有限状态机
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。
第八次课-8章状态机精选全文
z<=0;
三、基于状态机的设计要点
1．起始状态的选择
起始状态是指电路复位后所处的状态，选择一 个合理的起始状态将使整个系统简洁高效。有的 EDA软件会自动为基于状态机的设计选择一个最佳 的起始状态。
2．状态转换的描述
一般使用case语句来描述状态之间的转换， 用case语句表述比用if-else语句更清晰明了。
有限状态机类型 有限状态机的Verilog描述 有限状态机的设计要点
一、两种有限状态机
二、有限状态机的Verilog描述
描述对象：
当前状态、下一状态、输出逻辑
描述方式： 单过程、双过程、三过程
单过程描述方式： 放在一个过程中描述，相当于采用时
钟信号同步，克服输出产生毛刺。但输出 逻辑相对于双过程，要延迟一个时钟周期。
end end
s3: begin if(x==0)
begin state<=s0; z<=0;
end else begin
state<=s4; z<=1; end end
s4: begin if(x==0)
begin state<=s0; end else begin state<=s4; z<=1; end end default:
双过程描述方式： 一个过程 由时钟信号触发的时序过程
（当时钟发生跳变时，状态机状态发生变 化。一般用case语句检查状态机的当前状态； 另一过程是组合过程，对于摩尔型，输出 只与当前状态有关，因此只需用case语句即 可，对米里型，因与当前状态和输入都有 关，因此可用case 语句和 if组合进行描述。
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(moore mealy)
有限状态机(Finite State Machine )1、有限状态机的基本概念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。
在数字电路系统中，有限状态机时一种十分重要的时序逻辑电路模块，它对数字系统的设计具有十分重要的作用。
有限状态机一般用来描述数字数字系统的控制单元，是许多数字系统的核心部件。
有限状态机由组合逻辑和寄存器逻辑组成。
其中，寄存器逻辑的功能是存储有限状态机的内部状态；而组合逻辑有可以分为次态逻辑和输出逻辑两部分，次态逻辑的功能是确定有限状态机的下一个状态，输出逻辑的功能是确定有限状态机的输出。
在实际的应用中，根据有限状态机是否使用输入信号，设计人员经常将其分为Moore型有限状态机和Mealy型有限状态机两种类型。
⑴Moore型有限状态机其输出信号仅与当前状态有关，即可以把Moore型有限状态的输出看成是当前状态的函数。
其结构框图如图1.图1 Moore型有限状态机的结构⑵Mealy型有限状态机其输出信号不仅与当前状态有关，而且还与所有的输入信号有关，即可以把Mealy型有限状态机的输出看成是当前状态和所有输入信号的函数。
其结构框图如图2.图2 Mealy型有限状态机的结构这两种有限状态机的主要区别在于：Moore型有限状态机仅与当前状态有关，而与输入信号无关。
Mealy型有限状态机不但与当前状态有关，还与输入信号有关。
2、为什么要使用有限状态机♦ 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。
3、描述有限状态机应该包含的内容⑴至少包含一个状态信号，用来指定状态机的状态。
⑵时钟信号，为有限状态机的状态转换提供时钟信号。
⑶状态转移指定，用于指定有限状态机的状态之间转换的逻辑关系。
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
一般有限状态机的组成
一般有限状态机的组成
一般有限状态机由以下几个组成部分组成：
1. 状态(State)：有限状态机包含一个状态集合，每个状态代表
系统的一个特定状态或条件。
2. 输入(Input)：有限状态机接受一系列输入信号，这些输入信
号触发状态转换。
3. 输出(Output)：有限状态机根据当前状态和输入，可能会产
生输出信号。
4. 状态转换规则(Transition rule)：有限状态机定义了状态之间
的转换规则，这些规则指定了在给定输入条件下如何从一个状态转换到另一个状态。
5. 初始状态(Initial state)：有限状态机在开始时处于初始状态。
6. 终止状态(Terminal state)：有限状态机可能有一个或多个终
止状态，在达到终止状态时，有限状态机停止运行。
7. 常见的有限状态机还可以包含以下特殊类型的状态：超限状态、没有默认转换状态、自环状态等。
这些组成部分共同定义了有限状态机的行为，它们用于描述系统的状态变化及相应的动作。
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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
激励 信号
状态寄 存器
当前 状态
输出逻辑 G
输出
种有限状态机的总结
狀態解碼邏輯：負責狀態機解碼邏輯，是組合電路。F(當前狀態,輸入信號) 狀態暫存器：儲存目前的狀態機，是循序電路。 輸出邏輯：負責輸出邏輯，是組合電路。G(當前狀態) [moore機] 或者 G(當 前狀態,輸入信號) [mealy機] 輸出暫存器：對輸出結果再做一次寄存，避免glitch產生，有利於時序收斂， 也能保證輸入delay是一個可預測的量。
输入 下一个 状态的 逻辑F
激励 状态寄 当前 信号 存器 状态
输出 输出逻辑 G
Clk输入 时钟信号 moore状态机的结构
有限状态机
Mealy有限状态机建模
Mealy有限状态机的输出不仅依赖状态而且依赖于它的输入 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） 输入 下一个 状态的 逻辑F
有限状态机
有限状态机应用举例—序列检测器
Moore型verilog源代码
always@(currentstate or a or rst) begin if(!rst) nextstate = S0; else case(currentstate) S0: nextstate = (a==1)?S1:S0; S2: nextstate = (a==0)?S3:S1; S4: nextstate = (a==0)?S5:S1; default: nextstate = S0; endcase end
有限状态机
有限状态机应用举例—序列检测器
Moore型verilog源代码
always@(currentstate or a or rst) 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)? S2 : S0; default:nextstate = S0; endcase
有限状态机
有限状态机三要素
FSM:Finite State Machine
1
2
状态（当前状态，下一个状态）
输入信号（事件）
3
输出控制信号（相应操作）
有限状态机
什么是有限状态机
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
解 释 说 明
1
其状态（即由寄存器组1和0的组合状态所构成的有限个状态）只 能在同一时钟跳变沿的情况下，才能从一状态转向另一个状态。
S1: nextstate = (a==0)?S2:S1; S3: nextstate = (a==1)?S4:S0; S5: nextstate = (a==0)?S3:S1;
有限状态机
有限状态机应用举例—序列检测器
Moore型verilog源代码
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
有限状态机
moorefsm测试模块testbench
module tb_fsm; reg clk,rst; reg a; wire z; moorefsm 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
3
Mealy机的输出与输入有关，而Moore机的输出与 输入无关。
有限状态机
IC设计公司对FSM可综合编写风格的规定
1
Keep FSM logic in two separated sections of a module, one for the sequential logic, and the other for the combinatorial logic.
有限状态机
有限状态机应用举例—序列检测器
用FSM实现10010串的检测，画出其状态图，并用verilog语言实现
逻辑功能分析
时钟 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 a z 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 … 0 …
有限状态机
有限状态机应用举例—序列检测器
Moore型verilog源代码
//***************************************** always@(posedge clk or negedge rst) begin if(!rst) currentstate <= S0; else currentstate <= nextstate; end //*****************************************
2
Each state is defined with parameter in capital.
2
究竟转向哪一个状态不但取决于各个输入值，还取决于当前状态
3
状态机可产生在时钟跳变沿时刻进行开关的复杂的控制逻辑，是 数字逻辑的控制核心。
有限状态机
显式有限状态机两种表示方法
有限状态机
Moory有限状态机建模
Moore有限状态机（FSM)的输出只依赖于状态而不依赖于其输入信号 下一个状态=F（当前状态，输入信号） 输出信号=G（当前状态）
有限状态机
用FSM实现10010串的检测，画出其状态图，并用verilog语言实现
Moore状态转移图
有限状态机
有限状态机应用举例—序列检测器
Moore型verilog源代码
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;