstate<=S2; ELSE pstate<=S3; END IF; zo<=0; WHEN S3=> IF data=‘1’ THEN pstate<=S4; zo<=1; ELSE pstate<=S0; zo<=0;END IF; WHEN S4=> IF data=‘1’ THEN pstate<=S1; ELSE pstate<=S0; END IF; zo<=0; END CASE; END IF; END PROCESS;
———— 001100
S3 ————
100001
S2
———— 100010
0.4 Moore型状态机设计方法
实体设计
LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY jtd IS PORT（ clk：IN STD_LOGIC; :Байду номын сангаасUT STD_LOGIC_VECTOR(5 ZO ZO:OUT DOWNTO 0)); END jtd;
Moore型状态机设计方法 : （2） 状态转移图 状态转移图:
Data_INi
0
1101
Si/ZOi
S0/0
0 0 1 0 1 1 1
S4/1
S1/0
1
S3/0
0
S2/0
0.4 Moore型状态机设计方法
（3）用VHDL语言描述状态机 � 定义状态机— 枚举类型 � 状态转换描述 � 输出信号描述
0.4 Moore型状态机设计方法 交通灯的全部状态及输出： 状态 S0 S1 S2 S3 A方向 （红绿黄） 010 001 100 100 B方向 （红绿黄） 100 100 010 001
0.4 Moore型状态机设计方法 : 画出状态转移图 画出状态转移图: S0
———— 010100
S1
状态转移图描述方式：
Data_INi
Si/ZOi
0.4 Moore型状态机设计方法 例：设计一个序列检测器。要求检测器连续收到 {1101} 后，输出检测标志 1，否则输出 0。 串行码 串行码{1101} {1101}后，输出检测标志 后，输出检测标志1 ，否则输出0
状态机设计步骤： ① 分析设计要求，列出全部可能状态； ② 画出状态转移图； 语言描述状态机。 ③ 用VHDL VHDL语言描述状态机。
0.3 状态机分类
根据输出信号产生的机理不同，状态机可以分成两类： �摩尔(Moore)型状态机--输出信号仅和状态有关 �米勒(Mealy)型状态机--输出信号和状态与输入信号有关
4 Moore型状态机设计方法
输入 X c1k
输出 Y
摩尔型状态机的典型结构
Moore型状态机设计方法 More型状态机输出仅和存储电路的状 态有关，与外部输入无关，即: 外部输出是内部状态的函数。
Data_INi/ZOi
Si
0/0
0/0
1101
S0
1/0
1/0 0/0
S4
0/0 1/1
S1
1/0
1/0
S3
0/0
S2
0.2 Mealy型状态机设计方法
实体设计
LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY mealy IS PORT（ clk, data：IN STD_LOGIC; zo :OUT STD_LOGIC); END mealy;
小
� � � �
结
状态机容易构成性能良好的数字系统控制器； 状态机可以分为摩尔型和米勒型； 摩尔型状态机的输出只和状态机的状态有关； 米勒型状态机的输出和状态机的状态及输入信号有 关； � 状态机的设计步骤是分析状态、画状态转移图、 VHDL描述 �VHDL描述一般使用枚举类型定义状态机。