第五讲 状态机设计及其指导原则
Lecture5有限状态机
Longman
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状态转换图
状态1
入
/出
条件控 制定序
入
状态4
/出
入
入 状态2
/出
状态3
/出
Moore
直接控 制定序
2020/2/10
Longman
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状态转换图
条件控 制定序
入/出
状态1
入/出
状态4
入/出 状态2
Mealy
入/出
状态3
/出
直接控 制定序
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用VHDL描述状态机的组成
现在我们得到了一个比较通用 的时序电路，这种电路统称为
din
状态机(State Machine)。
Next_value Q(n+1)
Clk
＋/-1 Regs
Present_value
Q(n) 译码
DataOut Z(n)
2020/2/10
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7控制态可以看 作一种状态，与每一个控制态相关的转换 条件指定了当前状态的下一个状态和输出。
S1 既不制冷也不制热 hot=0/cool=0
S3
制冷
hot=0/cool=1
S3
thigh=0&tlow=0 thigh=0&tlow=1
S1 既不制冷也不制热 hot=0/cool=0
S2
制热
hot=1/cool=0
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状态机的应用设计
例子：设计一个二进制序列检测器，当检测到 10110序列时，就输出1(一个时钟周期的脉冲)。 其他情况下输出0。
有限状态机设计与化简(第5节)
D
D
D1 = Q1 + D + Q0 N D0 = Q0’ N + Q0 N’ + Q1 N + Q1 D OPEN = Q1 Q0
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简单的自动售货机(verilog)
module autosell (clk, reset, D, N,open); input clk, reset, D,N; output open; parameter cell0= 2'b00，cell5 = 2'b01, cell10= 2'b10, cell15 = 2'b11; reg [1:0] state; reg [1:0] next_state;
assign Z = (state== S5);
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always @(state or X) case (state) S0: if (X) next_state = S1 ;else next_state = S0; S1: if (X) next_state = S1; else next_state = S2; S2: if (X) next_state = S1 ;else next_state = S3; S3: if (X) next_state = S4 ;else next_state = S0; S4: if (X) next_state = S1 ;else next_state = S5; S5: if (X) next_state = S1 ;else next_state = S3; default next_state = S0; endcase endmodule
画状态图:
输入: N, D, reset, clk 输出商品: open
第5章-VHDL-状态机
有限状态机的设计中能使用各种完整的容错技术， 可避免大部分错误，即便发生运行错误，由于有 限状态机运行速度上的优势，进入非法状态并从 中跳出，进入正常状态所耗的时间通常只有二三 个时钟周期，约数十纳秒，尚不足以对系统的运 行构成损害；而CPU通过复位方式从非法运行方 式中恢复过来，耗时达数十毫秒，这对于高速高 可靠系统显然是无法容忍的。
无论有限状态机属于何种类型，其结构均可
分为状态说明、主控时序进程、主控组合进程和 辅助进程几个部分。
5.1 状态机设计相关语句
5.1.3 状态机结构
1. 说明部分
ARCHITECTURE ...IS TYPE FSM_ST IS (s0，s1，s2，s3); SIGNAL current_state, next_state: FSM_ST;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY s_machine IS
PORT ( clk,reset : IN STD_LOGIC;
state_inputs : IN STD_LOGIC_VECTOR (0 TO 1);
comb_outputs : OUT INTEGER RANGE 0 TO 15 );
(1) 有限状态机是纯硬件数字系统中的顺序控制电路，具 有纯硬件电路的速度和软件控制的灵活性。 (2) 由于有限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自动的 专门用于优 化有限状态机的功能。 (3) 有限状态机容易构成性能良好的同步时序逻辑模块， 这对于解决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。为了消除电路中的毛刺现 象，在有限状态机设计中有多种设计方案可供选择。
(五)第8章状态机设计
KX
康芯科技
REG: PROCESS (CLK) BEGIN IF (CLK'EVENT AND CLK='1') THEN current_state<=next_state; END IF; END PROCESS REG ; -- 由信号current_state将当前状态值带出此进程:REG LATCH1: PROCESS (LOCK) -- 此进程中，在LOCK的上升沿，将转换好的数据锁入 BEGIN IF LOCK='1' AND LOCK'EVENT THEN REGL <= D ; END IF; END PROCESS LATCH1 ; END behav;
KX
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8.1一般有限状态机设计
TYPE m_state IS ( st0，st1，st2，st3，st4，st5 ) ;
SIGNAL present_state，next_state : m_state ; TYPE BOOLEAN IS (FALSE，TRUE) ； ( '1' ，'Z' ，'U' ，'0' ) ;
KX
康芯科技
ARCHITECTURE behav OF ADCINT IS TYPE states IS (st0, st1, st2, st3,st4) ; --定义各状态子类型 SIGNAL current_state, next_state: states :=st0 ; SIGNAL REGL : STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); SIGNAL LOCK : STD_LOGIC; -- 转换后数据输出锁存时钟信号 BEGIN ADDA <= ‘1’;--当ADDA<=‘0’， 模拟信号进入通道IN0；当ADDA<='1'，则进入通道IN1 Q <= REGL; LOCK0 <= LOCK ; COM: PROCESS(current_state,EOC) BEGIN --规定各状态转换方式 CASE current_state IS WHEN st0=>ALE<='0';START<='0';LOCK<='0';OE<='0'; next_state <= st1; --0809初始化
状态机设计的一般步骤
状态机设计的一般步骤
设计状态机的一般步骤包括以下几个方面：
1. 确定需求，首先，需要明确状态机的设计目的和应用场景，包括需要处理的输入和产生的输出，以及系统所需的各种状态和状态转换条件。
2. 状态定义，根据需求，确定系统可能具有的各种状态，包括起始状态、中间状态和最终状态，对每个状态进行清晰准确的定义和描述。
3. 事件识别，识别触发状态转换的各种事件，包括外部输入、定时器到期、条件满足等，对每个事件进行详细的描述和分类。
4. 状态转换，确定状态之间的转换条件和转换规则，包括事件触发的条件、转换动作和目标状态，确保状态转换的合理性和完整性。
5. 状态机实现，根据上述设计，进行状态机的实现和编码，可以采用各种编程语言或专门的状态机工具，确保状态机的正确性和
可靠性。
6. 测试验证，对设计的状态机进行全面的测试和验证，包括正常输入、异常输入和边界条件的测试，确保状态机在各种情况下都能正确运行并产生预期的结果。
7. 优化改进，根据测试结果和实际应用情况，对状态机进行优化和改进，包括性能优化、功能扩展和错误修复，确保状态机能够持续稳定地运行。
总之，设计状态机的一般步骤包括需求确定、状态定义、事件识别、状态转换、状态机实现、测试验证和优化改进，通过严谨的设计和实现过程，确保状态机能够准确可靠地反映系统的运行逻辑和行为规则。
简述状态机设计流程
简述状态机设计流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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考虑输入、输出以及状态之间的转换条件。
数字电路状态机设计
数字电路状态机设计数字电路状态机是一种在特定输入条件下，产生特定输出逻辑电路的设计。
它通常用于处理控制信号和顺序逻辑的应用中。
本文将介绍数字电路状态机的基本概念、设计流程以及应用实例。
一、数字电路状态机的概念数字电路状态机是一种使用状态和状态转移来描述电路行为的模型。
它由状态寄存器、组合逻辑和组合逻辑控制电路组成。
状态寄存器用于存储当前状态，组合逻辑决定下一个状态和输出的逻辑条件。
二、数字电路状态机的设计流程1. 确定状态和输入信号：首先确定设计中所需要的状态数量和输入信号的种类和数量。
状态可以是离散的值，如0、1等，也可以是更复杂的状态。
2. 绘制状态转移图：根据状态数量和输入信号的种类和数量，绘制状态转移图。
状态转移图是一种有向图，用于描述状态之间的转移条件和动作。
3. 设计状态表：根据状态转移图，设计状态表。
状态表列出了每个状态的转移条件、动作和输出。
4. 实现状态转移表：将状态表转化为逻辑电路，实现状态转移逻辑和输出逻辑。
5. 验证和测试：对设计进行验证和测试，确保状态机在各种输入条件下都能正确地工作。
三、数字电路状态机的应用实例数字电路状态机广泛应用于各种控制和顺序逻辑的场景，下面是一个以闹钟为例的应用实例。
假设我们需要设计一个简单的闹钟电路，具有以下要求：1. 闹钟有两种状态：开和关。
2. 闹钟有两个输入：按钮A（表示设置时间）和按钮B（表示开关闹钟）。
3. 当闹钟处于关闭状态下，按下按钮B时，闹钟进入开启状态，并发出响铃信号。
4. 当闹钟处于开启状态下，按下按钮B时，闹钟进入关闭状态，停止响铃。
通过状态机设计流程，我们可以得到以下结果：1. 状态：开（S1）和关（S0）。
2. 输入信号：按钮A（I1）和按钮B（I0）。
3. 输出信号：响铃（O）。
根据设计要求，我们绘制状态转移图，如下所示：```S0───┐┌──────┐┌──────┐││ I1=1 ││ I1=0 │S1───┘└──────┘└──────┘ I0=1 I0=1```根据状态转移图，设计状态表如下：```当前状态输入下一个状态输出 S0 0 S0 0S0 1 S1 0S1 0 S0 1S1 1 S1 0```根据状态表，实现状态转移表如下：```当前状态输入下一个状态输出 S0 00 S0 0S0 01 S1 0S1 11 S1 0```最后，根据状态转移表实现逻辑电路并进行验证和测试。
状态机FSM设计PPT课件
状态机在软件设计、硬件设计、控制 系统等领域中广泛应用，用于实现复 杂的逻辑控制、错误处理、通信协议 等功能。
状态转换原理
状态转换条件
状态机从一个状态转换到另一个状态需要满足一定的条件，这些条 件可以是外部输入、内部状态或时间等。
状态转换过程
当满足状态转换条件时，状态机会从当前状态跳转到下一个状态， 同时执行相应的动作或操作。
3
使用子状态机
将复杂状态机拆分为多个子状态机，提高可管理 性。
提高代码可读性和可维护性
规范化命名
为状态和转换使用清晰、一致的命名规则。
添加注释
在关键部分添加注释，解释状态和转换的意 图。
模块化设计
将状态机实现为独立的模块，方便复用和测 试。
调试和测试方法分享
日志记录
在关键状态转换处添加日志记录，便于跟踪 和调试。
断点调试
使用断点调试工具，逐步执行状态机代码， 观察状态变化。
单元测试
编写针对状态机的单元测试，确保每个状态 和转换的正确性。
集成测试
将状态机与其他模块集成，进行整体测试， 验证系统功能的正确性。
06 总结与展望
本次课程回顾与总结
状态机基本概念
介绍了状态机的定义、组成要素、工 作原理等基本概念。
度，使程序更易于理解和扩展。
有限状态机在软件架构中的作用
有限状态机的定义
有限状态机（Finite State Machine，FSM）是一种具有有限个 状态的系统，它在外部事件的驱动下发生状态转移。
FSM在软件架构中的位置
在软件架构中，FSM可作为核心组件，用于控制系统的行为和流程。
FSM对软件架构的影响
使用Verilog或VHDL等硬件描述语言，可以方便地描述和实现状态机。通过定义状态、 输入、输出以及状态转移条件，可以构建出功能强大的状态机。
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第五讲状态机设计及其指导原则 11/ 38
带流水线的Mealy 状态机
下一个状态 = F(当前状态，输入信号)； 输出信号 = G(当前状态，输入信号)；
组合逻辑
时序逻辑 当前状态
组合逻辑 输出 译码器 G
时序逻辑
输出流 水线寄 存器 clk 输入
输入
状态 激励信号 状态 寄存器 译码器 F
第五讲状态机设计及其指导原则 3/ 38
原语描述
module noconditional (clk,nrst,state,event); input clk,nrst input state; output event; reg event;
reg reg [2:0] CS; //CurrentState [2:0] NS; //NextState
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 5/ 38
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
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
制作人：梁瑞宇 单位：河海大学
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第五讲状态机设计及其指导原则 17/ 38
case……endcase 语法格式： case (case_expression) case_item1：case_item_statement1; case_item2：case_item_statement2; case_item3：case_item_statement3; case_item4：case_item_statement4; default：case_item_statement5; endcase 使用default关键字来描述FSM所需状态的补集状态 下的操作，避免FSM进入死循环。 建议初学者使用完整的case 结构，而不使用casex 或casez。
always @ (posedge clk or negedge nrst) if (!nrst) begin NS <= IDLE; {o1,o2,err} <= 3'b000; end else begin case (NS) IDLE: begin if (~i1) begin{o1,o2,err}<=3'b000;NS <= IDLE; end if (i1 && i2) begin{o1,o2,err}<=3'b100;NS <= S1; end if (i1 && ~i2) begin{o1,o2,err}<=3'b111;NS <= ERROR;end end
第五讲状态机设计及其指导原则 9/ 38
Moore 状态机
下一个状态 = F(当前状态，输入信号)； 输出信号 = G(当前状态)；
组合逻辑 时序逻辑 组合逻辑 输出 译码器 G
输入
状态 状态 译码器 激励信号 寄存器 F
clk 输入
当前状态
输出
时钟信号clk
制作人：梁瑞宇 单位：河海大学
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第五讲状态机设计及其指导原则 20/ 38
例
一个非常典型的Melay型状态机，共有4 种状态，即IDEL 、S1 、S2 和 ERROR，输入信号包括时钟“clk” ，低电平异步复位信号“ nrst” 和信号 “i1 ”、“ i2 ”，输出信号为“o1”、“o2 ”和“err” ，状态转移图如下。状态 的输出如下： IDLE状态的输出为{o1，o2，err} = 3'b000; S1状态的输出为{o1，o2，err} = 3'b100; S2状态的输出为{o1，o2，err} = 3'b010; ERROR状态的输出为{o1，o2，err} =3'b111 。
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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 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
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状态机是一种设计思想方法
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i1 i2 & !i1
RROR
!i2 & !i1
!i2
!i1 S1 i2 &i1 !i2 & i1 S2 i2
i2 & i1
IDLE
!i2 & i1
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第五讲状态机设计及其指导原则 21/ 38
基本部分
module state1 ( nrst,clk, i1,i2, o1,o2, err ); input nrst,clk; input i1,i2; output o1,o2,err; reg o1,o2,err;
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第五讲状态机设计及其指导原则 16/ 38
always——三种使用方法 根据主时钟沿完成同步时序的状态迁移。 -例： //sequential state transition always @ (posedge clk or negedge nrst) if (!nrst) CS <= IDLE; else CS <=NS; 根据信号敏感表完成组合逻辑的输出。 根据时钟沿完成同步时序逻辑的输出。
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。
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第五讲状态机设计及其指导原则 13/ 38
组成部分
组合逻辑部分：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。
时序逻辑部分：用于存储状态机的内部状态
基本操作
总结：
第五讲状态机设计及其指导原则 7/ 38
对于逻辑电路而言，小到一个简单的时 序逻辑，大到复杂的微处理器，都适合用状 态机方法进行描述。不要仅仅局限于时序逻 辑，发现电路的内在规律，确认电路的“状 态变量”，大胆使用状态机描述电路模型。 由于状态机不仅仅是一种电路描述工具，它 更是一种思想方法，而且状态机的 HDL 语言 表达方式比较规范，有章可循，所以很多有 经验的设计者习惯用状态机思想进行逻辑设 计，对各种复杂设计都套用状态机的设计理 念，从而提高设计的效率和稳定性。
状态机内部状态转换：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。
产生输出信号序列：输出信号由输出译码器根据当 前状态和输入条件决定。
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第五讲状态机设计及其指导原则 14/ 38
基本描述方式
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，经常被用于状态化简， 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。 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。
clk 输入
时钟信号clk
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第五讲状态机设计及其指导原则 12/ 38
基本要素——状态、输出和输入
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。
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第五讲状态机设计及其指导原则 18/ 38
task……endtask 将不同状态所对应的输出用task……endtask 封装， 增强了代码的可维护性和可读性。 task IDLE_out; begin {w_o1 , w_o2 ,w_err} = 3'b000; end
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第五讲状态机设计及其指导原则 8/ 38
状态机结构
摩尔(MOORE)状态机
- 输出只是当前状态值的函数，并且仅在时钟边沿到 来时才发生变化
米立(MEALY)状态机
- 输出则是当前状态值、当前输出值和当前输入值的 函数
注：这两种状态机都是同步的时序电路
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第五讲状态机设计及其指导原则 10/ 38
Mealy 状态机
下一个状态 = F(当前状态，输入信号)； 输出信号 = G(当前状态，输入信号)；
组合逻辑
时序逻辑 状态 寄存器
clk 输入
组合逻辑 输出 译码器 G
输入
状态 激励信号 译码器 F 当前状态
输出
时钟信号clk
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第五讲状态机设计及其指导原则 15/ 38
状态机设计常用语法
变量声明（wire,reg等） 状态编码 一般都要使用reg 寄存器型向量。