第五章状态机(排2).
状态机与时序图
3.状态机的设计
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4）状态机选型： Mealy型和Moore型 从输出时序上看，Mealy状态机的输出是当前状态和所有输 入信号的函数，它的输出是在输入变化后立即发生的，不依 赖时钟的同步。Moore型状态机输出则仅为当前状态的函数， 状态机的输入发生变化还必须与状态机的时钟同步。 5）HDL代码描述 三要素： 首先需要在状态存储中存储这些状态－－同步进程 其次需要有下一个状态的逻辑关系－－状态转化进程 另外还需要有输出信号的逻辑关系－－输出描述进程 常用case……when……when……others……语句。
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3.状态机的设计
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process (curren_state, X) --状态转化进程 begin case curren is when a=> if (X=‘0’) then next_state <= a; else next_state <= b; end if; when b => if(X=‘0’) then next_state <= a; else next_state <= d; end if;
5.时序图到状态机
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时序图到状态机，一般要求时序图反应了所有输入和 输出随时间的变化情况 然后分析输入和输出的关系，列出真值表，再根据真 值表画出状态图。 如例1中，根据其时序图，发现只有Ｘ连续4个周期为1 时，Ｚ才是1，其它为0。则按照第3节所述的方法进行 状态机的设计。 有一类特殊的时序图：读写时序图（接口时序图） 该类时序图反应了模块之间接口信号随时间变化情况， 一般描述了模块之间读写的情况。
状态机图（精品）
状态机图1.概述状态机图（State Machine Diagram）是用来显示状态机的图，包括简单状态、转换和嵌套的复合状态等，一个典型的状态机图如图1所示：图1. 状态机图2.基本表示符号状态机图的基本元素包括：状态、转移、事件、伪状态和复合状态。
2.1状态（State）状态是对象生命周期中的一个条件或形态。
状态由对象的属性值、与其他对象的关系以及正在执行的活动来确定。
在UML中，状态用圆角矩形和状态名表示，初始状态用实心圆表示，终止状态用牛眼表示，如图2所示：图2. 状态状态可以有一个或多个分栏，这些分栏是可选的，包括名称分栏、嵌套区域、内部转换分栏等，如图3所示：图3. 带分栏的状态状态也可用圆角矩形上带有状态名称标签的方框表示，如图4所示：图4. 带有名称标签符号的状态2.2转移（Transaction）转移表示状态之间可能的路径，可以表示外部转换（用箭头表示），也可以表示内部转换（嵌套在状态内部）。
如图5所示：图5. 转移2.3事件（Event）事件是对，在特定时间和空间上，所发生的有意义的事情。
在状态机中，事件触发转移，事件或者显示在转换之上，或显示在状态以内。
共有四种类型的事件：信号事件、调用事件、时间事件、改变事件。
信号用于对象间异步传递的信息包，它没有任何操作，只有自身携带的信息。
信号事件是通过信号来触发的事件，在UML中，信号如图6所示：图6. 信号调用事件是请求在类语境的实例上调用特定的操作，在UML中，调用事件如图7所示：图7. 调用事件时间事件用关键字after表示，说明事件被触发的临界时间。
改变事件用关键字when表示，说明将事件改变所满足的条件。
如图8所示：图8. 时间事件和改变事件2.4伪状态（Pseudo State）伪状态指在一个状态机中具有状态的形式，同时具有特殊行为的顶点。
它是一个瞬时状态，用于构造转换的细节。
当伪状态处于活动时，状态机还没有完成从运行到完成的步骤，也不会处理事件。
状态机讲义
Digital System Design12011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of Technology大部分数字系统都可以划分为控制单元和数据单元（存储单元）两个组成部分，通常，控制单元的主体是一个状态机，它接收外部信号以及数据单元产生的状态信息，产生控制信号序列。
Digital System Design22011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of Technology有限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）。
状态机的本质就是对具有逻辑顺序或时序规律事件的一种描述方法，即“逻辑顺序”和“时序规律”就是状态机所要描述的核心和强项，换言之，所有具有逻辑顺序和时序规律的事情都适合用状态机来描述。
Digital System Design32011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of Technology1、基本概念有限状态机（Finite State Machine ，FSM ）是表示实现有限个离散状态及其状态之间的转移等行为动作的数学模型。
（关注Matlab 的Stateflow ）（1）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。
状态名称、状态编码、进入/退出操作、内部转移、子状态、延迟事件Digital System Design42011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of Technology（2）转移：指两个状态之间的关系，表示当发生指定事件且满足指定条件时，第一个状态中的对象将执行某些操作并进入第二个状态，即“触发”了转移。
将触发转移之前的状态定义为“源”状态（初始状态），而触发转移之后的状态定义为“目标”状态（次态）。
状态机相关知识点
状态机相关知识点状态机是一种用于描述系统行为的模型，它可以帮助我们理解和设计复杂的系统。
在计算机科学中，状态机通常用于描述程序或系统的行为，并且在编程中有广泛的应用。
下面是一些状态机相关的知识点：1. 状态状态是指一个系统或程序所处的特定情况或条件。
在状态机中，状态通常表示为一个节点或圆圈，并且每个节点都代表了一个系统可能处于的特定状态。
例如，在一个游戏中，可能有“等待玩家输入”、“执行操作”和“游戏结束”等不同的状态。
2. 转移转移是指从一个状态到另一个状态的过程。
在状态机中，转移通常表示为一条箭头，并且每个箭头都代表了从一个状态到另一个状态的可能转移。
例如，在一个游戏中，当玩家输入命令时，可能会从“等待玩家输入”转移到“执行操作”状态。
3. 事件事件是指触发系统或程序从当前状态转移到下一个状态所需的条件或动作。
在状态机中，事件通常表示为与箭头相连的标签，并且每个标签都代表了触发该转移所需满足的条件或动作。
例如，在一个游戏中，当玩家按下按钮时，可能会触发从“等待玩家输入”到“执行操作”状态的转移。
4. 动作动作是指在状态转移过程中需要执行的操作或行为。
在状态机中，动作通常表示为与箭头相连的代码，并且每个代码都代表了在该转移发生时需要执行的操作或行为。
例如，在一个游戏中，当玩家输入命令时，可能会触发从“等待玩家输入”到“执行操作”状态的转移，并且需要执行相应的命令处理代码。
5. 状态机类型根据状态机的特性和使用场景，可以将状态机分为不同类型。
其中最常见的三种类型是：有限状态自动机（FSM）、层次状态机（HSM）和决策状态机（DSM）。
- 有限状态自动机是一种最基本的状态机模型，它由一组有限数量的状态和一组转移条件组成。
FSM通常用于描述简单系统或程序。
- 层次状态机是一种更复杂的模型，它允许将系统或程序分解成多个层次，并且每个层次都有自己的子状态和转移条件。
HSM通常用于描述复杂系统或程序。
- 决策状态机是一种可以根据输入条件进行决策并选择不同路径的模型。
状态机编程思路及方法
状态机编程思路及方法状态机是一种常用的编程思路和方法，用于描述系统或对象在不同状态下的行为和转换。
它可以帮助开发人员更好地理解和设计复杂的系统，并在实际应用中提高代码的可读性和可维护性。
本文将介绍状态机的基本概念、应用场景以及实现方法，并通过示例代码来说明其具体应用。
一、状态机的基本概念状态机，又称有限状态机（Finite State Machine，FSM），是一种计算模型，用于描述系统或对象的状态和状态之间的转换。
它由一组状态、一组转换规则和一个初始状态组成。
1. 状态（State）：状态是系统或对象的某种特定情况或属性，可以是一个离散的值或一个更复杂的数据结构。
在状态机中，状态用于描述系统或对象所处的不同状态，例如开机、关机、运行等。
2. 转换（Transition）：转换是状态之间的切换过程。
它可以由外部事件触发，也可以由内部条件满足时自动触发。
转换可以是简单的一对一关系，也可以是复杂的多对多关系。
在状态机中，转换规则定义了从一个状态到另一个状态的条件和操作。
3. 初始状态（Initial State）：初始状态是系统或对象的初始状态。
在状态机中，初始状态是状态机开始执行时所处的状态。
二、状态机的应用场景状态机广泛应用于各个领域的软件开发中，特别是在需要处理复杂逻辑和状态转换的场景下。
以下是一些常见的应用场景：1. 交通信号灯控制：交通信号灯的状态可以有红灯、黄灯和绿灯，它们之间的转换规则由交通规则和时间控制。
2. 游戏角色行为控制：游戏角色的行为可以有站立、行走、跳跃等，它们之间的转换规则由玩家输入和游戏逻辑控制。
3. 订单状态管理：订单的状态可以有待支付、已支付、待发货、已发货等，它们之间的转换规则由用户行为和系统逻辑控制。
4. 业务流程管理：业务流程的状态可以有开始、进行中、暂停、结束等，它们之间的转换规则由业务规则和用户操作控制。
三、状态机的实现方法状态机的实现方法有多种，可以使用面向对象编程、函数式编程或表驱动等方式来描述和实现状态和转换规则。
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。
状态机的基本概念
状态机的基本概念==========状态机，又称为有限状态机（Finite State Machine, FSM），是一种用来描述系统行为的数学模型。
它由一组状态组成，每个状态可以接收一组事件并转换到另一个状态。
状态机在计算机科学、电子工程、自动化等领域都有广泛的应用。
1. 状态定义-------状态是状态机的基本组成部分，代表系统的一个特定状态。
每个状态都有一个唯一的名称，并且可以有一个或多个子状态。
状态可以看作是系统在某一时刻的行为表现。
2. 事件触发-------事件是触发状态转移的条件。
当一个事件被触发时，状态机会从当前状态转换到下一个状态。
事件可以是外部的（例如用户输入、定时器溢出等）或内部的（例如系统内部变量的改变）。
3. 状态转移-------状态转移是状态机的主要行为。
当一个事件被触发时，状态机会从当前状态转换到下一个状态。
状态转移可以是有条件的，也可以是无条件的。
状态转移的定义包括源状态、目标状态和触发事件。
4. 状态条件-------状态条件是决定状态转移的条件。
它通常是一个布尔表达式，当满足条件时，状态机会从当前状态转换到下一个状态。
状态条件可以包含系统内部变量的值、外部输入等。
5. 动作执行-------动作是在状态转移过程中要执行的操作。
它可以是一个函数调用、修改内部变量、输出信息等。
动作是与源状态和目标状态相关联的，它会在状态转移时被执行。
6. 循环控制-------循环控制是指状态机在执行过程中如何处理重复事件。
循环控制机制可以用来实现定时器、计数器等功能。
循环控制可以在状态机内部设置一个计数器，当计数器达到设定值时，状态机会从当前状态转换到下一个状态。
状态机 要素
状态机要素
状态机是一种用于描述对象在不同状态下所能接受的事件及状态转移规则的图形化表示工具。
它包含以下要素：
1. 状态（State）：表示对象所处的某种状态，一般用一个矩形表示。
每个状态代表一个具体的状态，比如开启、关闭、暂停、运行等。
2. 事件（Event）：表示触发状态转移的事件，一般用一个箭头表示。
每个事件会导致对象从一个状态转移到另一个状态，比如启动、停止、暂停、恢复等。
3. 状态转移（Transition）：表示从一个状态转移到另一个状态的过程，一般用箭头连接两个状态和事件的标签。
箭头的方向表示转移的方向，标签表示触发转移的事件。
4. 初始状态（Initial State）：表示状态机开始运行时的初始状态，一般用一个空心箭头指向初始状态。
5. 终止状态（Final State）：表示状态机结束时的终止状态，一般用一个圆形表示。
终止状态是状态转移的终点，一旦到达终止状态，状态机即停止运行。
6. 动作（Action）：表示在状态转移过程中执行的动作，一般用在状态转移的箭头上方。
动作可包括输入输出、计算、调用函数等。
通过以上要素的组合和绘制，可以绘制出一个完整的状态机图，用来描述对象在不同状态下的行为和状态转移规则。
状态机图可以帮助开发人员清晰地了解和分析系统的状态变化流程，便于编写代码和进行系统设计。
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地点：宿舍 功能：睡觉
条件：非周末
通过状态机的方式， 我们可以清晰地描述 一个学生的在校生活 方式。
地点：花前 月下 功能：
条件：周末
条件： 非周末 且 下午7点
地点：教室 功能：学习
条件：周末
条件：非周末
地点：食堂 功能：吃饭
条件： 非周末 且 下午6点
条件： 非周末 且 下午2点
地点：体育馆 功能：运动
第五章 状态机设计
目录
时序电路的概念 时序电路与状态机的关系 电路的竞争与冒险 有限状态机的描述方法 ASM图法状态机设计 有限状态机的分类 状态机VHDL实现举例
时序电路的概念
在组合电路中，任一时刻的稳定输出只取 决于当时的输入，而在时序电路中任一时 刻的稳定输出，不仅可能取决于当时的输 入，还取决于电路的原来的状态，即与过 去的输入情况有关。
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 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。
时序电路与状态机的关系
日常生活中的状态机
ASM图的组成
判断框
用单入口双出口的菱形或单入口多出口的多边形符 号表示。在菱形和多边形框内写检测条件，在分支 出口处注明各分支所满足的条件。 判断框必须跟着状态框。判断框的执行与状态框在 同一时钟周期内。
0 条件 1
引出分支 引出分支
ASM图法状态机设计——ASM图组成
ASM图组成
条件框
C C
0
CP
8
时序电路与状态机的关系
状态机的本质
状态机的本质就是对具有逻辑顺序或时序规律 事件的一种描述方法。具有逻辑顺序和时序规 律的事件都适合用状态机描述。 同步时序逻辑电路符合状态机的一般特征，即 具有逻辑顺序和时序规律，所以可以用状态机 描述。
时序电路与状态机的关系
状态机的基本要素
电路的竞争与冒险
竞争与冒险的例子
由于延迟时间的存在，当信号C经过多条路径 传送后又重新会合到U3上，由于C-D路径上门 的级数与C-E路径不同，导致到达会合点U3的 时间有先有后，从而产生瞬间的错误输出。
电路的竞争与冒险
上例中的时序如图
tpd
C
C
D
E
F
毛刺
电路的竞争与冒险
状态机克服竞争冒险的方法
在次态产生组合逻辑电路中，可以通过时序逻 辑消除毛刺，从而克服竞争冒险。
通过输出端时序同步的方法消除竞争与冒险 （即使用同步时序逻辑电路设计方法。详细实 例见后面介绍）。
有限状态机的描述方法
ASM图（主要讲解） 状态转移图
状态转移列表
状态 \ 输入 S0 S1 S2 a=‘1’ S1 S2 b=‘1’ S2 S0 S0 default
通过真值表，可以画出卡诺图如下：
• 由卡诺图可导出次态逻辑方程：
时序电路的概念
电路图
根据次态电路的组成，可以得到次态逻辑的组 成，从而可以得出3位计数器的详细电路：
0
&
0
0
A+
&
0
A 1D C1 A B 1D B C1
0
0 0 0
>=1
0
0
0 0 0
&
0
B+
0
&
0
0
0
>=1
0
0
0
&
0
C+
1D C1
ASM图的组成
状态框
用一个矩形框来表示一个状态。状态的名称写在左 上角；状态的二进制编码写在右上角；操作内容写 在矩形框内。在同步系统中，状态经历的时间至少 是一个时钟周期，也可以是几个周期。
状态名 二进制码
T1
001
寄存器操作 或输出
R 0 C=‘1’
ASM图法状态机设计——ASM图组成
时序电路与状态机的关系
描述时序电路的状态机的组成
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 一个状态；输出逻辑是用来确定有限状态机的输出。
存储逻辑
寄存器逻辑的功能：用来存储有限状态机的内部状 态。
电路的竞争与冒险
竞争与冒险
所谓竞争与冒险，就是在组合电路中，信号经 不同途径传输后，达到电路中某一汇合点的时 间有先有后，这种现象成为竞争。由于竞争而 使电路输出发生瞬间错误的现象，称为冒险。 在时序逻辑电路中，产生次态的电路和输出电 路是组合逻辑电路。组合逻辑电路存在竞争与 冒险，可能导致时序系统进入不正确的状态。 使用同步时序逻辑电路可以克服次态逻辑存在 竞争与冒险的问题。
MDS图
有限状态机的描述方法
ASM图法设计状态机
ASM本质上是一个有限状态机，主要用于同步 时序系统。 ASM精确地表示出状态转换的时间关系。 从形式上看，这种流程图类似于描述软件程序 的流程图，但它能和实现它的硬件很好的对应 起来。 本章主要学习使用ASM图法描述状态机。
Байду номын сангаас
ASM图法状态机设计——ASM图组成
-
0
1
Q
Q
Q
Q
时序电路的概念
用A、B、C分别表示3个位，则A+、B+、C+表 示A、B、C的次态。其真值表如下：
A 0 B 0 C 0 A+ 0 B+ 0 C+ 1
0
0 0 1
0
1 1 0
1
0 1 0
0
0 1 1
1
1 0 0
0
1 0 1
1
1 1
0
1 1
1
0 1
1
1 0
1
1 0
0
1 0
时序电路的概念
用椭圆框表示。条件框一定是与判断框的一个转移 分支相连接，仅当判断框中判断变量满足相应的转 移条件时，才进行条件框中标明的操作和信号输出。 虽然条件框和状态框都能执行操作和输出信号，但 二者有很大区别。
寄存器操作或输出
时序电路的概念
下面以一个简单的三位计数器为例，说明时序电路的结构。
设计分析
3位计数器，由时钟上升沿触发，计数从 000~111，到111后则重新回到000。 采用上升沿触发的D触发器作为状态寄存器，D 触发器的示意图和真值表如下：
D D C 1D C1 Q Q 0 1 C Q+ 0 1 Q+ 1 0
三位计数器的结构
根据上面的分析，3位计数器需要用到3个状态 寄存器。A+、B+、C+是状态寄存器的输入； A、B、C是状态寄存器的输出。由此可根据时 序电路的一般模型可画出3位计数器的结构。
A+ 1D C1 B+ 1D 次态 逻辑 C+ 1D C1 C1 C B A
CP
时序电路的概念
次态逻辑关系的推导