有限状态机介绍剖析
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有限状态机(ASM)(FSM)
Chapter 4 DESIGN FOR FINITE STATE MACHINES(FSM)
(OR ASM)
Sequential circuits are also called finite state machines (FSMs), which is a more formal name that is often found in technical literature. The name derives from the fact that the function behavior of these circuits can be represented using a finite number of states.
begin
if clk'event and clk='1' then
presentstate<=nextstate;
end if;
end process switch_to_nextstate;
when s3=>nextstate<=s4; change_state_mode: process(presentstate)--主控组合进程 y<="100"; begin cout<='0'; case presentstate is when s4=>nextstate<=s0; when s0=>nextstate<=s1; y<="000"; y<="001"; cout<='1'; cout<='0'; when when s1=>nextstate<=s2; others=>nextstate<=s0; y<="010"; cout<='0'; y<="XXX";
(OR ASM)
Sequential circuits are also called finite state machines (FSMs), which is a more formal name that is often found in technical literature. The name derives from the fact that the function behavior of these circuits can be represented using a finite number of states.
begin
if clk'event and clk='1' then
presentstate<=nextstate;
end if;
end process switch_to_nextstate;
when s3=>nextstate<=s4; change_state_mode: process(presentstate)--主控组合进程 y<="100"; begin cout<='0'; case presentstate is when s4=>nextstate<=s0; when s0=>nextstate<=s1; y<="000"; y<="001"; cout<='1'; cout<='0'; when when s1=>nextstate<=s2; others=>nextstate<=s0; y<="010"; cout<='0'; y<="XXX";
实验3有限状态机
对收集到的数据进行深入分析，以了解有限状态机的表现和优缺点。例如，我们可以分析不同输入下有限状态机的响 应时间、内存占用情况等，以便更好地理解其性能特点。
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。
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
综合
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
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
《有限状态自动机》课件
首先需要确定有限状态自动机 的状态数量，这是实现自动机
的基础。
设计状态转移图
根据需求，设计状态转移图， 确定各个状态之间的转移关系 。
编写代码实现
根据状态转移图，使用编程语 言编写代码实现有限状态自动 机。
测试与调试
对实现的有限状态自动机进行 测试和调试，确保其正确性和
稳定性。
有限状态自动机的应用场景
02
它由一组状态、一组输入符号 和一个转换函数组成，根据输 入符号的刺激，在有限个状态 之间进行转换。
03
有限状态自动机可以用于描述 和分析各种复杂系统的行为， 如计算机硬件、电路、程序等 。
有限状态自动机的分类
确定有限状态自动机（Deterministic Finite State Machine, DFSM）：在确定有限状态自动 机中，对于任何输入符号，都只有一个状态转换 。
01
文本处理
用于识别和提取文本中的特定模式 和信息。
模式匹配
用于在大量数据中快速查找和匹配 特定模式。
03
02
语法分析
在编译器和解释器设计中，用于识 别和解析语法结构。
人工智能
用于构建智能系统和机器人的行为 模型。
04
有限状态自动机在现实生活中的应用案例
01
02
03
交通信号控制
用于控制交通信号灯的自 动切换，保障交通安全和 顺畅。
故障诊断
用于识别和诊断机械设备 或电子设备的故障模式。
语音识别
用于识别和分类语音信号 ，实现语音控制和交互。
05
总结与展望
有限状态自动机的优缺点
高效性
有限状态自动机在处理离散事件或模 式匹配时非常高效。
简洁性
的基础。
设计状态转移图
根据需求，设计状态转移图， 确定各个状态之间的转移关系 。
编写代码实现
根据状态转移图，使用编程语 言编写代码实现有限状态自动 机。
测试与调试
对实现的有限状态自动机进行 测试和调试，确保其正确性和
稳定性。
有限状态自动机的应用场景
02
它由一组状态、一组输入符号 和一个转换函数组成，根据输 入符号的刺激，在有限个状态 之间进行转换。
03
有限状态自动机可以用于描述 和分析各种复杂系统的行为， 如计算机硬件、电路、程序等 。
有限状态自动机的分类
确定有限状态自动机（Deterministic Finite State Machine, DFSM）：在确定有限状态自动 机中，对于任何输入符号，都只有一个状态转换 。
01
文本处理
用于识别和提取文本中的特定模式 和信息。
模式匹配
用于在大量数据中快速查找和匹配 特定模式。
03
02
语法分析
在编译器和解释器设计中，用于识 别和解析语法结构。
人工智能
用于构建智能系统和机器人的行为 模型。
04
有限状态自动机在现实生活中的应用案例
01
02
03
交通信号控制
用于控制交通信号灯的自 动切换，保障交通安全和 顺畅。
故障诊断
用于识别和诊断机械设备 或电子设备的故障模式。
语音识别
用于识别和分类语音信号 ，实现语音控制和交互。
05
总结与展望
有限状态自动机的优缺点
高效性
有限状态自动机在处理离散事件或模 式匹配时非常高效。
简洁性
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
什么是有限状态机
1.什么是有限状态机，Moore机和Mealy机的各自特点和他们之间的区别是什么？答：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。
Mealy机属于同步输出状态机，他的输出是当前状态和所有输入信号的的函数，其输出会在输出仅为当前状态的函数，与当前输入信号无关。
当然，当前状态是和上一时刻时输入信号相关的，当前输入的变化必须等待下一时钟到来使状态发生变化时才能导致输出的变化。
因此，Moore机比Mealy机多等待一个时钟周期才会引起输出的变化，由于Mealy机的输出不与时钟同步，当状态译码比较复杂时，易在输出端产生不可避免的毛刺。
********************************************************************* 2.一个复杂的电路可以划分为几个不同的抽象级别：系统级，算法级，寄存器传输级，逻辑门级，晶体管开关级。
********************************************************************* 3.reg和wire的区别Reg型变量需要被明确赋值，并且在重新赋值前，一直保持原值，wire对应于连续赋值，如assign,reg对应于过程赋值，如always，initial。
********************************************************************* 4.阻塞和非阻塞的区别非阻塞赋值在整个过程块结束后才能完成赋值操作，阻塞赋值在该语句结束时就立即完成赋值操作，阻塞语句是顺序执行的，而非阻塞语句是同时执行的。
********************************************************************* 5.举例说明触发器在什么情况下会在综合过程中生成锁存器在写组合逻辑电路的always块中，， always块中要使用的输入信号在always 后面的敏感信号表中有遗漏，组合逻辑电路设计时不能有反馈。
TCP协议有限状态机分析
TCP协议有限状态机分析一、概述网络通信中，一个健全的应用程序必须能够处理网络中可能出现的各种状态，必须对TCP的有限状态机有所了解。
TCP从建立到终止整个过程中，存在11种状态，TCP的有限状态机给出了TCP连接从一个状态转到另一个状态的规则。
二、TCP连接1、建立一个TCP连接TCP使用三次握手（three-way handshake）协议来建立连接，图3-10描述了三次握手的报文序列。
这三次握手为：①请求端（通常称为客户）发送一个SYN报文段（SYN为1）指明客户打算连接的服务器的端口，以及初始顺序号（ISN）。
②服务器发回包含服务器的初始顺序号的SYN报文段（SYN为1）作为应答。
同时，将确认号设置为客户的ISN加1以对客户的SYN报文段进行确（ACK也为1）。
③客户必须将确认号设置为服务器的ISN加1以对服务器的SYN报文段进行确认（ACK 为1），该报文通知目的主机双方已完成连接建立。
发送第一个SYN的一端将执行主动打开（active open），接收这个SYN并发回下一个SYN的另一端执行被动打开（passive open）。
另外，TCP的握手协议被精心设计为可以处理同时打开（simultaneous open），对于同时打开它仅建立一条连接而不是两条连接。
因此，连接可以由任一方或双方发起，一旦连接建立，数据就可以双向对等地流动，而没有所谓的主从关系。
三次握手协议是连接两端正确同步的充要条件。
因为TCP 建立在不可靠的分组传输服务之上，报文可能丢失、延迟、重复和乱序，因此协议必须使用超时和重传机制。
如果重传的连接请求和原先的连接请求在连接正在建立时到达，或者当一个连接已经建立、使用和结束之后，某个延迟的连接请求才到达，就会出现问题。
采用三次握手协议（加上这样的规则：在连接建立之后TCP 就不再理睬又一次的连接请求）就可以解决这些问题。
三次握手协议可以完成两个重要功能：它确保连接双方做好传输准备，并使双方统一了初始顺序号。
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;
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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。
2018/8/1 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。
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
通信软件设计
第22页
自动生成状态机
为实用的软件系统编写状态机并不是一件十分轻松的事情，特别是 当状态机本身比较复杂的时候尤其如此。人们开始尝试开发一些工 具来自动生成有限状态机的框架代码，而在Linux下就有一个挺不 错的选择──FSME（Finite State Machine Editor）。
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。
2018/8/1 通信软件设计 第5页
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。
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。
2018/8/1 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。
FSME是一个基于Qt的有限状态机工具，它能够让用户通过图形化 的方式来对程序中所需要的状态机进行建模，并且还能够自动生成
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。
2018/8/1
通信软件设计
第3页
静态顺序结构
动态结构
2018/8/1
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。
主要原因在于它当前的行为并不依赖于过去的某个状态。
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
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。
2018/8/1 通信软件设计 第21页
doorFSM.cpp实现文件
void DoorFSM::processEvent( Event e ) { States yOld = doorState; bool pass = false; switch( yOld ) { //transitions case Closed: if( e == Open ) { //outcome actions doorState = Opened; pass = true; } else if( e == Lock ) {//outcome actions doorState = Locked; pass = true; } break;
有限状态机
主要内容
1. 有限状态机的基本概念
2. 有限状态机编程方法
2018/8/1
通信软件设计
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。
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。
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。
通信软件设计 第9页
2018/8/1
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
源状态 0 0 1 1 2
2018/8/1
输入 a C d b d
手工编写状态机
与其他常用的设计模式有所不同，程序员想要在自己的软件系统 中加入状态机时，必须再额外编写一部分用于逻辑控制的代码， 如果系统足够复杂的话，这部分代码实现和维护起来还是相当困 难的。
在实现有限状态机时，使用switch语句是最简单也是最直接的一 种方式，其基本思路是为状态机中的每一种状态都设置一个case 分支，专门用于对该状态进行控制。
2018/8/1
case Unlocked: if( e == Lock ) {//outcome actions doorState = Locked; pass = true; } else if( e == Open ) {//outcome actions doorState = Opened; pass = true; } break; case Locked: if( e == Unlock ) {//outcome actions doorState = Unlocked; pass = true; } break;
中的状态非常多，或者状态之间的转换关系异常复杂，那么简单地
使用switch语句构造出来的状态机将是不可维护的。
2018/8/1
通信软件设计
第19页
doorFSM程序实例
（1）新建一个Win32 Console Application的简单应用程序，并利
用ClassWiard建立doorFSM类，用doorFSM实现状态机。
确定的有限状态机
d 0 a 1 2 b d
左侧的状态图，在数学上称作DFA，
3
其形式化定义为： M=(S, , f, S0, Z) = {a , b , c , d } Z = {3}
目的状态 1 2 1 3 3
通信软件设计 第17页
c
其中，S = {0 , 1 , 2 , 3 } S0 = 0 f:
2018/8/1
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。
2018/8/1
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，
（2）编写doorFSM.h头文件 （3）编写doorFSM.cpp源程序
添加状态、事件、转化函数等
（4）添加测试程序Test.cpp
2018/8/1
通信软件设计
第20页
DoorFSM类
class DoorFSM { public: enum Event {Lock, Unlock, Open, Close}; // Events protected: void enterOpened(); void enterLocked(); void enterUnlocked(); void enterClosed(); public: enum States {Closed, Unlocked, Locked, Opened}; // states States doorState; public: DoorFSM() { doorState = Opened; } // Constructor virtual ~DoorFSM() {} // Destructor States currentState() { return doorState; } // Get current FSM state, returns current FSM state void processEvent( Event e ); // perform event static const char* eventName( Event e ); // Get symbolic name of an event static const char* stateName( States s )；// Get symbolic name of a state };