FSM 有限状态机
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。
软件测试中的有限状态机与决策表
软件测试中的有限状态机与决策表在软件测试领域，有限状态机（Finite State Machine，简称FSM）和决策表（Decision Table）是常用的测试工具和技术。
它们能够帮助测试人员更好地设计和执行测试用例，提高测试效率和测试覆盖率。
本文将介绍有限状态机和决策表，并探讨它们在软件测试中的应用。
一、有限状态机（FSM）有限状态机是一种数学模型，用于描述系统在不同状态之间转换的行为。
它由一组状态、一组输入和一组转换规则组成。
在软件测试中，有限状态机可以帮助测试人员把系统的行为分解成一系列离散的状态，并定义系统在不同状态下接受的输入以及状态之间的转换规则。
在使用有限状态机进行软件测试时，测试人员需要首先确定系统的各个状态，然后定义每个状态下的输入和转换规则。
接下来，可以使用测试用例来模拟系统的运行，并通过观察系统在不同状态下的行为来验证系统的正确性。
有限状态机的优点是能够将系统行为分解成离散的状态，使得测试用例的设计和执行更加简单直观。
它能够帮助测试人员发现系统中可能存在的错误和异常行为，并提供可靠的测试覆盖度衡量指标。
然而，有限状态机在处理复杂系统时可能存在状态爆炸问题，即状态之间的转换规则过于复杂，导致测试用例数量庞大，增加测试的工作量。
二、决策表（Decision Table）决策表是一种以表格形式表示的测试工具，用于描述系统在不同条件下所做的决策和相应的行为。
决策表由一组条件列和一组动作列组成，每个条件列表示一个输入条件，每个动作列表示一个输出动作。
通过组合不同的条件和动作，可以设计出全面而高效的测试用例。
在使用决策表进行软件测试时，测试人员需要先确定系统可能的条件和动作，然后构建决策表模型。
之后，可以使用决策表来生成测试用例，并验证系统在不同条件下的决策是否符合预期。
决策表的优点是能够将系统的各种条件和动作组合形成一个易于理解和维护的模型。
它能够帮助测试人员快速生成全面且高效的测试用例，并发现系统在不同条件下可能出现的问题。
有限状态机的verilog例子
有限状态机的verilog例子有限状态机（Finite State Machine, FSM）是数字电路设计中的一种基本构件，它可以用来实现各种复杂的控制逻辑。
在Verilog中，可以用模块（module）来描述一个有限状态机，使用参数（parameters）来定义状态数量和状态转移逻辑。
以下是一个简单的有限状态机的Verilog例子，该FSM有3个状态（S0, S1, S2）和两个输入（clk, rst_n）以及一个输出（next_state, out）：```verilogmodule fsm(input wire clk, // 时钟信号input wire rst_n, // 低电平复位信号input wire [1:0] in, // 输入信号，这里位宽为2，可以扩展output reg next_state, // 下一状态输出output reg out // 输出信号);// 状态参数parameter S0 = 2'b00;parameter S1 = 2'b01;parameter S2 = 2'b10;// 状态寄存器reg [1:0] state;// 状态转移逻辑always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n) begin// 当处于复位状态时，状态寄存器和输出都初始化为0state <= S0;out <= 1'b0;end else begin// 根据当前状态和输入信号，更新下一状态和输出case (state)S0: beginnext_state <= S1;out <= 1'b1;endS1: beginnext_state <= S2;out <= 1'b0;endS2: beginnext_state <= S0;out <= 1'b1;enddefault: beginnext_state <= S0;out <= 1'b0;endendcaseendendendmodule```在这个例子中：- `clk` 是时钟信号。
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 消息队列环形缓冲区处理器通讯协议
有限状态机消息队列环形缓冲区处理器通讯协议一、引言有限状态机（Finite State Machine，FSM）是一种非常重要的计算机模型，在信息处理、控制系统、通信系统等领域都有着广泛的应用。
消息队列、环形缓冲区、处理器通讯协议则是与FSM密切相关的概念和技术。
本文将深入探讨这些主题，并分析它们的联系和应用。
二、有限状态机（FSM）1. 有限状态机概述有限状态机是一种数学模型，用于描述有限个状态以及在这些状态之间的转移和行为。
在计算机科学中，FSM常被用来建模计算、控制和通信等系统。
它具有状态、转移和行为三要素，能清晰地描述系统的运行逻辑和状态变化。
2. 有限状态机的应用在现代计算机系统中，有限状态机被广泛应用于编译器、操作系统、网络协议、人机交互等方面。
它可以帮助我们理解和分析复杂系统的行为，是软件工程中重要的建模工具。
三、消息队列1. 消息队列概述消息队列是一种进程间通信的方式，用于在不同组件、服务或进程之间进行异步消息的传递。
它通常采用先进先出（FIFO）的方式来管理消息，能够实现解耦和异步通信的效果。
2. 消息队列的应用消息队列在分布式系统、微服务架构、事件驱动架构等领域得到广泛应用。
通过消息队列，不同的系统组件之间可以实现松耦合的通信，提高系统的可伸缩性和容错性。
四、环形缓冲区1. 环形缓冲区概述环形缓冲区是一种循环队列结构，用于在固定大小的缓冲区中存储和处理数据。
它具有读写指针、循环存储和高效利用内存等特点，常被用于实现数据的缓冲和循环处理。
2. 环形缓冲区的应用环形缓冲区在嵌入式系统、通信系统、存储系统等方面得到广泛应用。
通过环形缓冲区，可以高效地存储和处理连续的数据流，提高数据的处理速度和效率。
五、处理器通讯协议1. 处理器通讯协议概述处理器通讯协议是处理器与外设、存储器、其他处理器等之间进行通讯和数据交换的规范和约定。
它可以包括位置区域总线、数据总线、控制信号等部分，用于确保不同设备之间的数据一致性和正确性。
有限状态机数学模型_概述及解释说明
有限状态机数学模型概述及解释说明1. 引言1.1 概述在计算机科学领域中，有限状态机（Finite State Machine，FSM）是一种用于描述对象或系统的行为方式的数学模型。
有限状态机通过定义一组离散的状态和状态之间的转换规则来描述系统的动态变化。
1.2 文章结构本篇文章主要围绕有限状态机数学模型展开讨论，并依次介绍了其定义、基本特性、状态转换图等内容。
同时也会对有限状态机在现实世界中的应用领域进行探讨，并介绍设计原则以及状态转换表和状态转换图之间的关系。
最后，本文将通过具体实例分析三种不同情况下有限状态机模型的应用，以期帮助读者更好地理解该数学模型。
1.3 目的本文旨在提供一个简明扼要但详尽全面的概述，使读者对有限状态机数学模型有一个清晰明了的认识。
通过阅读本文，读者将能够了解该数学模型在实际应用中的重要性，并能够运用所学知识解决相关问题。
此外，本文还将指出当前研究领域中有限状态机数学模型存在的一些局限性，并展望未来的研究方向，以促进学术界对该领域的深入探索和创新。
2. 有限状态机数学模型2.1 定义有限状态机（Finite State Machine，FSM）是一种表示系统运行状态的数学模型。
它由一组离散的状态、条件和转移规则组成，用来描述一个系统在不同输入下所处的各个状态以及状态之间的转移。
在有限状态机中，系统根据当前所处的状态和输入条件来确定下一个要进入的状态。
其中，状态是指系统可能存在的各种状况，而输入条件则触发或影响状态之间的转换。
2.2 基本特性有限状态机具备以下基本特性：首先，它是离散的，即只能处于有限个预定义的状态之一，在每个时间点上只能存在于一个唯一的当前状态。
其次，它具备确定性和非确定性两种形式。
确定性有限状态机（Deterministic Finite State Machine，DFSM）中任意给定一个输入条件和当前状态，则仅存在唯一一种下一个状态；而非确定性有限状态机（Non-deterministic Finite State Machine，NFSM）允许存在多个可能的下一个转移路径。
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。
有限状态机FSM（FiniteStateMachine）及实现方式介绍
有限状态机FSM（FiniteStateMachine）及实现⽅式介绍⼀、为什么引⼊有限状态机？ 最近做⼀个项⽬，项⽬中很多实体(Entity)，每个实体都有很多状态(State)，各状态会经过不同事件(Event)触发后转换到另⼀个状态。
这些事件包括但不限于：⽤户页⾯点击触发，⽣效时间或失效时间到达，其他依赖实体状态变更等。
在状态变更后还会有⼀系列动作(Action)处理。
⼀旦相互依赖实体或实体本⾝状态增多，状态转换变多，处理这些状态的业务代码也会分散在各处，代码处理很容易漏掉，维护成本很⾼。
所以考虑引⼊有限状态机。
⼆、什么是有限状态机？ 有限状态机,也称为FSM(Finite State Machine)，其在任意时刻都处于有限状态集合中的某⼀状态。
当其获得⼀个输⼊字符时，将从当前状态转换到另⼀个状态，或者仍然保持在当前状态。
任何⼀个FSM都可以⽤状态转换图来描述，图中的节点表⽰FSM中的⼀个状态，有向（⽅向表⽰从⼀个初态转换到次态）加权（权表⽰事件）边表⽰输⼊字符时状态的变化。
如果图中不存在与当前状态与输⼊字符对应的有向边，则FSM将进⼊“消亡状态(Doom State)”，此后FSM将⼀直保持“消亡状态”。
状态转换图中还有两个特殊状态：状态1称为“起始状态”，表⽰FSM的初始状态。
状态6称为“结束状态”。
在启动⼀个FSM时，⾸先必须将FSM置于“起始状态”，然后触发⼀系列时间，最终，FSM会到达“结束状态”或者“消亡状态”。
图1：状态转换图说明：在通常的FSM模型中，⼀般还存在⼀个“接受状态”，并且FSM可以从“接受状态”转换到另⼀个状态，只有在识别最后⼀个字符后，才会根据最终状态来决定是否接受所输⼊的字符串。
此外，也可以将“其实状态”也作为接受状态，因此空的输⼊序列也是可以接受的。
1. 状态机要素状态机可归纳为4个要素，即现态、条件、动作、次态。
“现态”和“条件”是因，“动作”和“次态”是果。
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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。
2014-10-1
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。
2014-10-1 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;
源状态 0 0 1 1 2
2014-10-1
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。
2014-10-1
通信软件设计
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。
2014-10-1
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，
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。
2014-10-1 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。
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。
第五讲 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
2014-10-1
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。
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。
2014-10-1
通信软件设计
第3页
静态顺序结构
动态结构
2014-10-1
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。
其它对象，或者通过接受消息来改变自身。
2014-10-1
通信软件设计
第11页
为什么使用有限状态机
在银行客户管理系统中，客户类（Customer）的实例在需要的时候，
可能会调用帐户（Account）类中定义的getBalance()方法。在这种简 单的情况下，类Customer并不需要一个有限状态机来描述自己的行为，
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。
2014-10-1 通信软件设计 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
2014-10-1
通信软件设计
第8页
基本概念
在描述有限状态机时，常会碰到的几个基本概念：
状态（State） 指的是对象在其生命周期中的一种状况，处于 某个特定状态中的对象必然会满足某些条件、执行某些动作或 者是等待某些事件。 事件（Event） 指的是在时间和空间上占有一定位置，并且对 状态机来讲是有意义的那些事情。事件通常会引起状态的变迁， 促使状态机从一种状态切换到另一种状态。 转换（Transition） 指的是两个状态之间的一种关系，表明对 象将在第一个状态中执行一定的动作，并将在某个事件发生同 时某个特定条件满足时进入第二个状态。
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）。
3) f : S × → S，f 是转换函数，表示某状态接受某个输入字符所到
达的状态，如：f(p,a) = q，p，qS，a 4) S0 S， S0是S中的元素，是唯一的一个初态 5) ZS，且 Z ，Z是S的一个子集，是一个终态集，或叫结束集
2014-10-1
通信软件设计
第16页
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பைடு நூலகம்设计 第17页
c
其中，S = {0 , 1 , 2 , 3 } S0 = 0 f:
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通信软件设计
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控制城门的状态机
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通信软件设计
第14页
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
2014-10-1
通信软件设计
第15页
确定的有限状态机
一个DFA M是一个五元组，记作 M = (S, , f, S0, Z)，其中
1) S = {状态i}，S是一个有限集，其中的每一个元素称为一个状态 2) = {输入字符i}，是一个有穷字母表，它的每一个元素称为一个 输入字符
2014-10-1
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;
学习doorFSM工程，如何编程实现有限状态机。
2014-10-1
通信软件设计
第18页
手工编写状态机
在很长一段时期内，使用switch语句一直是实现有限状态机的唯一
方法，甚至像编译器这样复杂的软件系统，大部分也都直接采用这
种实现方式。但之后随着状态机应用的逐渐深入，构造出来的状态 机越来越复杂，这种方法也开始面临各种严峻的考验。如果状态机
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。
2014-10-1 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。