有限状态机设计
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。
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
第10讲 有限状态机(moore型)的设计
2 为什么使用状态机
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，结构清晰。 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。
001 100 100
B方向 （红绿黄） 100
100 010 001
12.4 Moore型状态机设计方法
画出状态转移图:
S0
———— 010100
S1
———— 001100
S3 ————
100001
S2
———— 100010
12.4 Moore型状态机设计方法
实体设计
LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY jtd IS PORT（ clk：IN STD_LOGIC; ZO:OUT STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0)); END jtd;
4 Moore型状态机设计方法
仿真波形
4 Moore型状态机设计方法
练习：位于十字路口的交通灯，在A方向和B方向 各有红、黄、绿三盏灯，每10秒变换一次。变换 顺序如下表： A方向 B方向
绿
黄 红
红
红 绿
红
黄
4 Moore型状态机设计方法
交通灯的全部状态及输出：
状态
S0 S1 S2 S3
A方向 （红绿黄） 010
VHDL描述 VHDL描述一般使用枚举类型定义状态机。
未收到一个有效位（0） 收到一个有效位（1） 连续收到两个有效位（11） 连续收到三个有效位（110） 连续收到四个有效位（1101） ：S0 ：S1 ：S2 ：S3 ：S4
Verilog 有限状态机设计(课堂PPT)
begin
case( state )
state0:
out = 3'b001;
state1:
out = 3'b010;
state2:
out = 3'b100;
state3:
out = 3'b111;
default:
out = 3'b001;
endcase
end
endmodule
11
8.2 有限状态机的Verilog描述
begin if(clr) qout<=0;
//异步复位
else case(qout)
3'b000: qout<=3'b001;
3'b001: qout<=3'b010;
3'b010: qout<=3'b011;
3'b011: qout<=3'b100;
3'b100: qout<=3'b000;
default: qout<=3'b000; /*default语句*/
state2 = 2’b11, state3 = 2’b10; // 格雷码
always @( posedge clk or posedge clr ) begin
if( clr ) state <= state0; // 定义初态 state <= next_state; end
8
always @( state or start or step2 or step3 ) // 状态转换
EDA技术与应用
第八章 有限状态机设计
1
有限状态机设计
实验七有限状态机设计一、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VHDL或Verilog编写可综合的有限状态机的标准模板；3、掌握用VHDL或Verilog编写序列检测器以及其他复杂逻辑电路的设计；二、实验内容1、用MOORE型状态机设计一个具有双向步进电动机控制实验：该控制电路有三个输入信号：clk时钟信号，clr复位信号，dir方向控制信号。
输出信号为phase[3..0]用来控制步进电机的动作。
当dir=1时要求phase[3..0]按照“0001”，“0010”，“0100”，“1000”的顺序变化；当dir=0时要求phase[3..0]按照“0001”，“1000”，“0100”，“0010”的顺序变化。
2、设计一个简单的状态机，功能是检测一个5位的二进制序列“10010”。
3、设计一个串行数据检测器，要求是：连续4个或4个以上为1时输出为1，其他输入情况为0。
（选做）4、根据状态图，写出对应于结构图b，分别由主控组合进程和主控时序进程组成的VERILOG 有限状态机描述。
（选做）三、实验步骤实验一：1、建立工程2、创建Verilog HDL文件3、输入程序代码并保存module moore1(clk,clr,dir,phase);input clk,clr,dir;output[3:0] phase;reg[3:0] phase;reg[1:0] state;parameter s0='b00,s1='b01,s2='b10,s3='b11;always@(posedge clk)beginif(clr)beginphase<='b0000;state<=s0;endelsebegincase(state)s0:if(dir) beginphase<='b0010;state<=s1;endelsebeginphase<='b1000;state<=s3;ends1:if(dir) beginphase<='b0100;state<=s2;endelse beginphase<='b0001;state<=s0;ends2:if(dir) beginphase<='b1000;state<=s3;endelse beginphase<='b0010;state<=s1;ends3:if(dir) beginphase<='b0001;state<=s0;endelse beginphase<='b0100;state<=s2;endendcaseendendendmodule4、进行综合编译5、新建波形文件6、导入引脚，设置信号源并保存7、功能仿真，结果分析由仿真波形图可以看出当dir=1时，phase[3..0]按照0001，0010，0100，1000的顺序变化，当dir=0时phase[3..0]按照0001，1000，0100，0010的顺序变化。
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。
三. 实验设备与软件平台微型计算机，GW48－CK，QuartusII v5.0。
verilog有限状态机的设计
习
题
8
8.5 设计一个汽车尾灯控制电路。已知汽车左右两侧各 有3个尾灯，要求控制尾灯按如下规则亮灭。 （1）汽车沿直线行驶时，两侧的指示灯全灭； （2）右转弯时，左侧的指示灯全灭，右侧的指示灯按 000，100，010，001，000循环顺序点亮； （3）左转弯时，右侧的指示灯全灭，左侧的指示灯按与 右侧同样的循环顺序点亮； （4）如果在直行时刹车，两侧的指示灯全亮；如果在转 弯时刹车，转弯这一侧的指示灯按上述的循环顺序点 亮，另一侧的指示灯全亮。
always @(state) /*该过程产生输出逻辑*/ begin case(state) S3: z=1'b1; default:z=1'b0; endcase end endmodule
“101”序列检测器（单过程描述）
module fsm4_seq101(clk,clr,x,z); input clk,clr,x; output reg z; reg[1:0] state; parameter S0=2'b00,S1=2'b01,S2=2'b11,S3=2'b10; /*状态编码，采用格雷（Gray）编码方式*/ always @(posedge clk or posedge clr) Begin if(clr) state<=S0; //异步复位，s0为起始状态 else case(state) S0:begin if(x) begin state<=S1; z=1'b0;end else begin state<=S0; z=1'b0;end end S1:begin if(x) begin state<=S1; z=1'b0;end else begin state<=S2; z=1'b0;end end S2:begin if(x) begin state<=S3; z=1'b0;end else begin state<=S0; z=1'b0;end end S3:begin if(x) begin state<=S1; z=1'b1;end else begin state<=S2; z=1'b1;end end default:begin state<=S0; z=1'b0;end /*default语句*/ endcase end endmodule
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
基于有限状态机的工控系统软件设计
基于有限状态机的工控系统软件设计 (1)通过分析工控系统的特性，提出采用状态机的思想进行工控软件设计。
详细论述了高速状态机的错步问题以及控制层中状态机的状态划分问题。
结合具体的应用实例，给出了基于状态机的实现方法。
实验表明，采用状态机的设计方法有助于准确描述受控对象的行为，软件的健壮性和可靠性得到显著提高。
1. 引言1.1 工控软件的一般问题工控软件设计可分为基于控制环和基于实时操作系统两大类。
控制环是把各个功能模块连接成首尾相接的环状结构。
其特点为任何一个功能模块都不能出现死循环，甚至循环次数太多的循环语句都应避免出现。
以保证能够在实时意义上尽可能快地遍历各功能模块，从而满足实时多任务的需求。
在各功能模块中一般用状态机来描述模块所处的状态。
而实时操作系统则可以通过一套底层机制根据优先级和各任务状态调度各功能模块。
此时各功能模块就以“任务”作为表现形式。
但是在每个任务内部仍然为一个独立的控制环结构，仍然需要用状态机描述。
本文将结合工程实践论述状态机在工控中的应用，给出通用模型和注意要点。
1.2 有限状态机有限状态机是一种重要的思想方法。
从数学的角度看，它实际是一个五元组M = （I, O, S, δ,λ），其中I，O分别表示输入输出，S为状态向量，δ为次态方程（δ: S×I ->S），表示输出方程（λ: S×I -> O）。
有限状态机从结构体系上有层级状态机，并发状态机等。
层级状态机类似于软件中的子程序调度：更高层的一个状态对应于较低层的一个状态机。
这个高层的状态处于底层状态机的某个状态中。
这个低层状态称为子状态。
与子程序调用受到系统堆栈深度制约不一样，层级状态机可以由开发者根据控制对象的层次性运动规律任意指定深度。
与子程序的目的一样，层级状态机也是为了提高控制软件的模块化程度，降低状态分析的复杂度。
并发状态机偏重于描述状态机的调度。
状态机本身不能实现什么并发功能，并发的实现是通过软件调度的。
有限状态机(FSM)的设计
SIGNAL CS,NS: STATE_TYPE; BEGIN REG:PROCESS(CLK,RESET) BEGIN IF RESET=‘0’ THEN CS<=S0; THEN CS<=NS; --寄存器进程 --寄存器进程
ELSIF END
CLK'EVENT AND CLK='1‘
IF;
END PROCESS; FUNC1:PROCESS(INPUT,CS) BEGIN CASE CS IS WHEN S0=>IF INPUT ELSE END IF; WHEN S1=>IF INPUT ELSE END IF; WHEN S2=>IF INPUT ELSE END IF; WHEN S3=>IF INPUT ELSE END IF; --次态组合逻辑译码进程 --次态组合逻辑译码进程
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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。
…
实验内容二：
论文《基于VHDL的一个简单Mealy状态机》中（见附件：基于VHDL的一个简单Mealy状态机.pdf）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，对该状态机的功能进行验证。
五．实验数据
1.实验一编译图
2.实验一状态转移图
3.实验二编译图
4．实验二状态转移图
5．实验二波形验证图。