有限状态机介绍
有限状态机
1.1概述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。
有限状态机又可以认为是组合逻辑和寄存器逻辑的一种组合。
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。
状态机就是对具有逻辑顺序或时序规律的事件进行描述的一种方法在实际的应用中根据状态机的输出是否与输入条件相关，可将状态机分为两大类，即摩尔(Moore) 型状态机和米勒(Mealy) 型状态机。
Mealy型状态转移图1.2状态机的描述方法状态机的描述方法多种多样，将整个状态机写到１个always 模块里，在该模块中既描述状态转移，又描述状态的输入和输出，这种写法一般被称为一段式FSM 描述方法；还有一种写法是使用两个always 模块，其中一个always 模块采用同步时序的方式描述状态转移，而另一个模块采用组合逻辑的方式判断状态转移条件，描述状态转移规律，这种写法被称为两段式FSM 描述方法；还有一种写法是在两段式描述方法的基础上发展而来的，这种写法使用3 个always模块，一个always 模块采用同步时序的方式描述状态转移，一个采用组合逻辑的方式判断状态转移条件，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，这种写法称为三段式写法。
1.3 FSM的状态编码二进制码（Binary）和格雷码（Gray）属于压缩状态编码，这种编码的优点是使用的状态向量最少，但是需要较多的逻辑资源用来状态译码。
二进制码从一个状态转换到相邻状态时，可能有多个比特位发生变化，易产生中间状态转移问题，状态机的速度也要比采用其它编码方式慢。
格雷码两个相邻的码值仅有一位就可区分，这将会减少电路中相邻物理信号线同时变化的情况，因而可以减少电路中的电噪声。
Johnson码也有同样的特点，但是要用较多的位数。
独热码（One-hot）指对任意给定的状态，状态寄存器中只有l位为1，其余位都为0。
实验3有限状态机
结果评估
根据实验目标和数据分析结果，对实现的有限状态机进行评估。评估指标可以包括功能完整性、性能效 率、可扩展性等。通过评估，我们可以了解实现的效果如何，以及需要改进的地方。
与流程图的区别
流程图描述的是一系列的决策和转移， 而有限状态机强调的是系统的状态和 状态之间的转换。
与数据结构模型的区别
与模拟器的区别
模拟器用于模拟系统的行为，而有限 状态机是一种用于描述系统行为的计 算模型。
有限状态机不仅关注数据结构，更关 注状态之间的转移逻辑和行为。
02 有限状态机的实现方式
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
不足
在实验过程中，我们发现自己在有限状态机的设计和实现上还存在一些不足之处。例如，在状态转移逻辑的设计 上，我们有时会忽略一些重要的状态转移条件，导致程序运行结果不正确。此外，在代码实现方面，我们也存在 一些语法错误和逻辑错误，需要进一步加强代码审查和测试。
对未来研究的建议与展望
要点一
建议
为了进一步提高有限状态机的应用效果和性能，我们建议 在未来的研究中，可以从以下几个方面进行改进。首先， 深入研究有限状态机的设计方法和技巧，提高状态转移逻 辑的准确性和可靠性。其次，加强有限状态机的测试和验 证，及时发现和修复程序中的错误和问题。最后，探索有 限状态机在其他领域的应用，如人工智能、游戏开发等。
04 实验结果与讨论
结果展示
状态转移图
根据实验数据，绘制了有限状态机的状态转移图， 清晰地展示了各个状态之间的转移关系。
有限状态机
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(ASM)(FSM)
cout<='X';
end case; end process change_state_mode; end rtl;
when s2=>nextstate<=s3;
y<="011"; cout<='0';
二、设计一个串行数据检测器
要求：当输入连续3个或3个以上1时，
输出才为1，否则输出为0。
分析：1、逻辑抽象，得出状态转换图或状态转换表 2、根据状态转换图编写VHDL程序
BEGIN
CASE current_state IS
WHEN s0=> IF x='0' THEN
WHEN s2=> IF x='0' THEN
next_state<=s0; y<='0'; ELSE next_state<=s3;
next_state<=s0;
ELSE next_state<=s1; END IF; y<='0';
Present state Next state y2y1y0 y2y1y0
S0: 000 S1: 001 S2: 010 S3: 011 S4: 100 000 001 010 011 100 000 001
Output cout
0 0 0 0 1 0
Figure 4.2 State-assigned table
y<='0';
END IF; WHEN OTHERS=>NULL; END CASE; END process changestatemode;
有限状态自动机
有限状态自动机是正则表达式处理的基础，用于匹配字符串中的特 定模式。
05
有限状态自动机的优缺点
优点
简单易理解
有限状态自动机是一种简单直观的模型，其结构和行为都 可以很容易地理解和描述。
01
高效处理
由于其有限的状态集合，有限状态自动 机在处理某些类型的问题时非常高效。
02
03
可预测性
有限状态自动机的行为是确定性的， 也就是说，给定相同的输入，有限状 态自动机将始终产生相同的结果。
研究方向
并发有限状态自动机
研究并发有限状态自动机的理论、性 质和算法，以及它们在并发系统中的
应用。
模糊有限状态自动机
研究模糊有限状态自动机的理论、性 质和算法，以及它们在模糊系统和模
糊控制中的应用。
概率有限状态自动机
研究概率有限状态自动机的理论、性 质和算法，以及它们在随机系统和不 确定性处理中的应用。
03 FPGA实现
使用现场可编程门阵列（FPGA）实现有限状态自 动机，通过配置逻辑门实现状态转移。
软件实现
01 编程语言实现
使用高级编程语言（如Python、Java、C）编写 有限状态自动机的程序，通过编程语言语法实现 状态转移。
02 脚本语言实现
使用脚本语言（如Shell脚本、Python脚本）编写 有限状态自动机的程序，通过脚本语言执行状态 转移。
缺点
适用范围有限
01
有限状态自动机在处理复杂问题时可能会遇到困难，因为这些
问题可能需要无限的或连续的状态。
缺乏灵活性
02
由于其有限的状态集合，有限状态自动机在处理某些问题时可
能不够灵活。
无法处理非确定性问题
有限状态机及其扩展
再接收输入。
6
（1） 基本概念
：字母表 字符串：字母表上的字符组成的有限序列（为空串） 语言：字母表上的字符串的集合
A
A 1
C
2
B
3
A
4
B,C
终结状态
身份认证系统 （合法身份：ABA） accepting state
状态集合Q = {1, 2, 3, 4} ； 初始状态 q0 = 1； 终结状态集合 F = {4}； 输入集合 = {A, B, C} 状态转移关系集合 (1,A)=2；(1,B)=1；(1,C) =1；(2,A)=2；(2,B)=3；
前
后
缓
缓
冲
冲
区
区
状态集合Q = {closed, open}；初始状态 q0 = closed； 输入集合 = {front, rear, both, neither}
状态转移关系集合 (closed, rear) =closed；(closed,both)=closed； (closed, neither)=closed；(closed,front)=open； (open, rear) = open； (open,both) =open； (open, front) = open；(open, neither) = closed
closed：闭合状态； open：打开状态；front：前缓冲区有顾客；rear：后缓冲区有顾客； both = front rear：前、后缓冲区都有顾客； neither = front rear：前、后缓冲区都无顾客
FSM
有限状态机 - 31
谢谢
有限状态机 - 32
• 有的只有当某个输入条件存在时才能转移到相应的状态
有限状态机 - 5
状态机的类型
分类依据：输出是否与输入条件直接相关 状态机分为两大类：
– Moore状态机：摩尔状态机的输出仅仅依赖于当前状态，而与输入条 件无关。
– Mealy状态机：米勒型状态机的输出不仅依赖于当前状态，而且取决 于该状态的输入条件。
Verilog语言：
有限状态机 - 12
（一）状态变量的定义
注意：
– 状态的定义用 parameter 定义，不推荐使用`define 宏定义的方式 • 因为‘define 宏定义在编译时自动替换整个设计中所定义的 宏，而parameter 仅仅定义模块内部的参数，定义的参数不会 与模块外的其他状态机混淆。
混合状态机：
– 结合各自的特点。
有限状态机 - 10
状态机的HDL级实现
RTL 级FSM 的评判标准
– 安全，稳定性高 – 速度快，满足设计的频率要求 – FSM 设计要清晰易懂、易维护
– 面积小，满足设计的面积要求（*ASIC）
有限状态机 - 11
（一）状态变量的定义
VHDL语言：
//第二个进程，组合逻辑always模块，描述状态转移条件判断 always @ (current_state) begin //电平触发
next_state = x; //要初始化，使得系统复位后能进入正确的状态
case(current_state) S1: if(...) next_state = S2; ... endcase end
2段式状态机（cont.）
2. 状态跳转always模块（组合逻辑）：
数字集成电路：有限状态机
有限状态机主讲人：姜小波本章目录有限状态机（FSM）概述•有限状态机（Finite State Machine，FSM）的定义一个时序逻辑单元●有限状态机个时序逻辑单元✓取一个输入和一个现态✓生成输出和一个新的状态它被称为有限状态机，因为它至少有有限数量个状态。
它由组合逻辑单元和触发器组成，以使其能保持状态信息态信息。
可用状态转移表来表示现态、输入、输出和下一个状态。
●有限状态机的表达方式可用状态转移表来表示现态、输入、输出和下个状态。
InputCurrenInput 0 Input 1 …. Input nt State State 0State Next State / Output …. Next State / Output …. …. …. 1….State n …. …. …. …. …. ….状态转移表●有限状态机的表达方式也可以用状态转移图来表示与状态转移表一样的信息。
Input / OutputState0State1Input / Output状态转移图•状态机的本质对具有逻辑顺序和时序规律事件的对具有“”和“”事件的一种描述方法。
•应用思路从状态变量入手，分析每个状态的输入，状态转移和输出，从而完成电路的功能。
转移输出从完成电路的功能首先明确电路的输出关系，这些输出相当于状态的输出，回溯规划每个状态和状态转移条件与状态输入。
•有限状态机的组成合逻辑组合逻辑组合逻辑又可分为次态逻辑和输出逻辑两个部分。
其中次态逻辑的功能是用来确定有限状态机的下个中：次态逻辑的功能是用来确定有限状态机的下一个状态；输出逻辑是用来确定有限状态机的输出。
寄存器逻辑寄存器逻辑的功能：用来存储有限状态机的内部状态。
•状态机的基本要素状态：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。
输出输出指在某个状态时特定发的事件 ：输出指在某一个状态时特定发生的事件。
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。
有限状态机原理
有限状态机原理
有限状态机（Finite State Machine, FSM）是一种计算模型，用于描述系统或算法的行为。
它由一组有限个状态、一组可能的输入信号和一组定义状态转换规则的状态转换函数组成。
在任意时刻，FSM都处于一个特定的状态，等待输入信号触发状态转换。
有限状态机具有以下基本特点：
1. 状态：有限状态机有一组预定义的状态，每个状态表示系统或算法的一种行为或状态。
2. 输入信号：系统或算法接收一组可能的输入信号，每个输入信号可能触发状态的转换或执行某种操作。
3. 状态转换：有限状态机通过状态转换函数定义可能的状态转换规则，以及在特定输入信号下从一个状态转换到另一个状态的动作或操作。
4. 动作：状态转换可以伴随着执行特定的动作或操作，用于改变系统的状态或执行一些其他的操作。
有限状态机应用广泛，可以用于描述各种系统的行为，如计算机中的指令执行、网络通信协议、自动控制系统等。
它可以帮助开发者理清系统的行为逻辑，简化复杂系统的设计和实现。
有限状态机还可以通过组合、嵌套等方式进行组合和扩展，以应对更加复杂的问题。
有限状态机要点课件
输入与输出的关系
输入与输出之间的关系可以是简单或 复杂的。在有限状态机中，输入通常 触发状态转移和/或输出结果的变化 。例如，在密码锁有限状态机中，输 入正确的密码会导致有限状态机进入 “已解锁”状态并打开门，而输入错 误的密码会导致有限状态机进入“锁 定”状态并保持门关闭。
03
有限状态机的实现方式
移的结果。
03
状态图的示例
一个简单的状态图可能包括开机、关机、待机等状态，以及相应的转移
和输入/输出。
转移图
转移图的定义
转移图是描述有限状态机从一个 状态转移到另一个状态的图形表 示法。转移图通常由状态、转移
条件和转移结果组成。
转移图的组成
转移图中的每个节点代表一个状 态，边缘代表从一个状态转移到 另一个状态的条件和结果。转移 条件通常是输入信号或内部事件
案例三：密码锁的实现方式
总结词
密码锁的实现方式也可以用有限状态机来描述。
详细描述
密码锁通常有一个特定的密码，当输入密码时，锁会处 于不同的状态。例如，当输入的密码与正确的密码匹配 时，锁会打开；否则，锁会保持关闭状态。此外，密码 锁还可以处于锁定状态，此时无法输入密码，需要先解 锁才能输入密码。这些状态之间的转换对应于不同的操 作，例如输入密码、锁定/解锁等。
特点
有限状态机具有有限个状态，每个状态对应系统的一个特定配置或模式。它根 据输入符号或事件的触发，从当前状态转移到下一个状态。
有限状态机的应用场景
01
02
03
04
硬件设计
用于描述数字电路的行为和交 互，以及逻辑电路的功能。
软件工程
用于设计模式识别、文本处理 、协议解析等算法，以及实现
状态转移逻辑。
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2020/8/17
通信软件设计
第8页
基本概念
在描述有限状态机时，常会碰到的几个基本概念：
状态（State） 指的是对象在其生命周期中的一种状况，处于 某个特定状态中的对象必然会满足某些条件、执行某些动作或 者是等待某些事件。
事件（Event） 指的是在时间和空间上占有一定位置，并且对 状态机来讲是有意义的那些事情。事件通常会引起状态的变迁， 促使状态机从一种状态切换到另一种状态。
2020/8/17
通信软件设计
第12页
为什么使用有限状态机
游戏引擎是有限状态机最为成功的应用领域之一，由于设计良好的状 态机能够被用来取代部分的人工智能算法，因此游戏中的每个角色或 者器件都有可能内嵌一个状态机。
考虑RPG（ Role-playing Game）游戏中城门这样一个简单的对象，它 具有打开（Opened）、关闭（Closed）、上锁（Locked）、解锁 （Unlocked）四种状态。当玩家到达一个处于状态Locked的门时，如 果此时他已经找到了用来开门的钥匙，那么他就可以利用它将门的当 前状态转变为Unlocked，进一步还可以通过旋转门上的把手将其状态 转变为Opened，从而成功进入城内。
2020/8/17
通信软件设计
第13页
控制城门的状态机
2020/8/17
第14页
主要内容
1. 有限状态机的基本概念 2. 有限状态机编程方法
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通信软件设计
2020/8/17
通信软件设计
第9页
有限状态机模型
通信协议建模 基本出发点：认为通信协议主要是由响应多个“事件”的相对 简单的处理过程组成。 状态转移图
优点：简单明了，比较精确。 缺点：对许多复杂的协议，事件数和状态数会剧增，处理困难。
2020/8/17
第10页
为什么使用有限状态机
在面向对象的软件系统中，一个对象无论多么简单或者多么复杂，都 必然会经历一个从开始创建到最终消亡的完整过程，这通常被称为对 象的生命周期。
并不是所有情况都会如此简单，事实上许多实用的软件系统都必须维 护一两个非常关键的对象，它们通常具有非常复杂的状态转换关系， 而且需要对来自外部的各种事件进行响应。
例如，在VoIP电话系统（找状态图）中，电话类（Telephone）的实例 必须能够响应来自对方的随机呼叫，来自用户的按键事件，以及来自 网络的信令等。在处理这些消息时，类Telephone所要采取的行为完全 依赖于它当前所处的状态，此时使用状态机将是一个不错的选择。
对象在其生命期内是不可能完全孤立的，它必须通过发送消息来影响 其它对象，或者通过接受消息来改变自身。
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第11页
为什么使用有限状态机
在银行客户管理系统中，客户类（Customer）的实例在需要的时候， 可能会调用帐户（Account）类中定义的getBalance()方法。在这种简 单的情况下，类Customer并不需要一个有限状态机来描述自己的行为， 主要原因在于它当前的行为并不依赖于过去的某个状态。
另一类售价50元。 如果该贩卖机只能辨识10元及50元硬币。 一 开始机器处于Hello的状态，当投入10元时，机器会进入余额不足 的状态，直到投入的金额大于20元为止。 如果一次投入50元，则 可以选择所有的产品，否则就只能选择20元的产品。 完成选择后， 将会卖出商品并且找回剩余的零钱，随后，机器又将返回初始的状 态。 其FSM如下。
有限状态机
有限状态机FSM思想广泛应用于硬件控制电路设计，也 是软件上常用的一种处理方法(软件上称为FMM--有限 消息机)。它把复杂的控制逻辑分解成有限个稳定状态， 在每个状态上判断事件，变连续处理为离散数字处理， 符合计算机的工作特点。
同时，因为有限状态机具有有限个状态，所以可以在实 际的工程上实现。但这并不意味着其只能进行有限次的 处理，相反，有限状态机是闭环系统，有限无穷，可以 用有限的状态，处理无穷的事务。
有限状态机的作用主要是描述对象在它的生命周期内所 经历的状态序列，以及如何响应来自外界的各种事件。
在现实中，有许多事情可以用有限个状态来表达，如: 红绿灯、电话机等等。 其实，在资讯领域中，很多事情 都是由有限的状态所组成，再由于不同的输入而衍生出 各个状态。
2020/8/17
通信软件设计
第5页
2020/8/17
第6页
有限状态机—例1
红绿灯 红绿灯运作的原理相当简单，从一开始绿灯，经过一段时间后，
将变为黄灯， 再隔一会儿，就会变成红灯，如此不断反覆。 其 FSM如下。
2020/8/17
通信软件设计
第7页
有限状态机—例2
自动贩售机 假设有简单的一自动贩卖机贩售两类商品，一类售价20元，
有限状态机
主要内容
1. 有限状态机的基本概念 2. 有限状态机件设计
第2页
状态机的引入
状态机理论最初的发展在数字电路设计领域。 在数字电路方面，根据输出是否与输入信号有关，状
态机可以划分为Mealy型和Moore型状态机。 Moore 型状态机的输出只和当前状态有关，和输入无关。 Mealy型状态机的输入是由当前状态和输入共同决定。 而在软件设计领域，状态机的理论俨然已经自成一体， 它经常用来描述一些复杂的算法，表明一些算法的内 部的结构和流程，更多的关注于程序对象的执行顺序。
2020/8/17
通信软件设计
第3页
静态顺序结构 动态结构
2020/8/17
通信软件设计
第4页
有限状态机
有限自动机（Finite Automata Machine）是计算机科学 的重要基石，它在软件开发领域内通常被称作有限状态 机（Finite State Machine），是一种应用非常广泛的软 件设计模式。
转换（Transition） 指的是两个状态之间的一种关系，表明对 象将在第一个状态中执行一定的动作，并将在某个事件发生同 时某个特定条件满足时进入第二个状态。
动作（Action） 指的是状态机中可以执行的那些原子操作， 所谓原子操作指的是它们在运行的过程中不能被其他消息所中 断，必须一直执行下去。