简述状态机组合逻辑设计原理
第五讲 状态机设计及其指导原则
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带流水线的Mealy 状态机
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)；
组合逻辑
时序逻辑 当前状态
组合逻辑 输出 译码器 G
时序逻辑
输出流 水线寄 存器 clk 输入
输入
状态 激励信号 状态 寄存器 译码器 F
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原语描述
module noconditional (clk,nrst,state,event); input clk,nrst input state; output event; reg event;
reg reg [2:0] CS; //CurrentState [2:0] NS; //NextState
制作人：梁瑞宇 单位：河海大学
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制作人：梁瑞宇 单位：河海大学
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状态机的本质--对具有逻辑顺序或
时序规律事件的一种描述方法
状态机的两个应用思路： - 从状态变量入手
- 明确电路的输出的关系
制作人：梁瑞宇 单位：河海大学
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case……endcase 语法格式： case (case_expression) case_item1：case_item_statement1; case_item2：case_item_statement2; case_item3：case_item_statement3; case_item4：case_item_statement4; default：case_item_statement5; endcase 使用default关键字来描述FSM所需状态的补集状态 下的操作，避免FSM进入死循环。 建议初学者使用完整的case 结构，而不使用casex 或casez。
计算机结构与逻辑设计
计算机结构与逻辑设计计算机结构与逻辑设计是计算机科学领域中的重要学科，它研究了计算机硬件和软件之间的关系，以及计算机内部各个组件的工作原理和相互作用方式。
本文将从计算机结构和逻辑设计的角度，介绍这一学科的基本概念和重要内容。
一、计算机结构计算机结构是指计算机硬件系统的组织方式和相互连接的方式。
它是计算机的基础，决定了计算机的性能和功能。
计算机结构包括以下几个方面的内容：1. 中央处理器（CPU）：中央处理器是计算机的核心部件，负责执行指令和控制计算机的运行。
它由运算器、控制器和寄存器组成，具有运算、控制和存储功能。
2. 存储器：存储器用于存储数据和指令，是计算机的主要组成部分。
根据存取方式的不同，存储器可以分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）等。
3. 输入输出设备：输入输出设备用于与计算机进行信息交互。
常见的输入设备有键盘、鼠标和扫描仪等，输出设备有显示器、打印机和音响等。
4. 总线：总线是计算机内部各个组件之间进行数据传输的通道。
它将数据、地址和控制信号传递给各个部件，实现它们之间的通信。
二、逻辑设计逻辑设计是指将计算机中的各个部件按照一定的逻辑关系进行组合，实现计算机的功能和性能要求。
逻辑设计主要包括以下几个方面的内容：1. 布尔代数：布尔代数是逻辑设计的基础，它用于描述逻辑运算和逻辑关系。
布尔代数包括与、或、非等逻辑运算，以及与、或、非门等逻辑门电路。
2. 组合逻辑电路：组合逻辑电路是由多个逻辑门组成的电路，其输出只取决于当前输入的状态。
常见的组合逻辑电路有加法器、多路选择器和译码器等。
3. 时序逻辑电路：时序逻辑电路是由组合逻辑电路和触发器组成的电路，其输出不仅取决于当前输入的状态，还取决于过去输入的状态。
常见的时序逻辑电路有时钟、计数器和存储器等。
4. 状态机：状态机是一种描述系统状态和状态转换的模型。
它由状态集合、输入集合、输出集合和状态转换函数组成，用于描述计算机系统的行为和功能。
《VHDL状态机》课件
总结与展望
1 VHDL 状态机对数字电路设计的重要性
VHDL状态机能够将数字电路行为直观地表示出来，提高设计效率。
2 VHDL 状态机在工业自动化控制中的作用
VHDL状态机在自动化控制系统中扮演着重要的角色，提高系统的智能化。
3 VHDL 状态机的发展前景
随着数字电路和自动化技术的不断发展，VHDL状态机将继续发挥重要作用。
《VHDL状态机》PPT课件
VHDL状态机是一种描述数字电路行为的建模语言，本课件将介绍VHDL状态机 的定义、作用以及其在数字电路设计中的重要性。
什么是 VHDL 状态机
定义
VHDL状态机是一种用于描述数字电路中组合逻辑与时序逻辑之间关系的建模方法。
作用
VHDL状态机能够将数字电路行为清晰地表示出来，方便设计者进行分析和调试。
VHDL 状态机的设计方法
1
状态定义
确定所需的状态数量，并为每个状态指定一个唯一的编码。
2
状态转移
根据输入信号和当前状态，定义状态之间的转移条件。
3
输出定义
根据当前状态和输入信号，定义对应的输出信号。
1 VHDL 状态机设计实例
设计一个灯泡控制系统，根据不同输入信号以及当前状态控制灯泡的亮、灭。
VHDL 状态机的调试技巧
VHDL 状态机的基本结构
状态寄存器
用于存储当前状态信息，决 定下一状态的变化。
组合逻辑
根据输入信号和当前状态， 决定下一状态。
输出逻辑
根据当前状态和输入信号， 产生输出信号。
1 VHDL 状态机的两种类型
Moore 状态机：输出只与当前状态有关；Mealy 状态机：输出与当前状态和输入信号有关。
第7章 有限状态机设计
7.1 有限状态机概述
7.1.4 有限状态机的VHDL描述
2．状态机的结构 2）状态机的进程部分 状态机的进程部分又可分为主控时序进程、主控组合进程 和辅助进程。主控时序进程是指负责状态机运转和在时钟驱动下 负责状态转换的进程，一般主控时序进程不负责下一状态的具体 状态取值。主控组合进程的任务是根据外部输入的控制信号（包 括来自状态机外部的信号和来自状态机内部其它非主控的组合或 时序进程的信号），或（和）当前状态值确定下一状态的取值。 辅助进程用于配合状态机工作的组合进程或时序进程。 状态机的进程描述有单进程状态机、双进程状态机和多进 程状态机。
7.1 有限ห้องสมุดไป่ตู้态机概述
7.1.1 有限状态机的概念和分类
输出信号可以由当前状态和当前输入信号决定，也 可以只由当前状态决定。按照输出信号是否与输入信号 有关，可将有限状态机分为Moore型（摩尔型）和 Mealy型（米里型）。Moore型状态机的输出只与当前 状态有关，Mealy型状态机的输出不仅与当前状态有关， 还与当前输入有关。
5．形成状态转换图 6．用VHDL语言实现有限状态机
7.1 有限状态机概述
7.1.4 有限状态机的VHDL描述
1．数据类型定义语句 VHDL数据类型有标准预定义数据类型和用户自定义数据类型， 标准预定义数据类型有整数类型、STD_LOGIC、BIT等常用数据类型， 用户自定义数据类型有枚举类型、数据类型和记录类型等。 自定义数据类型主要是用类型定义语句TYPE来实现，其基本语 法格式如下： TYPE 数据类型名 IS 数据类型定义 [OF 基本数据类型] （1）数据类型名部分由设计者自定，要符合标识符的规定。 （2）数据类型定义部分用来描述所定义的数据类型的表达方式和表 达内容。 （3）OF后的基本数据类型，一般为已有的标准预定义数据类型，该 部分不是必须的。 （4）数据类型定义语句一般放在结构体中的说明部分。
有限状态机设计(4)new
“101”序列检测器的Verilog描述（三个过程）
always @(state) /*该过程产生输出逻辑 该过程产生输出逻辑*/ 该过程产生输出逻辑 begin case(state) S3: z=1'b1; default:z=1'b0; endcase end endmodule
S2:begin if(x) next_state<=S3; else next_state<=S0; end S3:begin if(x) next_state<=S1; else next_state<=S2; end default: next_state<=S0; /*default语句 语句*/ 语句 endcase end
8.3 状 态 编 码 常用的编码方式
◆ 顺序编码 ◆ 格雷编码 ◆ 约翰逊编码 ◆一位热码
一位热码编码选择对话框（Quartus Ⅱ）
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 parameter state1=2'b00,state2=2'b01,state3=2'b11,state4=2'b10; …… case(state) state1: …; //调用 state2: …; ……
第8章 有限状态机设计
有限状态机 FSM（Finite State Machine） 适于数字系统的控制模块 常用case、if-else语句描述
状态机的两种写法
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。
有限状态机的工作原理如图1所示，发生事件(event)后，根据当前状态(cur_state)，决定执行的动作(action)，并设置下一个状态号(nxt_state)。
-------------| |-------->执行动作action发生事件event ----->| cur_state || |-------->设置下一状态号nxt_state-------------当前状态图1 有限状态机工作原理e0/a0--->--| |-------->----------e0/a0 | | S0 |-----| -<------------ | e1/a1| | e2/a2 V---------- ----------| S2 |-----<-----| S1 |---------- e2/a2 ----------图2 一个有限状态机实例--------------------------------------------当前状态s0 s1 s2 | 事件--------------------------------------------a0/s0 -- a0/s0 | e0--------------------------------------------a1/s1 -- -- | e1--------------------------------------------a2/s2 a2/s2 -- | e2--------------------------------------------表1 图2状态机实例的二维表格表示(动作/下一状态)图2为一个状态机实例的状态转移图，它的含义是：在s0状态，如果发生e0事件，那么就执行a0动作，并保持状态不变；如果发生e1事件，那么就执行a1动作，并将状态转移到s1态；如果发生e2事件，那么就执行a2动作，并将状态转移到s2态；在s1状态，如果发生e2事件，那么就执行a2动作，并将状态转移到s2态；在s2状态，如果发生e0事件，那么就执行a0动作，并将状态转移到s0态；有限状态机不仅能够用状态转移图表示，还可以用二维的表格代表。
状态机基础——精选推荐
状态机基础⽂章⽬录前⾔状态机的设计状态浅析真正的状态抽象的状态与中间变量抽象状态的设计⽅法抽象状态与中间变量的权衡基本状态介绍初始态结束态中继态分⽀态复位态空闲态多余态状态的⼀些基本抽象原则基本原则⼀：按流程抽象基本原则⼆：按功能抽象基本原则三：按复杂度抽象状态机群的设计并联式状态机群串联式状态机群串⾏式状态机群嵌套式状态机群总分式状态机群时序逻辑的状态机群设计前⾔本⽂摘⾃《FPGA之道》，上两篇博⽂分别讲到了状态机的概念以及状态机的模型，可知状态机分为摩尔状态机以及mealy状态机，根据系统设计需求也可分为设计成1型以及2型等。
本⽂⼀起看下FSM的具体设计需要考虑哪些内容以及如何设计状态机，⼀起看看作者想和我们分享的内容。
状态机的设计作为⼀名FPGA开发者，我们的⼯作可不仅仅是将别⼈画好的状态转移图翻译成HDL代码⽽已，更重要的是，我们要能够设计出满⾜项⽬需求的状态机。
既然要设计状态机，那么参考【状态机的概念->状态机的组成六要素】⼩节，可知我们需要从六个⽅⾯⼊⼿，即状态集合、初态、终态、输⼊符号集、输出符号集、状态转移函数，其中除了输⼊符号集、输出符号集外，其余其实都是关于状态机的状态设计。
再结合【状态机的模型】⼩节的描述，可知输⼊符号集是和状态转移函数相关的、输出符号集是和状态集合相关的。
因此，整个状态机的设计实际上就是状态的设计，那么本章节，就简要的为⼤家介绍⼀下状态的设计⽅法与思路。
状态浅析真正的状态要想设计状态，⾸先要明确什么是真正的状态。
在最开始介绍状态机的时候，我们就说“每个FPGA开发者都有意或⽆意的、不可避免的使⽤着状态机”，到底这是为什么呢？我们有过这样的介绍——“如果数字电路满⾜任意时刻的输出仅仅取决于该时刻的输⼊，那么该数字电路为组合逻辑电路。
相反，如果数字电路任意时刻的输出不仅取决于当前时刻的输⼊，⽽且还取决于数字电路原来的状态，那么该数字电路为时序逻辑电路。
”由此可见，时序电路的概念其实就是状态机的概念，因此时序电路本⾝就是⼀个状态机，⽽组合逻辑其实也可以看做⼀个仅有⼀个状态的状态机。
(8)状态机全
input clk，rst_n, in;
output out;
reg out;
reg[1:0] current_state,next_state;//状态寄存器
parameter s0=2'b00,s1=2'b01,s2=2'b10,s3=2'b11;
//状态编码
clk rst_n
in
out
识别110序列
//当状态为S2时，如果输入为1, 状态变为S2， 否则状态为s3; 输出值与输入有关，如果输入为1， 则输出0，否则输出1。
s3:begin state<=(in==1)?s1:s0;out<=0;end
endcase
endmodule
不建议用此种方法
// pluse_check 3.v：
module pluse_check(clk,rst_n,in,out);
// pluse_check 1.v第一种方法：
module pluse_check (in,clk,rst_n,out);
input in,clk,rst_n;
output out;
reg out;
reg [1:0]state; //存储状态的寄存器
parameter s0=0,s1=1,s2=2,s3=3; //各个状态编码
endcase
0/0
endmodule
1/0
S0
0/0
S1
1/0
0/0 1/0
S3
0/1 S2 1/0
关于状态机的“思考”
1.起始状态: 2.状态图化简: 3.状态编码: 4.剩余状态与容错技术
1．起始状态
在设计状态机时，需要让状态机在复位过 后进入一个确定的起始状态，然后从该起始状态 开始工作。我们应该根据事务处理流程，合理安 排分配成不同的状态，便于进行状态跳转表的设 计及描述。
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简述状态机组合逻辑设计原理
状态机组合逻辑设计原理是一种基于状态机的逻辑设计方法，它将系统的行为抽象为一组状态和状态转换，通过将状态转换与逻辑电路的输入输出关联起来，实现系统的逻辑功能。
状态机是一种描述系统行为的形式化模型，它由一组状态、转移条件和输出条件组成。
在状态机组合逻辑设计中，可以将状态表示为多个寄存器的状态向量，将状态转移条件表示为逻辑方程，将输出条件表示为逻辑函数。
设计原理包括：
1. 确定状态和状态转移：根据系统的需求和功能，确定系统的状态和状态转移条件。
状态可以根据系统的特性进行定义，例如时序逻辑中的时钟信号、使能信号等。
2. 定义输入和输出：根据系统的功能，确定输入和输出的信号，并将其与状态转移条件和输出条件关联起来。
输入信号可以作为状态转移条件的一部分，输出信号可以根据当前状态和输入信号的组合生成。
3. 设计状态转移逻辑：根据状态转移条件和输出条件，设计状态转移逻辑电路。
可以使用逻辑门、触发器等基本逻辑元件来实现状态转移逻辑。
4. 设计输出逻辑：根据输出条件和状态转移逻辑，设计输出逻辑电路。
可以使用逻辑门、触发器等基本逻辑元件来实现输出
逻辑。
5. 组合逻辑设计：将状态转移逻辑和输出逻辑组合到一起，形成完整的组合逻辑电路。
根据系统的需求和规模，可以进行优化和简化。
状态机组合逻辑设计原理的核心思想是通过状态和状态转移条件对系统行为进行建模，并将其与逻辑电路的输入输出关联起来。
通过组合逻辑设计，可以实现系统的功能需求，并优化电路的复杂度和性能。