有限状态机的划分(第九节)
有限状态机(ASM)(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";
编译原理 有限状态机及化简
编译原理有限状态机及化简编译原理是计算机科学中的一门重要课程，它研究的是如何将高级语言程序转化为可执行的低级机器语言。
在编译原理中，有限状态机是一种重要的工具，它能够帮助我们理解和设计编程语言的词法结构。
而化简则是在设计有限状态机时的一项重要技巧，能够简化状态机的复杂度，提高编译器的效率。
有限状态机（Finite State Machine，FSM）是一种用于描述系统行为的数学模型。
在编译原理中，有限状态机被广泛应用于词法分析阶段，用于识别和解析程序中的各类词法单元。
有限状态机由一组状态和一组转移函数组成。
状态表示系统所处的某个特定状态，转移函数表示状态之间的转移条件和动作。
通过不断地进行状态转移，有限状态机可以识别和解析输入的程序。
在编译过程中，我们需要将源代码中的字符序列转化为一系列词法单元，如关键字、标识符、运算符等。
有限状态机可以帮助我们识别这些词法单元。
例如，我们可以设计一个有限状态机来识别整数常量。
该状态机的状态可以分为初始状态、扫描状态和接受状态。
初始状态表示状态机的起始状态，扫描状态表示状态机正在扫描数字字符，接受状态表示状态机已经扫描完整个整数常量。
通过定义合适的转移函数，我们可以使状态机按照预定的规则进行状态转移，最终得到正确的整数常量词法单元。
在设计有限状态机时，我们常常需要考虑状态的合并和化简。
化简是指将状态机中的一些状态合并为一个等价的状态，从而减少状态的数量。
通过化简可以使状态机更加简洁，提高编译器的效率。
化简的过程中，我们需要考虑状态之间的等价性。
两个状态是等价的，当且仅当它们在任何输入条件下都具有相同的转移行为。
通过判断状态的等价性，我们可以将等价的状态合并为一个新的状态，从而化简状态机。
化简状态机的过程可以使用等价类划分算法来实现。
该算法首先将状态划分为两个互不相交的等价类：接受状态和非接受状态。
然后，对每个等价类进行划分，直到无法再进行划分为止。
最终，我们可以得到一个化简后的状态机，其状态数量更少，但仍能正确识别和解析程序中的词法单元。
实验09状态机设计
实验九状态机设计一、实验目的1、体会状态机的概念。
2、学会改写TESTBENCH模板二、实验原理状态机是一个有一组不同状态的集合的系统。
有一个特殊状态――它描述了系统的初始状态。
而其他的一个或多个状态为终止状态；当一个事件将我们带到这样的一些状态时，状态机将退出。
状态是与转换相关联的，每个转换都标注有输入事件的名称。
当事件发生时，我们将随着相关的转换从当前状态移动到新的状态。
一个有限状态机包含一组状态集（states）、一个起始状态（start state）、一组输入符号集（alphabet）、一个映射输入符号和当前状态到下一状态的转换函数（transition function）的计算模型。
当输入符号串，模型随即进入起始状态。
它要改变到新的状态，依赖于转换函数。
三、实验代码--简单的状态机，有8个状态,数码管输出当前状态的编号-- state0--state1--state2--state3--state4--state5--state6-state7--state0library IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY state_machine ISPORT (clk : IN std_logic;rst : IN std_logic;c : OUT std_logic_vector(7 DOWNTO 0);en : OUT std_logic_vector(7 DOWNTO 0);M : out std_logic_vector(3 downto 0));END state_machine;ARCHITECTURE arch OF state_machine ISCONSTANT state0 : std_logic_vector(2 DOWNTO 0) := "000"; CONSTANT state1 : std_logic_vector(2 DOWNTO 0) := "001"; CONSTANT state2 : std_logic_vector(2 DOWNTO 0) := "010"; CONSTANT state3 : std_logic_vector(2 DOWNTO 0) := "011"; CONSTANT state4 : std_logic_vector(2 DOWNTO 0) := "100"; CONSTANT state5 : std_logic_vector(2 DOWNTO 0) := "101"; CONSTANT state6 : std_logic_vector(2 DOWNTO 0) := "110"; CONSTANT state7 : std_logic_vector(2 DOWNTO 0) := "111"; SIGNAL state : std_logic_vector(2 DOWNTO 0);SIGNAL cnt : std_logic_vector(23 DOWNTO 0);BEGINen <= "11111110" ;M<="0010";PROCESS(clk,rst)BEGINIF (NOT rst = '1') THENstate <= state0;cnt <= "000000000000000000000000";ELSIF(clk'EVENT AND clk='1')THENcnt <= cnt + "000000000000000000000001";IF (cnt = "111111111111111111111111") THENCASE state ISWHEN state0 =>state <= state1;WHEN state1 =>state <= state2;WHEN state2 =>state <= state3;WHEN state3 =>state <= state4;WHEN state4 =>state <= state5; WHEN state5 =>state <= state6; WHEN state6 =>state <= state7; WHEN state7 =>state <= state0; WHEN OTHERS => NULL;END CASE;END IF;END IF;END PROCESS;PROCESS(state)BEGINCASE state ISWHEN state0 =>c <= "00111111"; WHEN state1 =>c <= "00000110"; WHEN state2 =>c <= "01011011"; WHEN state3 =>c <= "01001111"; WHEN state4 =>c <= "01100110"; WHEN state5 =>c <= "01101101"; WHEN state6 =>c <= "01111101";WHEN state7 =>c <= "00000111";WHEN OTHERS =>NULL;END CASE;END PROCESS;END arch;四、引脚锁定set_location_assignment PIN_M1 -to rst set_location_assignment PIN_E1 -to clk set_location_assignment PIN_B3 -to c[0] set_location_assignment PIN_A4 -to c[1] set_location_assignment PIN_B4 -to c[2] set_location_assignment PIN_A5 -to c[3] set_location_assignment PIN_A14 -to c[4] set_location_assignment PIN_B14 -to c[5] set_location_assignment PIN_B11 -to c[6] set_location_assignment PIN_B10 -to c[7] set_location_assignment PIN_P14 -to en[0] set_location_assignment PIN_R14 -to en[1] set_location_assignment PIN_N14 -to en[2] set_location_assignment PIN_K16 -to en[3] set_location_assignment PIN_K15 -to en[4] set_location_assignment PIN_L16 -to en[5] set_location_assignment PIN_L15 -to en[6] set_location_assignment PIN_N16 -to en[7] set_location_assignment PIN_P9 -to M[0] set_location_assignment PIN_F9 -to M[1] set_location_assignment PIN_T7 -to M[2] set_location_assignment PIN_T6 -to M[3]五、TESTBENCH模板的自动生成与改写（一）TESTBENCH模板的自动生成-- Copyright (C) 1991-2010 Altera Corporation-- Your use of Altera Corporation's design tools, logic functions -- and other software and tools, and its AMPP partner logic-- functions, and any output files from any of the foregoing-- (including device programming or simulation files), and any -- associated documentation or information are expressly subject-- to the terms and conditions of the Altera Program License-- Subscription Agreement, Altera MegaCore Function License-- Agreement, or other applicable license agreement, including,-- without limitation, that your use is for the sole purpose of-- programming logic devices manufactured by Altera and sold by-- Altera or its authorized distributors. Please refer to the-- applicable agreement for further details.********************************************************************* -- This file contains a Vhdl test bench template that is freely editable to-- suit user's needs .Comments are provided in each section to help the user-- fill out necessary details.********************************************************************* -- Generated on "09/29/2013 09:03:11"-- Vhdl Test Bench template for design : state_machine-- Simulation tool : ModelSim-Altera (VHDL)LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.all;ENTITY state_machine_vhd_tst ISEND state_machine_vhd_tst;ARCHITECTURE state_machine_arch OF state_machine_vhd_tst IS-- constants-- signalsSIGNAL c : STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);SIGNAL clk : STD_LOGIC;SIGNAL en : STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);SIGNAL M : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL rst : STD_LOGIC;COMPONENT state_machinePORT (c : OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);clk : IN STD_LOGIC;en : OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);M : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);rst : IN STD_LOGIC);END COMPONENT;BEGINi1 : state_machinePORT MAP (-- list connections between master ports and signalsc => c,clk => clk,en => en,M => M,rst => rst);init : PROCESS-- variable declarationsBEGIN-- code that executes only once WAIT;END PROCESS init;always : PROCESS-- optional sensitivity list-- ( )-- variable declarationsBEGIN-- code executes for every event on sensitivity list WAIT;END PROCESS always;END state_machine_arch;（2）TESTBENCH模板的改写改写以下部分：init : PROCESS-- variable declarationsBEGIN-- code that executes only onceWAIT;END PROCESS init;always : PROCESS-- optional sensitivity list-- ( )-- variable declarationsBEGIN-- code executes for every event on sensitivity listWAIT;END PROCESS always;END state_machine_arch;五、实验连线本实验设计了一个简单的状态机，有8个状态，用数码管输出当前状态的编号。
程序设计之有限状态机
程序设计之有限状态机程序设计之有限状态机状态机？以前听说过，忘了是老师说的，还是老大说得了。
当时的认识也就是字面的意思，无非是和状态以及状态转换有关系。
也许在写过或者读过的一些代码中有遇到过有限状态机的程序，但是当时是一定没有想到这就是状态机吧。
最近在学习一些东西的时候竟然多次遇到，觉得还是有必要写点关于程序设计中有限状态机的东西。
，这里是一篇对状态机从定义到实现都有很好解释的文章，摘录部分如下：*************************************************************** ************************依据状态之间是否有包含关系，分以下两种（1）常规状态机。
状态机中的所有状态是不相交的、互斥的。
（2）层次状态机。
状态机中的状态之间要么是互斥的，要么是真包含的，可以用树性结构来描述这些状态集，包含其它状态的状态称为枝节点，不包含其它状态的状态称为叶节点，为方便单树描述，总是设计一个状态包含所有的状态节点，称为根节点。
状态机的状态只能停留在叶节点，而不能停留在枝节点，每个枝节点需要指定一个子节点为它的默认子节点，以便状态机进入枝节点的时候能够停留到叶节点。
一般都用switch/case if/else方式实现。
在少量状态（3个及其以下）的时候，不需要引入专门的状态机模块。
常规状态机模块实现涉及到的结构由上而下为：顶层结构是状态机：当前状态id，缺省操作，状态表，状态表：状态数组状态结构：状态id，状态名，进入操作，退出操作，缺省操作，状态事件表（数组）状态事件结构：操作，事件，下一状态的id*************************************************************** ************************从代码易读及美观角度来说，建议用switch/case来实现。
从经验来看，在一些稍大的程序设计中一般都会有状态机的实现，特别是在分层实现，协议栈实现，编解码方面。
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。
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
第7章 有限状态机设计
7.2 一般状态机的设计 一、 状态机建立的一般步骤
利用VHDL来设计状态机的一般步骤如下： 来设计状态机的一般步骤如下： 利用 来设计状态机的一般步骤如下 (1) 利用自定义枚举类型定义状态空间： 利用自定义枚举类型定义状态空间： TYPE state_space IS (idle,decision,read,write); SIGNAL Current_State,next_state: state_space; 状态名最好具有明显的解释性意义
process(clk) --主控时序进程 主控时序进程 begin if clk'event and clk='1' then current_state<=next_state; end if; end process; process(lock) --输出进程 输出进程 begin if lock'event and lock='1' then reg8b<=d; end if; end process; q<=reg8b; end behav;
ready Read_write
Oe（读信号） （读信号）
存储器控 制器
We（写信号） （写信号）
存储控制器状态转移图和真值表分别如下： 存储控制器状态转移图和真值表分别如下：
idle ready 空闲（ 空闲（idle） ） ready decision ready write_read 判断 （decision） ） 写（write） ） read 读（read） ） 0 0 1 0 1 0 /ready 输出 状态 Oe（读） （ 0 We（写） （ 0
(3) 建立状态机主控时序进程
状态机是同步时序电路， 状态机是同步时序电路，必须包含一个对工作时钟信号敏 感的进程，作为状态机的“驱动泵” 感的进程，作为状态机的“驱动泵”。当时钟发生有效跳 变时，状态机的状态才发生变化。 变时，状态机的状态才发生变化。状态机的主控时序进程 主要负责将主控时序进程得到的下一个状态锁存到状态寄 存器中。如： 存器中。
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。
一般有限状态机的组成
一般有限状态机的组成
一般有限状态机由以下几个组成部分组成：
1. 状态(State)：有限状态机包含一个状态集合，每个状态代表
系统的一个特定状态或条件。
2. 输入(Input)：有限状态机接受一系列输入信号，这些输入信
号触发状态转换。
3. 输出(Output)：有限状态机根据当前状态和输入，可能会产
生输出信号。
4. 状态转换规则(Transition rule)：有限状态机定义了状态之间
的转换规则，这些规则指定了在给定输入条件下如何从一个状态转换到另一个状态。
5. 初始状态(Initial state)：有限状态机在开始时处于初始状态。
6. 终止状态(Terminal state)：有限状态机可能有一个或多个终
止状态，在达到终止状态时，有限状态机停止运行。
7. 常见的有限状态机还可以包含以下特殊类型的状态：超限状态、没有默认转换状态、自环状态等。
这些组成部分共同定义了有限状态机的行为，它们用于描述系统的状态变化及相应的动作。
有限状态机原理
有限状态机原理
有限状态机原理是一种计算模型，它包含一组有限个状态及其之间的转移规则。
它可以被用来描述不同对象或者系统在不同状态下的行为和变化。
有限状态机由三个主要部分组成：状态集合、转移规则和起始状态。
状态集合是有限的，每个状态代表系统的一个特定状态。
转移规则定义了状态之间的转移条件，根据当前的输入确定下一个状态。
起始状态是系统的初始状态，从这个状态开始执行转移规则。
有限状态机可以描述不同的行为和变化情况，通过根据输入选择对应的转移规则来改变状态。
在执行过程中，有限状态机会根据输入和当前状态确定下一个状态，并在转移后更新当前状态。
有限状态机可以根据实际需求进行设计和实现，可以是确定性的（每个输入对应唯一的转移规则）或者非确定性的（一个输入可以对应多个转移规则）。
有限状态机广泛应用于各个领域，例如计算机科学、计算机网络、自动化控制等。
它可以用于设计和实现各种系统和算法，如编译器、路由器、电梯控制和游戏引擎等。
总之，有限状态机原理是一种描述对象或系统不同状态和行为变化的模型，通过状态集合、转移规则和起始状态来描述系统的行为。
它在计算机科学和其他领域有着广泛的应用。