状态机讲义
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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。
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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。
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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
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（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
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概括而言，状态机由状态组成，各状态由转移连接在一起。状态是执行某项活动或等待某个事件的条件。转移是两个状态之间的关系，它由某个事件触发，然后执行特定的操作或评估并导致特定的结束状态。
状态的图示如下
转移方向
转移条件（触发事件）
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状态转换图如下图所示。
输出01
1/00
Res/Q1Q2
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状态转换表如表5.1所示。
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（3）状态机的分类
①摩尔型状态机和米勒型状态机。
摩尔型状态机：利用组合逻辑链将当前状态译码转化为输出，其状态只在全局时钟信号改变时才改变。其最重要的特点就是将输入与输出信号隔离，所以输出稳定，能有效消除竞争冒险。如无特殊功能设计要求，摩尔状态机是设计首选。
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输入
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米勒型状态机：其输出与当前状态和输入都有关，且对输入的响应发生在当前时钟周期，比摩尔型状态机对输入信号的响应要早一个周期。所以输入信号的噪声会直接影响输出信号，即具有竞争冒险且不能消除。
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输入
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②同步状态机和异步状态机
异步状态机的状态转移不由唯一的时钟边沿触发，目前多数综合工具在对异步状态机进行逻辑优化时会胡乱地简化逻辑，使综合后的异步状态机不能正常工作。因此，应尽量不要使用综合工具来设计异步状态机。
为了能综合出有效的电路，用VerilogHDL 描述的状态机应明确地由唯一时钟触发，称之为同步状态机，它是设计复杂时序逻辑电路最有效、最常用的方法之一。
异步状态机实现的功能通常都可以由同步状态机来实现。
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③单进程、双进程和多进程状态机
一个有限状态机总是可以被分成状态译码、状态寄存器和输出译码三个模块，可以有五种不同的方式将这些模块分配到进程语句，以实现对状态机的描述。
A. 三个模块用一个进程实现，也就是说三个模块均在一个always 块
内，这种状态机描述称为单进程有限状态机，它既描述状态转移，又描述状态的寄存和输出。
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B. 每一个模块分别用一个进程实现，也就是说三个模块对应着三个
always 块，这种状态机描述称为三进程有限状态机，其中一个always 模块采用同步时序描述状态转移；另一个模块采用组合逻辑判断状态转移条件，描述状态转移规律；第三个always 模块使用同步时序电路描述每个状态的输出。
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C. 次态译码、输出译码分配在一个进程中，状态寄存器用另一个进程
描述。
D. 次态译码、状态寄存器分配在一个进程中，输出译码用另一个进程
描述。
E. 次态译码用一个进程描述，状态寄存器、输出译码用另一个进程描
述。
在后三种状态机描述中，三个模块对应着两个always 块，这种状态机描述称为
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2、状态机的设计流程
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3、状态机的编码方式
状态机的N 种状态通常需要用某种编码来表示，即状态编码，又称为状态分配。
（1）顺序二进制码：最紧密的编码，使用状态向量的位数最少，类似与前述的二进制编码器。但从一个状态转移到相邻状态时，可能会有多个比特位发生变化，易产生毛刺。
（2）格雷码：在相邻状态的转换中，每次只有一个比特位发生变化，消除了产生毛刺的问题，但不适用于有很多状态跳转的情况。 （3）独热码：指对任意给定的状态，状态向量中仅有一位“1”，而其
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余为“0”，所以N 状态的状态机需要N 个触发器。
（4） 直接输出型编码：将状态码中的某些位直接输出作为控制信号，要求状态机各状态的编码作特殊的选择，以适应控制信号的要求，该编码需要根据输出变量来定制编码。
独热码是指对任意给定的状态，状态向量中仅有一位为“1”而其余位都为“0”。
（1） 独热编码的状态机具有高速的特点。状态机的速度与其状态的数量无关，仅取决
于状态跳转的数量；
（2） 独热编码方法无须考虑最优状态编码，当修改状态机时，添加的状态编码和原始
的编码都具有同等的功能；
（3） 关键路径很容易被发现，有利于进行准确的静态时序分析；
（4） 任何状态都可以直接进行添加/删除等修改而不会影响状态机的其余部分；
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（5） 具有设计描述简单易懂和维护便利的特点，更有利于使用FPGA 器件完成综合和实
现。
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其缺点是：
（1） 当任意状态发生跳转时，与之相关的一位也必发生跳变。由于状
态机的输出是由寄存器生成的，如果变化的状态位越多，产生的毛刺就越多。
（2） 可能会有很多的无效状态，应确保状态机一旦进入无效状态时，
可以立即跳转到确定的已知状态以避免死锁现象的出现。
verilog经典三段式状态机设计实例
Moore型verilog源代码：FSM实现10010串的检测Moore状态转移图 module moorefsm(clk,rst,a,z); input clk,rst; input a; output z; reg 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; parameter S5 = 4'b0101; always@(posedge clk or negedge rst) begin if(!rst) currentstate <= S0; else
currentstate <= nextstate; end always@(currentstate or a or rst) begin if(!rst) nextstate = S0; else case(currentstate) S0: nextstate = (a==1)?S1:S0; S1: nextstate = (a==0)?S2:S1; S2: nextstate = (a==0)?S3:S1; S3: nextstate = (a==1)?S4:S0; S4: nextstate = (a==0)?S5:S1; S5: nextstate = (a==0)?S3:S1; default: nextstate = S0; endcase end always@(rst or currentstate) begin if(!rst) z = 0; else case(currentstate) S0: z = 0;S1: z = 0;S2: z = 0; S3: z = 0;S4: z = 0;S5: z = 1; default: z = 0; endcase end endmodule
Verilog设计练习十例及答案
设计练习进阶 前言： 在前面九章学习的基础上，通过本章的练习，一定能逐步掌握Verilog HDL设计的要点。我们可以先理解样板模块中每一条语句的作用，然后对样板模块进行综合前和综合后仿真，再独立完成每一阶段规定的练习。当十个阶段的练习做完后，便可以开始设计一些简单的逻辑电路和系统。很快我们就能过渡到设计相当复杂的数字逻辑系统。当然，复杂的数字逻辑系统的设计和验证，不但需要系统结构的知识和经验的积累，还需要了解更多的语法现象和掌握高级的Verilog HDL系统任务，以及与C语言模块接口的方法（即PLI），这些已超出的本书的范围。有兴趣的同学可以阅读Verilog语法参考资料和有关文献，自己学习，我们将在下一本书中介绍Verilog较高级的用法。 练习一．简单的组合逻辑设计 目的: 掌握基本组合逻辑电路的实现方法。 这是一个可综合的数据比较器，很容易看出它的功能是比较数据a与数据b，如果两个数据相同，则给出结果1，否则给出结果0。在Verilog HDL中，描述组合逻辑时常使用assign 结构。注意equal=(a==b)1:0,这是一种在组合逻辑实现分支判断时常使用的格式。 模块源代码： " qual(equal),.a(a),.b(b)); 简单时序逻辑电路的设计 目的：掌握基本时序逻辑电路的实现。
在Verilog HDL中，相对于组合逻辑电路，时序逻辑电路也有规定的表述方式。在可综合的Verilog HDL模型，我们通常使用always块和@(posedge clk)或@(negedge clk)的结构来表述时序逻辑。下面是一个1/2分频器的可综合模型。 eset(reset),.clk_in(clk),.clk_out(clk_out)); endmodule 仿真波形： 练习：依然作clk_in的二分频clk_out，要求输出与上例的输出正好反相。编写测试模块，给出仿真波形。 练习三. 利用条件语句实现较复杂的时序逻辑电路 目的：掌握条件语句在Verilog HDL中的使用。 与常用的高级程序语言一样,为了描述较为复杂的时序关系，Verilog HDL提供了条件语句供分支判断时使用。在可综合风格的Verilog HDL模型中常用的条件语句有if…else和case…endcase两种结构，用法和C程序语言中类似。两者相较，if…else用于不很复杂的分支关系，实际编写可综合风格的模块、特别是用状态机构成的模块时，更常用的是case…endcase 风格的代码。这一节我们给的是有关if…else的范例，有关case…endcase结构的代码已后会经常用到。 下面给出的范例也是一个可综合风格的分频器，是将10M的时钟分频为500K的时钟。
任务4.1 基于状态机的程序架构
项目4 简易数字钟的设计（2） 计算机专业有门必修课程叫“软件工程”，这门课程告诉软件学习者们如何系统性的、规范化的、可定量的过程化方法去开发和维护软件。我们在学习单片机编程的过程当中，也应该借鉴“软件工程”课程当中的讲述的方法和手段，去维护和规范我们的单片机程序。 在本单元当中，我们安排了4个任务。任务1介绍了一种基于状态机的程序框架，通过状态机的学习，初学者可以写出思路清晰、多任务运行流畅的程序。任务2介绍了程序的风格和可移植性，规范了变量和函数等的命名，并简单介绍了C51中提高程序可移植性的方法。任务3介绍了程序模块化的实现方法，让初学者学会合理的管理程序。任务4中运用本单元所讲的知识，结合前一单元,完成简易数字钟的设计。 【内容安排】 4.1 基于状态机的程序框架 4.2 程序的风格和可移植性 4.3 程序的模块化 4.4 简易数字钟的设计
任务4.1 基于状态机的程序框架 4.1.1 任务介绍 上一单元中已经多次提到多任务运行时,延时函数(DelayMs())对程序的危害性，堵塞CPU，系统任务的实时性得不到有效的保证。在3.4节中，提到中断可以提高任务的实时性，但是单片机的中断数量是有限的，不可能每一个任务都有中断。在 3.5节中，通过定时器中断服务函数提供的时标信号，定时扫描LED和数码管，可以消除延时函数，时标信号给我们提供了一种新的思路来消除延时函数（本质上还是借助于中断）。但是LED闪烁和动态数码管扫描都是属于状态时间分配均匀的（LED闪烁有两个状态，亮和灭分配时间相等；数码管每个位扫描的时间也相等），程序易于实现。对于像按键检测这样的（时间分配不均匀的）任务，怎样来消除程序中的延时呢？ 本节任务是： 利用本节所讲“状态机”，改写独立按键程序，并增加“长按”、“连击”等功能。 4.1.2 知识准备 1、状态机的思想 网络上经常报道特级象棋大师车和多人一起下象棋，采用的方式是“车轮战”。车轮战有两种方式：（1）象棋大师先和甲开始下象棋，直到有了结果，然后才轮到乙和象棋大师对阵，下完了之后，然后是丙......，一直到和最后一个人下完。（2）象棋大师先和A下一步棋，然后再和B下一步棋，然后再和C，和......，和所有人下完一遍后，再回头从A开始，一个人接一个人。 很显然“车轮战”的第1种方式效率不如第2种方式效率高，报道上的“车轮战”也是指的第2种方式。原因在于象棋大师的水平远远高于其他人，如果采用第一种方式，象棋大师下一步棋很快，甲需要考虑很长时间才能落子，象棋大师在和甲下棋的过程中，其他人只能等待。如果采用第二种方式，象棋大师和甲只下一步棋，然后再和乙也下一步棋，和所有人下完一步棋之后，再从甲开始，这样看起来是所有人都在下象棋，效率自然远高于第一种方式。 “车轮战”的第2种方式，实际上就是程序中状态机的基本原理。程序中的多个任务可以看成是其他棋手，CPU是象棋大师，CPU在执行多个任务时，不再是先执行任务1，执行完任务1后，再执行任务2，而是把每个任务又划分出多个小任务（小任务中没有时间等待），CPU每次只执行每个任务中的小任务，执行完任务1中的一个小任务后，然后快速转向任务2中的小任务，按照这种模式轮询下去，由于CPU很快（象棋大师），整个程序中的任务都得到了实时的执行。任务中的小任务是按照任务的状态来划分的，故称为“状态机”。
状态机例子
WF 状态机工作流构建订单处理流程-范例程序分析 Part 1 状态机工作流（State Machine Workflow）是以状态的变化为驱动而进行业务流转的，且一定需要人为的干预，而不像顺序类型工作流（Sequential Workflow）那样按照事先设计好的业务流程一步一步依次执行下去。 State活动有3种类型的状态：起始状态（Initial State）、业务逻辑过程状态、终止状态（Completed State），在一个状态机工作流中起始状态和终止状态只能有一个。状态机工作流是从起始状态开始执行，在运行过程中通过业务逻辑状态的变化来进行工作流的流转，最终由终止状态标志工作流的结束。因此在状态机工作流设计界面上只能添加State 状态活动，另外，在该状态中还可以添加一个或多个EventDriven 活动。下面通过一个订单处理流程的范例，详细介绍状态机工作流的使用。 下图简要描述了订单处理流程，你会发现许多地方需要用户参与或输入，来改变工作流。例如，财务部门依赖于支付情况来改变工作流，采购部门依赖于库存情况来改变工作流等等。 按照下面具体的操作步骤，一步一步实现上述状态机工作流演示程序。 1. 创建接口程序
由于状态机工作流中大量使用HandleExternalEvent 活动来接收应用程序的操作事件，从而改进该工作流上运行的业务实体的状态，因此需要定义一个接口程序作为工作流和应用程序之间沟通的桥梁。本范例程序中将通过接口中的7个事件来模拟状态机工作流的触发，接口IOrder.cs 如下所示。需要注意的是：我们引用System.Workflow.Activities，并且接口添加了[ExternalDataExchange]属性。 2. 创建Class Library项目，并添加State Machine Workflow（状态机工作流）文件。如下图所示。
基于状态机的LCD多级菜单设计方案
基于状态机的LCD多级菜单设计方案 1概述 液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）由于其体积和功耗等因素，非常适合嵌入式环境的使用。近年来，随着微处理器性能的提高，嵌入式系统实现的功能越来越强大，产生的数据量也越来越大。相对应地，需要显示的数据量也随之增大。嵌入式环境下使用LCD 显示器，由于条件限制，体积较小，且显示的内容有限。而且，传统的LCD显示模式总是不加选择地显示所有监控的信息，在监控的信息量非常庞大时会导致不能及时显示用户所需求的信息。多级菜单显示则是将信息分类显示的一种显示方式，该方式根据用户的选择，对显示信息加以筛选并分级显示，这样既保证用户获取其所需的信息，又能保障信息显示的实时性。 2多级菜单的结构 设计多级菜单的目的在于将需要显示的信息分门归类，方便用户筛选。所以在设计菜单时需要根据整个系统的功能和要求来设定菜单的级数，以及各级子菜单的个数。整个多级菜单的拓扑结构为树型结构，主菜单为根节点，子菜单为枝节点，最后一级菜单为叶节点，如图1所示。 图1多级菜单的结构图 3多级菜单的程序设计 3.1循环方式 循环方式的设计思路：预先定义一个包含6个结构元素的结构体、5个字符型和1个指针型。第1个字符变量存放当前界面的索引号；第2个字符变量存放按下down（向下）键时需要跳转到的索引号；第3个字符变量存放按下up（向上）键时需要跳转到的索引号；第4个字符变量存放按下enter（进入）键时需要跳转的索引号；第5个字符变量存放按下esc（退出）键时需要跳转的索引号；第6个变量为函数指针变量，存放当前索引号下需要执行的函数的入口地址。
verilog可综合有限状态机的4种写法(夏文宇书注)
verilog可综合有限状态机的4种写法（夏文宇书注） 第一种：自然编码 module fsm1( input i_clk, input rst_n, input A, output reg K1, output reg K2, output reg [1:0] state ); parameter Idle=2'b00, Start=2'b01, Stop=2'b10, Clear=2'b11; [email=always@(posedge]always@(posedge[/email] i_clk) if(!rst_n) begin state<=Idle; K2<=0; K1<=0; end else case(state) Idle:if(A) begin state<=Start; K1<=0; end else begin state<=Idle; K2<=0; K1<=0; end Start:if(!A) state<=Stop; else state<=Start; Stop:if(A) begin state<=Clear; K2<=1;
else begin state<=Stop; K2<=0; K1<=0; end Clear:if(!A) begin state<=Idle; K1<=1; K2<=0; end else begin state<=Clear; K2<=0; K1<=1; end default: state<=Idle; endcase endmodule 这种大家应该都熟悉的 第二种：采用独热编码，据说其可靠性和速度都不错module fsm2( input i_clk, input rst_n, input A, output reg K1, output reg K2, output reg [3:0] state ); parameter Idle=4'b1000; parameter Start=4'b0100; parameter Stop=4'b0010; parameter Clear=4'b0001; always@(posedge i_clk) begin if(!rst_n)
基于状态机的程序架构
项目4 简易数字钟的设计（2）计算机专业有门必修课程叫“软件工程”，这门课程告诉软件学习者们如何系统性的、规范化的、可定量的过程化方法去开发和维护软件。我们在学习单片机编程的过程当中，也应该借鉴“软件工程”课程当中的讲述的方法和手段，去维护和规范我们的单片机程序。 在本单元当中，我们安排了4个任务。任务1介绍了一种基于状态机的程序框架，通过状态机的学习，初学者可以写出思路清晰、多任务运行流畅的程序。任务2介绍了程序的风格和可移植性，规范了变量和函数等的命名，并简单介绍了C51中提高程序可移植性的方法。任务3介绍了程序模块化的实现方法，让初学者学会合理的管理程序。任务4中运用本单元所讲的知识，结合前一单元，完成简易数字钟的设计。 【内容安排】 4.1基于状态机的程序框架 4.2程序的风格和可移植性 4.3程序的模块化 4.4简易数字钟的设计
任务4.1 基于状态机的程序框架 4.1.1任务介绍 上一单元中已经多次提到多任务运行时,延时函数（DelayMs（））对程序的危害性，堵塞 CPU系统任务的实时性得不到有效的保证。在 3.4节中，提到中断可以提高任务的实时性， 但是单片机的中断数量是有限的，不可能每一个任务都有中断。在 3.5节中，通过定时器中 断服务函数提供的时标信号，定时扫描LED和数码管，可以消除延时函数，时标信号给我们 提供了一种新的思路来消除延时函数（本质上还是借助于中断）。但是LED闪烁和动态数码管 扫描都是属于状态时间分配均匀的（LED闪烁有两个状态，亮和灭分配时间相等；数码管每个 位扫描的时间也相等），程序易于实现。对于像按键检测这样的（时间分配不均匀的）任务，怎样来消除程序中的延时呢？ 本节任务是： 利用本节所讲“状态机”，改写独立按键程序，并增加“长按”、“连击”等功能。 4.1.2知识准备 1、状态机的思想 网络上经常报道特级象棋大师车和多人一起下象棋，采用的方式是“车轮战”。车轮战有 两种方式：（1）象棋大师先和甲开始下象棋，直到有了结果，然后才轮到乙和象棋大师对阵，下完了之后，然后是丙……，一直到和最后一个人下完。（2）象棋大师先和A下一步棋， 然后再和B下一步棋，然后再和C,和……，和所有人下完一遍后，再回头从A开始，一个 人接一个人。 很显然“车轮战”的第1种方式效率不如第2种方式效率高，报道上的“车轮战”也是指的第2种方式。原因在于象棋大师的水平远远高于其他人，如果采用第一种方式，象棋大师下一步棋很快，甲需要考虑很长时间才能落子，象棋大师在和甲下棋的过程中，其他人只能等待。如果采用第二种方式，象棋大师和甲只下一步棋，然后再和乙也下一步棋，和所有人下完一步棋之后，再从甲开始，这样看起来是所有人都在下象棋，效率自然远高于第一种方式。 “车轮战”的第2种方式，实际上就是程序中状态机的基本原理。程序中的多个任务可以看成是其他棋手，CPU是象棋大师，CPU在执行多个任务时，不再是先执行任务1，执行完 任务1后，再执行任务2,而是把每个任务又划分出多个小任务（小任务中没有时间等待），CPU每次只执行每个任务中的小任务，执行完任务1中的一个小任务后，然后快速转向任务 2 中的小任务，按照这种模式轮询下去，由于CPU很快（象棋大师），整个程序中的任务都得到 了实时的执行。任务中的小任务是按照任务的状态来划分的，故称为“状态机”。
状态机设计总结
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。
转《明德扬分享》之【状态机的使用】
转《明德扬分享》之【状态机的使用】 （本文档由明德扬精心设计，版权归明德扬科教所有，转载请注明出处，否则明德扬有权追究其法律责任） 1.状态机概述 1.1 状态机的定义及作用 有限状态机FSM(Finite State Machine)简称状态机，通俗地说，状态机就是把全部的情况分成几个场景，这些场景的工作方式明显不同。广义而言，因触发器本身就是若干状态的集合，故只要涉及触发器应用的电路都属于状态机范畴，也即任何时序模型都可以归结为一个状态机。 状态机是数字系统设计的重要组成部分，对于数字系统设计工程师，面对的只要是时序电路设计，状态机的概念则是必须贯穿于整个设计始终的最基本的设计思想和设计方法论。只有从电路状态的角度去考虑，才能从根本上把握可靠、高效的时序逻辑的设计关键。在现代数字系统设计中，状态机的设计对系统的高速性能、高可靠性、高稳定性都具有决定性的作用。 状态机应用广泛（特别是对于操作和控制流程非常明确的系统设计），在数字通信领域、自动化控制领域、CPU设计领域等都拥有不可或缺的重要地位。 1.2 状态机的分类 按照不同的标准，状态机也有多种不同的分类形式，主要有以下几种： 1) 以状态机的信号输出方式分，有Mealy型和Moore型两种状态机。Mealy型状态机输出由当前状态和输入共同确定，Moore型状态机输出则仅取决于当前状态。 2) 以状态机的描述结构上分，有一段式、两段式、三段式三种类型状态机。 l 将整个状态机写到1个进程模块里，在该模块中既描述状态转移又描述状态的输入输出，称为一段式描述方法，即所谓的单进程状态机； l 一个模块用同步时序描述状态转移，另一个模块用组合逻辑判断状态转移条件、描述状态转移规律及逻辑输出，称为两段式描述方法；
基于状态机的交通灯控制
交通灯状态机程序： LIBRARY IEEE; USE IEEE.std_logic_1164.ALL; USE IEEE.std_logic_arith.ALL; ENTITY traffic_light_dianlian IS PORT(clk:INstd_logic; reset:INstd_logic; rl,gl,yl:OUTstd_logic; counter_time:OUTstd_logic_vector(3 DOWNTO 0)); END ENTITY; ARCHITECTURE nan OF traffic_light_dianlian_32 IS SIGNAL mtime:integer RANGE 0 TO 9; BEGIN PROCESS(clk,reset) TYPE state_type IS(R,G,Y); VARIABLE state:state_type; BEGIN IF reset='1' THEN state:=R; rl<='1'; gl<='0'; yl<='0'; mtime<=9; counter_time<=conv_std_logic_vector(mtime,4); ELSIF clk'event and clk='1' THEN CASE state IS WHEN R=>rl<='1';gl<='0'; yl<='0'; mtime<=mtime-1; counter_time<=conv_std_logic_vector(mtime,4); IF(mtime=1)THEN state:=G; mtime<=6; ELSE state:=R; END IF; WHEN G=>gl<='1'; rl<='0';yl<='0'; mtime<=mtime-1; counter_time<=conv_std_logic_vector(mtime,4); IF(mtime=1)THEN state:=Y; mtime<=3; ELSE state:=G; END IF; WHEN Y=>yl<='1'; gl<='0'; rl<='0'; mtime<=mtime-1; counter_time<=conv_std_logic_vector(mtime,4); IF(mtime=1)THEN state:=R; mtime<=9; ELSE state:=Y; END IF;
状态机c语言实现
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Verilog奇偶分频、一段式、两段式、三段式状态机
汇报总结 1、偶数分频 偶数倍分频相对简单，可以通过计数器对预分频的脉冲沿计数实现，如果要进行N倍（N为整数）偶数分频，可由预分频的时钟触发计数器计数，当计数器从0计数到N/2—1时，输出时钟进行翻转，并给计数器一个复位信号，使得下一个时钟从零开始计数，以此循环下去。分频的主体程序如下： `define div_en 8 module freq_div_even(clk_in, reset, clk_out ); input clk_in; input reset; output clk_out; reg clk_out; reg[2:0] count; initial begin count=0; clk_out=0; end always@(posedge clk_in) begin if(!reset) begin count<=0; clk_out<=0; end else if(count==(`div_en/2-1)) begin clk_out<=~clk_out; count<=0; end else begin count<=count+1; end end endmodule 下面定义N为8,对一个脉冲8分频,测试程序如下: `timescale 1ns/1ns module testbench; reg reset; reg clk_in; reg[2:0] count;
wire clk_out; freq_div_even test(.clk_in(clk_in), .reset(reset), .clk_out(clk_out) ); initial begin reset=0; clk_in=0; #5 reset=1; end always #10 clk_in=~clk_in; endmodule 波形图如下: 2、奇数分频 对于对占空比没有特殊要求的奇数分频，需要对上升沿和下降沿脉冲进行计数，利用下降沿产生的波形移相半个输入脉冲的作用，最后用错位“异或”法实现。一个n(n=3)分频的程序如下： module clk_divN( clk_in, reset, clk_out ); input clk_in; input reset; output clk_out; integer cnt1,cnt2; reg clk_divp; reg clk_divn; parameter n=3; always@(posedge clk_in) begin if(!reset) begin clk_divp<=0; cnt1<=0; end else
数字逻辑状态机例子
Digital System Design 1 2011/6/21 Computer Faculty of Guangdong University of Technology 例：用三进程状态机实现一个简单自动售货机控制电路，电路框图如下。该电路有两个投币口（1元和5角），商品2元一件，不设找零。In[0]表示投入5角，In[1]表示投入1元，Out 表示是否提供货品。
Digital System Design 2 2011/6/21 Computer Faculty of Guangdong University of Technology 根据题意，可分析出状态机的状态包括： S0（00001）：初始状态，未投币或已取商品 S1（00010）：投币5角 S2（00100）：投币1元 S3（01000）：投币1.5元 S4（10000）：投币2元或以上 用独热码表示状态编码，如上所示。相应状态转换图如下（按Moore 状态机设计）。
Digital System Design 3 2011/6/21 Computer Faculty of Guangdong University of Technology 自动售货机状态转换图
Digital System Design 4 2011/6/21 Computer Faculty of Guangdong University of Technology 设计代码 第一个Always 块：状态转移。
Digital System Design 5 2011/6/21 Computer Faculty of Guangdong University of Technology 第二个Always 块：状态转移的组合逻辑条件判断
状态机写法
1 引言 Verilog HDL作为当今国际主流的HDL语言,在芯片的前端设计中有着广泛的应用。它的语法丰富，成功地应用于设计的各个阶段：建模、仿真、验证和综合等。可综合是指综合工具能将Verilog HDL代码转换成标准的门级结构网表，因此代码的描述必须符合一定的规则。大部分数字系统都可以分为控制单元和数据单元两个部分，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，因而状态机性能的好坏对系统性能有很大的影响。 有许多可综合状态机的Verilog代码描述风格，不同代码描述风格经综合后得到电路的物理实现在速度和面积上有很大差别。优秀的代码描述应当易于修改、易于编写和理解，有助于仿真和调试，并能生成高效的综合结果。 2 有限状态机 有限状态机(Finite State Machine,FSM)在数字系统设计中应用十分广泛。根据状态机的输出是否与输入有关，可将状态机分为两大类：摩尔(Moore)型状态机和米莉(Mealy)型状态机。Moore型状态机的输出仅与现态有关；Mealy型状态机的输出不仅与现态有关，而且和输入也有关。图1是有限状态机的一般结构图，它主要包括三个部分，其中组合逻辑部分包括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，输出译码器确定状态机的输出，状态寄存器属于时序逻辑部分，用来存储状态机的内部状态。
图1 状态机的结构框图 2.1 好的状态机标准 好的状态机的标准很多，最重要的几个方面如下： 第一，状态机要安全，是指FSM不会进入死循环，特别是不会进入非预知的状态，而且由于某些扰动进入非设计状态，也能很快的恢复到正常的状态循环中来。这里面有两层含义。其一要求该FSM的综合实现结果无毛刺等异常扰动，其二要求FSM要完备，即使受到异常扰动进入非设计状态，也能很快恢复到正常状态。 第二，状态机的设计要满足设计的面积和速度的要求。 第三，状态机的设计要清晰易懂、易维护。 需要说明的是，以上各项标准，不是割裂的，它们有着直接紧密的内在联系。在芯片设计中，对综合结果评判的两个基本标准为：面积和速度。“面积”是指设计所占用的逻辑资源数量；“速度”指设计在芯片上稳定运行所能够达到的最高频率。两者是对立统一的矛盾体，要求一个设计同时具备设计面积最小，运行频率最高，这是不现实的。科学的设计目标应该是：在满足设计时序要求(包含对设计最高频率的要求)的前提下，占用最小的芯片面积，或者在所规定的面积下，使设计的时序余量更大，频率更高。另外，如果要求FSM安全，则很多时候需要使用“full case”的编码方式，即将状态转移变量的所有向量组合情况都在FSM 中有相应的处理，这经常势必意味着要多花更
基于状态机的远程控制技术
基于状态机的远程控制技术 ０引言 远程通讯系统一般要求通信距离在３０公里以上，所以通常情况下通信环境比较复杂，在较长距离下的电磁干扰和信号衰弱对通讯系统的稳定性都提出了较高的要求。串口是常用的计算机与外部设备之间的数据传输通道［１］，由于使用其通信方便易行，且能实现数据的远距离传输，故可采用串口通信作为远程通信的渠道。同时要利用合理的通信帧定义模式进而实现远程通信协议的同步性问题，目前较为常用的方法有逐次比较法［２］、基于ＦＩＦＯ队列同步法［３］、状态机消息同步法［４］。实验表明状态机消息同步法最大限度地减少了系统的冗余运算和中断后数据丢失的问题，保证了控制站第一时间获得被控设备是否接受指令开始运行的信息，实现了控制的可视性，进而保证了系统的稳定运行。 １通讯设备配置 系统采用串口通讯的方式实现ＰＣ机与外部设备的连接，利用ＶＣ＋＋编写的控制软件和指令接收软件实现系统指令的发送和执行。外部设备采用ＰＤＬ３５数传电台，这种电台能够实现最大１９２００比特每秒的传输速度，并且具有低功耗和前向纠错的能力，提高了
抗干扰性和覆盖性。控制设备通过电台向工作设备发送标准化指令，双方基于特定频率的无线电互相访问。连接成功后进入设置主界面后可查看电台类型、频率范围、固定版号等信息。主要在”ＲａｄｉｏＬｉｎｋ”选项卡下设置通讯频率、波特率与通信灵敏度。特别需要注意的是通信频率和通信灵敏度需要基站和移动站完全一致。 ２通讯帧格式定义 对于远程通讯系统，需要完成多个不同的工作，并且实时返回工作状态以保证远程控制的可靠性。这就需要对通信协议进行特殊的定义以进行解析同步，进而完成各项工作。本系统中定义通信协议帧结构如图２所示。帧头用于同步［５］，一般为一个或两个ＡＳＣＩＩ字符，本系统中使用一个字节０ｘＦＦ表示，系统接收此字符后开始接收中断。帧发送方用１字节表示，分别用０ｘ０１表示１号基站发送的命令，同时也意味着任何接收设备会向此基站反馈设备是否正常运行。帧接收方表示方法与发送方相同，０ｘ０１表示命令是发送给１号设备的，其他设备在接受此命令时不工作。帧类型定义了系统命令表征的不同功能，帧内容主要包含了指导接收设备如何执行功能的具体信息，而帧内容长度则作为帧内容的校验信息指导接收设备提取接收信息。在本系统采用一个字节的０ｘＦＥ作为结束码，当系统检测到此数据段的时候跳出系统中断。表１为通信协议中帧内容的详细格式。
有限状态机在单片机编程中的应用
学习笔记 有限状态机在单片机编程中的应用 在单片机编程中，如果在不使用操作系统的情况下同时执行多个任务，可能会遇到下面这些情况： ?一个任务的执行时间过长，导致其他任务无法及时执行 ?在一些任务中大量使用delay() 等函数进行软件延时，这些延时函数占用过多时间，影响其他任务的执行 ?一些复杂任务的程序逻辑不清晰，不便于以后对程序进行维护，或添加新功能 本文介绍的有限状态机，可以做到将一个耗时较长的复杂任务分解为多个简单任务，同时使代码逻辑更加清晰，从而解决上述问题。 目录： ? 1. 什么是有限状态机 ? 2. 有限状态机的作用 ? 2.1 分解耗时过长的任务 ? 2.2 避免软件延时对CPU 资源造成浪费 ? 2.3 使程序逻辑更加清晰 ? 3. 有限状态机的实现 ? 3.1 通过switch - case 语句实现 ? 3.2 通过Arduino 库实现 ? 3.3 其他方式 ? 4. 示例一：按键去抖动程序的优化 ? 4.1 传统的按键去抖动程序 ? 4.2 优化后的按键去抖动程序 ? 5. 示例二：通过有限状态机实现的闹钟程序 ? 6. 后记 1. 什么是有限状态机 根据维基百科上的定义，有限状态机（finite-state machine, FSM，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。1
为了理解这句话，假设自己还有三天就要考试，这时候就要进入紧张的备考状态，将空闲时间用在复习上。但是，为了保证足够的精力，小睡一会儿也是十分有必要的。那么，什么时候复习，什么时候睡觉呢？可以这样描述： 在复习的时候： 如果感到瞌睡，则睡觉 如果没有感觉到瞌睡，则继续复习 在小睡的时候： 如果感觉不再瞌睡，则开始复习 如果感觉依旧瞌睡，则继续睡觉 也可通过一幅简单的示意图（也叫「状态转移图」）表示出来： 这个例子其实就是一个简单的有限状态机，其中，复习和小睡是两个状态，感觉瞌睡和感觉清醒这两个条件可以使状态发生转换。2 另外，Programming Basics3网站上也提供了状态机相关的教程，用形象化的图片解释了什么是有限状态机，可通过此链接访问。 在嵌入式程序设计中，如果一个系统需要处理一系列连续发生的任务，或在不同的模式下对输入进行不同的处理，常常使用有限状态机实现。例如测量、监测、控制等控制逻辑型应用。4
硬件描述语言08-09B卷标准答案
2008/2009 学年第一学期末考试试题答案及评分标准 （B卷） 硬件描述语言及器件 使用班级：06060241/06060242 一、填空题（30分,每空格1分） 1、试举出两种可编程逻辑器件 CPLD 、 FPGA 。 2、VHDL程序的基本结构至少应包括实体、结构体两部分和对 库的引用声明。 3、1_Digital标识符合法吗？否， \12 @ +\ 呢？合法。 4、在VHDL的常用对象中，信号、变量可以被多次赋予不同的值， 常量只能在定义时赋值。 5、实体的端口模式用来说明数据、信号通过该端口的传输方向，端口模式有 in 、 Out 、 inout 、 buffer 。 6、VHDL语言中std_logic类型取值‘Z’表示高阻，取值‘X’表示不确定。 7、整型对象的范围约束通常用 range 关键词，位矢量用 downto/to 关键词。 8、位类型的初始化采用（字符/字符串）字符、位矢量用字符串。 9、进程必须位于结构体内部，变量必须定义于进程/包/子程序内部。 10、并置运算符 & 的功能是把多个位或位向量合并为一个位向量。 11、进程执行的机制是敏感信号发生跳变。 12、判断CLK信号上升沿到达的语句是 if clk’event and clk = ‘1’ then . 13、 IF 语句各条件间具有不同的优先级。
14、任何时序电路都以时钟为驱动信号，时序电路只是在时钟信号的边沿到来时， 其状态才发生改变。 15、 Moore 状态机输出只依赖于器件的当前状态，与输入信号无关。 二、判断对错并改正（12分，每小题3分） 1、CONSTANT T2：std_logic <= ’0’; （错）改正：把<= 换为:= 。 2、若某变量被定义为数值型变量，未赋初始值时默认值为‘0’。 （错）改正：把‘0’的单引号去掉。 3、在结构体中定义一个全局变量（V ARIABLES），可以在所有进程中使用。 （错）改正：“变量（V ARIABLES）”改为“信号”。 4、语句 type wr is (wr0,wr1,wr2,wr3,wr4,wr5); 定义了一个状态机变量wr， 可以直接对wr赋值。 （错）改正：语句 type wr is (wr0,wr1,wr2,wr3,wr4,wr5); 定义了一个状态机类型wr，需要定义一个该类型的对象，才可以对该对象赋值。 三、简答（8分，每小题4分） 1、简述如何利用计数器精确控制时序。 ?只要知道晶振频率f，即可知道周期T＝1/f； ?使用一个计数器，可以通过计数值n，精确知道当计数值为n时消耗的时间t＝nT； ?上例中以n为控制条件，可以控制其它信号在某时刻变高，某时刻变低，从而产生精 确时序； 例如：
状态机在单片机C程序中的应用
状态机思路在单片机程序设计中的应用 1,状态机的概念: 状态机是软件编程中的一个重要概念。比这个概念更重要的是对它的灵活应用。在一个思路清晰而且高效的程序中，必然有状态机的身影浮现。 比如说一个按键命令解析程序，就可被看做状态机：本来在A状态下，触发一个按键后切换到了B状态；再触发另一个键后切换到C状态，或者返回到A状态。 最简按键状态机例。实际按键解析程序比这更复杂，但不影响我们对状态机的认识。进一步，击键动作本身也可看做一个状态机。一个细小的击键动作包含了：释放、抖动、闭合、抖动和重新释放等状态。 同样，一个串行通信的时序（不管它是遵循何种协议，标准串口也好、I2C也好；也不管它是有线的、还是红外的、无线的）也都可看做由一系列有限的状态构成。 显示扫描程序也是状态机；通信命令解析程序也是状态机；甚至连继电器的吸合/释放控制、发光管（LED）的亮/灭控制又何尝不是个状态机。 当我们打开思路，把状态机作为一种思想导入到程序中去时，就会找到解决问题的一条有效的捷径。有时候用状态机的思维去思考程序该干什么，比用控制流程的思维去思考，可能会更有效。这样一来状态机便有了更实际的功用。 2,程序其实就是状态机: 也许你还不理解上面这句话。请想想看，计算机的大厦不就是建立在“0”和“1”两个基本状态的地基之上么？ 3,状态机的要素: 状态机可归纳为4个要素，即现态、条件、动作、次态。这样的归纳，主要是出于对状态机的内在因果关系的考虑。 “现态”和“条件”是因，“动作”和“次态”是果。详解如下： ①现态：是指当前所处的状态。 ②条件：又称为“事件”。当一条件被满足，将触发一动作，或执行一状态的迁移。 ③动作：条件满足后执行的动作。动作执行完毕后，可迁移到新状态，也可仍旧保持原状。动作非必需的，当条件满足后，也可不执行任何动作，直接迁移到新状态。 ④次态：条件满足后要迁往的新状态。“次态”是相对于“现态”而言的，“次态”一旦被激活，就转变成新的“现态”了。 若我们进一步归纳，把“现态”和“次态”统一起来，而把“动作”忽略（降格处理），则只剩下两个最关键的要素，即：状态、迁移条件。 状态机的表示方法有多种，可用文字、图形或表格的形式来表示一个状态机。 纯粹用文字描述是很低效的，所以就不介绍了。接下来先介绍图形的方式。 4,状态迁移图（STD）: