浅谈状态机的设计方法及应用
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
结构除了在输出部分有些不同外,其他部分都是相同的。图1中的虚线部分则是区分M ealy型状态机和M oore型状态机的关键。有限状态机的结构通常包括输入,状态寄存器和输出三个部分。
2 有限状态机的状态编码方式
有限状态机有很多种编码方式,最常见的编码方式有二进制编码(B inary State M ach i n e),格雷编码(G ray Code State M ach i n e)和一位热码编码(One-H ot S tateM achine Encod i n g)三种。不同的逻辑结构往往会选择不同的编码方式。通常在一个复杂的电路设计中,可将多种编码方式交替使用。
2.1 三种不同的编码方式
二进制编码的状态寄存器是由触发器组成的。如果触发器的个数为n,则就对应着2n个状态。比如:有4个状态分别为S0、S1、S2、S3,其每个状态的二进制编码所对应的码字为:00、01、10、11。二进制编码从一个状态转换到相邻的状态时,有可能有多个b it位同时发生变化,容易产生毛刺,引起逻辑错误。
格雷编码和二进制编码有很多相似的地方,如果把二进制编码的4个状态S0、S1、S2、S3的二进制编码00、01、10、11变成00、01、11、10,则对应的编码为格雷编码。格雷编码比较节省逻辑单元,而且在状态转换中,相邻的状态每次只有一个bit位产生变化,这样减少了瞬变的次数,也减少了产生毛刺和一些暂态的可能。
一位热码编码即采用n位来编码具有n个状态的状态机。比如对于S0、S1、S2、S3四个状态可用码字1000,0100,0010,0001来表示。FPGA设计中一般采用一位热码编码方式。采用一位热码编码,虽然多用了触发器,但可以有效的节省和简化组合电路。对于寄存器数量多而门逻辑相对缺乏的FPGA器件来说,采用一位热码编码可以有效的提高电路的速度和可靠性,也有利于提高器件资源的利用效率。表1是分别用上述三种方法编码的对比。
表1 三种编码方式对比
状态二进制编码格雷编码一位热码编码
S000000001
S101010010
S210110100
S311101000
2.2 有限状态机的状态编码目标
HDL的译码方式是选择怎样编码的关键。一旦H DL的译码方式确定,就可以设计出很多类型的编码方法。在基于HDL的FSM设计中,以下几点应该引起注意:
编码应该紧凑。
编码应有利于译码和理解。
编码应有助于电路调试。
编码时应优先考虑有效的综合结果。
3 基于V erilog-HDL的状态机(序列检测器)的设计
序列检测器是时序电路设计中较为经典的状态机设计。序列检测器就是将一个指定的序列从数字码流中识别出来。下面我们将用V erilog-HDL语言来描述、仿真并实现它。
本例中,我们将设计一个10010!序列的检测器。设x为数字码流输入,z为检出标志,高电平表示发现指定序列!,低电平表示没有发现指定序列!。假设码流为110010010000100101...!,则如表2所列。
表2 序列检测器的逻辑功能
时钟12345678910111213141516171819
x110010010000100101...
z000001001000000010...
在时钟2~6,码流x中出现指定序列10010!,对应输出z在第6个时钟变为高电平
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1!,表示发现指定序列!。同样,在时钟13~ 17中,码流x中再次出现指定序列10010!,z输出1!。而在时钟5~9也出现一次,但它和第一次有所重叠。根据以上所述,我们可以分析其状态转换图如图2所示。
图2中,状态A~E表示5位序列10010!按顺序正确地出现在码流中。考虑到序列重叠的可能,转换图的状态在E时能够回到C,其它各状态能够回到A。电路的初态为I DLE
。
图2 状态转换图
根据上面的分析,编写V eril o g-HDL程序如下:
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集成电路通讯 第25卷第1期
为了验证其正确性,我们接着编写测试用V erilog-HDL 程序如下
:
其中,x 码流的产生,采用了移位寄存器的方式,以方便更改测试数据,综合后生成的RTL 级
电路如图3a 和图3b 所示,仿真波形如图4
所示。
图3a 序列检测器的RTL 级电路图
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集成电路通讯
图3b 序列检测器的RT L 级电路图
图4 仿真波形图
4 结束语
通过以上对有限状态机原理的描述及序列检测器电路的设计,可以看到有限状态机在数字逻辑电路设计中的作用,EDA 设计工程师应该很好地掌握这一设计方法。此外,状态机一般都应设计为同步方式,并由一个时钟信号来触发。可综合模块的设计必须在电路总体结构明确的情况下,用状态机写出控制的节拍和步骤后才能进行。状态机的编写不可能一下子就很完善,存在一些问题是必然的。我们可以通过仿真调试逐步改正状态机控制中的不完善,直到完全正确无误。
参考文献
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[5]M arti n ,R ., Three Leve lFS M,!PLoPD,
1995
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集成电路通讯
第25卷第1期
数字逻辑模拟试卷
4、如果竞争的结果导致电路最终进入同一稳定总态，则称为临界竞争。 （ ） 5、门电路的扇出是表示输出电压与输入电压之间的关系。 （ ） 三、简答题（每题5分，共10分） 1、请列出3种“曾经是模拟的”现在却“已经成为数字的”系统，并简述为什么会有这种转变。 2、采用CMOS 晶体管实现的“与非门”和“或非门”，哪个速度快？为什么？ 四、应用题（共70分） 1、已知接收端收到的汉明码码字a7a6a5a4a3a2a1=1100010，问在最多一位错的情况下发送端发送的码字是什么？（5分） 2、用卡诺图化简下列函数：（5分） ()()15,14,13,2,1,012,11,10,5,4,3,,,d F Z Y X W += ∑ 3、旅客列车分为特快A ，直快B 和慢车C ，它们的优先顺序为：特快、直快、慢车。同一时间内，只能有一趟列车从车站开出，即只能给出一个开车信号，试设计满足上述要求的开车信号控制电路。（10分） （1）列出真值表（5分） （2） 写出最简的输出逻辑表达式（5分） 4、运用一个MSI 器件实现余3码向8421BCD 码的转换。（10分） 5、运用“圈到圈”逻辑设计思想，采用74X138译码器和适当的逻辑门设计一个1位十进制数2421码的奇偶位产生电路（假定采用奇检验）。（10分）
1）作出状态/输出表（5分）。 2）说明它是Mealy 机还是Moore 机（2分） 3）说明这个电路能对何种输入序列进行检测。（3分） 7、作“0101”序列检测器的Mealy 型状态表和Moore 型状态表。凡收到输入序列为“0101”时，输出为1；并规定检测的“0101”序列不重叠。典型输入输出序列如下：（10分） 输入X ：1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 输出Z ：0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 看下面的例子就清楚了： 某序列检测器有一个输入端x 和一个输出端Z 。输入端 x 输入一串随机的二进制代码，当输入序列中出现011时，输出Z 产生一个1输出，平时Z 输出0 。典型输入、输出序列如下。 输入 x: 1 1 1 1 1 1 1 输出 Z: 1 1 试作出该序列检测器的原始状态图和原始状态表。 解.假定用Mealy 型同步时序逻辑电路实现该序列检测器的逻辑功能。 设: 状态A ------为电路的初始状态。 状态B ------表示收到了序列"011"中的第一个信号"0"。 状态C ------表示收到了序列"011"中的前面两位"01" 。 状态D ------表示收到了序列"011"。 ※ 当电路处在状态A 输入x 为0时，应令输出Z 为0转向状态B ；而处在状态A 输入x 为1时，应令输出Z 为0停留在状态A ，因为输入1不是序列"011"的第一个信号，故不需要记住。该转换关系如图5.16(a )所示。 Q1 Q2
用状态机设计的交通灯控制器
/module traffic (clock, reset, sensor1, sensor2, red1, yellow1, green1, red2, yellow2, green2); input clock, reset, sensor1, sensor2; output red1, yellow1, green1, red2, yellow2, green2; // Define the states. Enumerated type pragma allows Spectrum to chose encoding. parameter /*exemplar enum ee1 */ st0 = 0, st1 = 1, st2 = 2, st3 = 3, st4 = 4, st5 = 5, st6 = 6, st7 = 7; reg [2:0] /* exemplar enum ee1 */ state, nxstate ; reg red1, yellow1, green1, red2, yellow2, green2; // Update the state with the next state on the clock edge // or reset value. always @(posedge clock or posedge reset) begin if (reset) state = st0 ; else state = nxstate; end // // Calculate the next state and the outputs // based on the present state and the inputs // always @(state or sensor1 or sensor2) begin // Default values for the outputs
第14章 状态机设计(state machine design)
第14章 状态机设计（State Machine Design） 讲到VHDL设计而不讲state machine，感觉上就是不太完整，我们先来看看什么是state machine，它应该是一种流程控制的设计，在有限的状态中，根据判别信号的逻辑值决定后面要进入哪一个状态，这样的讲法似乎有些抽象，我们先来看看下面的状态图。 图14-1所显示的是一个十字路口的红绿灯控制设计，在一开始时信号Reset 会被设为逻辑’0’，此时state machine会在Reset状态，一直等到信号Reset变成逻辑’1’时，state machine才会进入真正的控制状态。在之后的三个状态中，我们各定义了一个counter，当进入Red或是之后的Green及Yellow状态时，相对的counter值即会开始递减。当counter值递减到0时，state machine即会改变到下一个状态。 当然state machine的执行就是依照这种方式进行，但是其中仍有许多的细节是设计者所要注意的，在接下来的章节中，我们会依据实际的例子来介绍state machine的设计方式。 14-1State Machine的建立 在这一节我们所举的例子是一个类似检查密码的设计，在一般办公室的门口都会有门禁管制，进门前须先输入一组四个数字的密码，当密码确认无误后门才会打开，除此之外还有更改密码的功用。我们先来看看其状态图。 在图14-2中一共有四个状态，一开始会维持在idle状态，当要更改或是第一次输入密码时，需要按下一个特殊的“密码更改”按键，此时InpinN信号会变成逻辑’0’的状态，状态机即会进入LoadPin的状态，接着再输入四个数字的密码，密码输入完毕按下“输入”按键，状态机即回到原先的idle状态。 在另一方面，当处于平时状态，有人进入门口要输入密码前，他也必需要按下另一个特殊键“密码输入”，表示之后输入的数字是待验证的密码，此时InData 信号会变成逻辑’0’，于是状态机进入InPin的状态。在输入四个数字之后，一个
北京邮电大学 数字逻辑期末模拟试题8
本科试卷（八） 一、选择题（每小题2分，共30分） 1.逻辑函数F1=∑m （2，3，4，8，9，10，14，15）, 它们之间的关系是________。 A ． B ． C ． D ．、互为对偶式 2. 最小项的逻辑相邻项是________。 A ．ABCD B. C. D. 3. 逻辑函数F （ABC ）=A ⊙C 的最小项标准式为________。 A.F=∑（0，3） B. C.F=m 0+m 2+m 5+m 7 D. F=∑（0，1，6，7） 4. 一个四输入端与非门，使其输出为0的输入变量取值组合有_______种。 A. 15 B. 8 C. 7 D. 1 5. 设计一个四位二进制码的奇偶位发生器（假定采用偶检验码），需要_______个异或门。 A ．2 B. 3 C. 4 D. 5 6. 八路数据选择器如图1-1所示，该电路实现的逻辑函数是F=______。 A ． B ． C ． D ． 图1-1 7. 下列电路中，不属于时序逻辑电路的是_______。 A ．计数器 B ．触发器 C ．寄存器 D ．译码器 8. 对于JK 触发器，输入J=0，K=1，CP 脉冲作用后，触发器的次态应为_____。 A ．0 B. 1 C. 保持 D. 翻转 9. Moore 型时序电路的输出_____。 A.与当前输入有关 B. 与当前状态有关 C. 与当前输入和状态都有关 D. 与当前输入和状态都无关 2F ABC ABCD ABC ABC ACD =++++12F F =12F F =12F F =1F 2F ABCD ABCD ABCD ABCD C A C A F +=AB AB +AB AB +A B ⊕A B +
如何设计最优化的状态机(有图版)
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。
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
实验四 有限状态机设计(2学时)
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。
数字逻辑实验 8_序列检测器
实验八序列检测器的设计与仿真 一、实验要求 1.用VHDL语言设计一个Mealy机以检测“1101001”序列； 2.用VHDL语言设计一个Moore机以检测“1101001”序列； 3.在文本编辑区使用VHDL硬件描述语言设计逻辑电路，再利用波形编辑区进行逻辑功 能仿真，以此验证电路的逻辑功能是否正确。 二、实验内容 用VHDL语言设计各一个mealy和moore状态机测试“1101001”位串的序列检测器，并通过仿真波形验证设计的功能是否正确。 三、实验过程 由于在报告1中已经详尽描述了如何使用Quartus 2建立逻辑原理图和使用VHDL语言实现元件功能，所以本次的实验报告中便不再赘述上述内容，报告将主要就VHDL 语言描述实现元件的功能的过程进行阐述。 1.Mealy机 选择File→New，弹出新建文本对话框，在该对话框中选择VHDL File并单击OK按钮，进入文本编辑窗口，输入VHDL代码。 library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; entity melay is port(clk,rst,d: in std_logic; z: out std_logic); end melay; architecture arc of melay is type state_type is(s0,s1,s2,s3,s4,s5,s6); signal state: state_type; begin process(clk,rst) begin if rst= '1' then state<=s0; elsif (clk'event and clk ='1') then case state is --1101001 when s0 => if d='1' then state<=s1; else
状态机及其VHDL设计
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。
数字逻辑第7篇习题
画出图7-5中所示的S-R锁存器的输出波形，其输入波形如图X7-4所示。假设输入和输出信号的上升和下降时间为0，或非门的传播延迟是10ns（图中每个时间分段是10ns） 解： 用图X7-5中的输入波形重作练习题7-2。结果可能难以置信，但是这个特性在转移时间比传输时间延迟短的真实器件中确实会发生。 解： 将图X7-41中的电路与图7-12中的锁存器进行比较。请证明这两个电路的功能是一致的。图X7-41中的电路常用于某些商用D锁存器中，在什么条件下该电路性能更好？ 解：当C=0时，输入端2个与非门都关断，功能相同。 当C=1时，输入端2个与非门等同于反相器，功能也相同。 从传输延迟和电路代价比较：图X7-41的优点为节省一个反相器，电路代价较小，电路建立时间少一个反相器延迟，所需建立时间较短。缺点为下端输入的传输延迟较长（与非门比反相器长）。
图7-34表示出了怎样用D触发器和组合逻辑来构造带有使能端的T触发器。请表示出如何用带有使能端的T触发器和组合逻辑来构造D触发器。 解：先写出对应的特性表，再建立相应组合逻辑的卡诺图，最后写出激励组合逻辑的最小和表达： + T? ? = D ' D 'Q Q 请示出如何使用带有使能端的T触发器和组合逻辑来构造J-K触发器。 解：先写出对应的特性表，再建立相应组合逻辑的卡诺图，最后写出激励组合逻辑的最小和表达： ? =' T? + Q K Q J 分析图X7-9中的时钟同步状态机。写出激励方程，激励/转移表，以及状态/输出表(状态Q1Q2=00~11使用状态名A~D)。 解：激励方程D1=Q1’+Q2 D2=XQ2’ 输出方程Z=Q1+Q2’ 激励/转移表：现态和输入为变量，激励为函数，根据D触发器特性方程，激励/转移表可表达：
利用有限状态机进行时序逻辑的设计
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)
状态机设计仿真
状态机设计仿真 一、实验例题 设计一个序列检测器电路，检测出串行输入数据data中的二进制序列110，当检测到该序列时，电路输出1 out=；没有检测到该序列时，电路输出0，电路的状态图如1所示： 图1 电路状态转换图 二、实验原理分析 由电路的状态图分析，可列出对应的状态转换表，如图2所示： 图2 状态转换表 +相同，将图1，图2简化可得： 从状态转化表分析可得S3与S0对应的S n1
改进的状态转换表 三、实验任务：依据图1状态图2表，S 存在时，用VerilogHDL设计的参考程序如 3 下： module pulse_check(data,clk,rst,out); input data,clk,rst; output out; reg out; reg[1:0] CST,NST; parameter[1:0] s0=0,s1=1,s2=2,s3=3; always@(posedge clk or negedge rst) if (!rst) CST<=s0;//复位有效，进入下一个状态 else CST<=NST; always@(CST or data) begin case(CST) s0: if(data==1'b1) NST<=s1; else NST<=s0; s1: if(data==1'b1) NST<=s2; else NST<=s0; s2: if(data==1'b0) NST<=s3; else NST<=s2; s3: if(data==1'b0) NST<=s0; else NST<=s1;
default: NST<=s0; endcase end always@(CST or data) case(CST) s0:out=1'b0; s1:out=1'b0; s2: if(data==1'b0) out=1'b1; else out=1'b0; s3:out=1'b0; endcase endmodule rst复位信号（低电平有效），clk状态时钟。四：仿真图形
有限状态机设计
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。
数字逻辑设计及应用复习题
………密………封………线………以………内………答………题………无………效…… 一、填空题(每空1分，共20分) 1、请完成如下的进制转换：22.7510= 10110.11 2= 26.6 8= 16.C 16； 2、F6.A 16= 246.625 10= 0010 0100 0110.0110 0010 0101 8421BCD = 0101 0111 1001.1001 0101 1000 余3码 3、-9910的8位（包括符号位）二进制原码是 11100011 ，8位二进制反码是 10011100 ，8位二进制补码是 10011101 ； 4、请问逻辑F=A /B+(CD)/+BE /的反函数F /= A C D E CD B /+ ； 解： ACDE CD B CDE B ACDE CD B CD AB ) E B (CD )B A ()BE )CD (B A ( F ///////////+=+++=+??+=++= 5、F(A,B,C)=Σm （2,4,6）=ПM( 0,1,3,4,7 )； 6、请问图1-6所完成的逻辑是Y= A ⊕B ； 解：通过真值表可以可到该逻辑： 7、74148器件是一个3-8编码器，它采用的编码方式是 优先编码 或 数大优先编码 ； 8、74283器件是一个4位全加器，它的内部逻辑电路与串行加法器不同，采用的是 超前进位 或 先行进位 方法来实现全加逻辑。 9、如果一个与或逻辑电路的函数式为：)C B )(B A (Y / / ++=，该逻辑存在静态冒险，现通过添加冗余项的方式来消除该冒险，则该冗余项为 （A /+C ） ； 10、请写出JK 触发器的特性方程：* Q = JQ /+K /Q ； 11、请写出T 触发器的特性方程：*Q = T ⊕Q 或者TQ /+T /Q ； 12、请写出D 触发器的特性方程：*Q = D ； 13、请写出SR 触发器的特性方程：*Q = S+R /Q ； 14、如果某组合逻辑的输入信号的个数为55个，则需要 6 位的输入编码来实现该逻辑。 解：采用的公式应该是log 255，向上取整 二、选择题（每题1分，共10分） 1、下面有关带符号的二进制运算，描述正确的是，其中X 是被加数，Y 是加数，S 为和： ①. [X]原码+[Y]原码=[S]原码 ②. [X]补码+[Y]补码=[S]补码 图1-6
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。
状态机设计
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。
verilog常用例子
2.6.1 Verilog基本模块 1．触发器的Verilog实现 时序电路是高速电路的主要应用类型，其特点是任意时刻电路产生的稳定输出不仅与当前的输入有关，而且还与电路过去时刻的输入有关。时序电路的基本单元就是触发器。下面介绍几种常见同步触发器的Verilog 实现。 同步RS触发器 RS触发器分为同步触发器和异步触发器，二者的区别在于同步触发器有一个时钟端clk，只有在时钟端的信号上升（正触发）或下降（负触发）时，触发器的输出才会发生变化。下面以正触发为例，给出其Verilog 代码实现。 例2-15 正触发型同步RS触发器的Verilog实现。 module sy_rs_ff (clk, r, s, q, qb); input clk, r, s; output q, qb; reg q; assign qb = ~ q; always @(posedge clk) begin case({r, s}) 2'b00: q <= 0; 2'b01: q <= 1; 2'b10: q <= 0; 2'b11: q <= 1'bx; endcase end endmodule 上述程序经过综合Synplify Pro后，其RTL级结构如图2-2所示。 图2-2 同步RS触发器的RTL结构图 在ModelSim 6.2b中完成仿真，其结果如图2-3所示
图2-3 同步RS触发器的仿真结果示意图 同步T触发器 T触发器也分为同步触发器和异步触发器，二者的区别在于同步T触发器多了一个时钟端。同步T触发器的逻辑功能为：当时钟clk沿到来时，如果T=0，则触发器状态保持不变；否则，触发器输出端反转。R 为复位端，当其为高电平时，输出Q与时钟无关，Q=0。 例2-16 同步T触发器的Verilog实现。 module sy_t_ff(clk, r, t, q, qb); input clk, r, t; output q, qb; reg q; assign qb = ~q; always @(posedge clk) begin if(r) q <= 0; else q <= ~q; end endmodule 上述程序经过综合Synplify Pro后，其RTL级结构如图2-4所示。 图2-4 同步T触发器电路的RTL结构图 在ModelSim 6.2b中完成仿真，其结果如图2-5所示
第五讲状态机设计及其指导原则
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
浅谈状态机的设计方法及应用
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
安全状态机的设计
W H I T E P A P E R Creating Safe State Machines By Sam Zhong Zhang Technical Marketing Engineer Mentor Graphics Corporation
Creating Safe State Machines Introduction Finite state machines are widely used in digital circuit designs. Generally, when designing a state machine using an HDL, the synthesis tools will optimize away all states that cannot be reached and generate a highly optimized circuit. Sometimes, however, the optimization is not acceptable. For example, if the circuit powers up in an invalid state, or the circuit is in an extreme working environment and a glitch sends it into an undesired state, the circuit may never get back to its normal operating condition. This paper discuses a general methodology when creating a state machine using the HDL Designer Series TM State Diagram Editor. You can specify the design so that synthesis tools will not optimize away those unused states, thus a “safe” state machine can be generated. . “Safe” and “Unsafe” State Machines Not all state machine designs are “unsafe.” “Safe” depends on how many states are in a design and how you define the state encoding styles: “Safe” State Machines If the number of states (N) is a power of 2, and you use a binary or gray-code encoding algorithm, the state machine is “safe”. This ensures that you have M number of registers where N = 2M. Because all of the possible state values (or register statuses) are reachable, the design is “safe.” “Unsafe” State Machines If the number of states is not a power of 2, or if you do not use binary or gray-code encoding algorithm, e.g. one-hot, the state machine is “unsafe.” For example, Figure 1 shows a design that contains 4 states: Figure 1. NRZ-to-Manchester Conversion The number of states is 4, if you use the one-hot encoding algorithm. For example: s0 => 0001 s1 => 0010 s2 => 0100 s3 => 1000