有限状态机教学PPT.ppt

有限状态机,众所周知，数字系统的基本结构由控制单元和数据处理单元两大部分组成。控制单元在统一的同步时钟控制下，严格地按照一定的时间关系输出控制信号；处理单元一步一 步地完成整个数字系统的操作。其中，控制单元我们常采用有限状态机（FSM）来实现,一、问题引入：停车场计数器,有一停车场，只有一个进出口，如图所示，有两个传感器A和B，可以测出车辆的进出状况，要求设计一个停车场计数器，能够对停车场内的车辆进行计数，使用两个LED数码管显示停车场中的车辆数。,分析：当有车出来时，首先A被挡住，接着A，B都被挡住，接着只有B被挡住，最后A、B都没被挡住。当有车进去时，首先B被挡住，接着A，B都被挡住，接着只有A被挡住，最后A、B都没被挡住。,停车场计数器模块图,A,B,RST,CLK,数码管,数码管,段码,段码,车进出判决模块,加减计数器,译码器,clk_en,Add/sub,车辆进入判决模块设计,A,B,1,1,STEP 1,车辆进入判决模块设计,A,B,1,0,STEP 2,车辆进入判决模块设计,A,B,0,0,STEP 3,车辆进入判决模块设计,A,B,0,1,STEP 4,车辆进入判决模块设计,A,B,1,1,STEP 5,车辆进出判决模块设计,设计这个模块的思想是：引入状态，代表上述的step1step5状态如何改变由输入决定模块的输出由状态来决定,step1,step4,step3,step2,step5,A=1B=0,A=0B=0,A=0B=1,A=1B=1,输出CLK和A/S,1.莫尔状态机模型,状态译码,状态寄存器,输出译码,clk,输入,现态,次态,输出,二.状态机模型,library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity system isport(clock:in std_logic;input:in std_logic;output:out std_logic);end system;architecture moore of system istype state is（st0，st1，st2，.）；signal next_state,current_state:state;beginF1:process(input,current_state)状态译码 beginnext_state=F1(input,current_state);end process;,莫尔状态机VHDL实现,F2:process(clock)状态寄存器 beginif rising_edge(clock)thencurrent_state=next_state;end if;end process;F3:process(current_state)输出译码 beginoutput=F3(current_state);end process;end moore;,莫尔状态机VHDL实现,状态机说明部分,用户自定义数据类型定义语句,TYPE语句用法如下：TYPE 数据类型名 IS 数据类型定义 OF 基本数据类型;或TYPE 数据类型名 IS 数据类型定义;,以下列出了两种不同的定义方式：TYPE st1 IS ARRAY(0 TO 15)OF STD_LOGIC;TYPE week IS(sun，mon，tue，wed，thu，fri，sat);,状态机说明部分,用户自定义数据类型定义语句,TYPE m_state IS(st0，st1，st2，st3，st4，st5);SIGNAL present_state，next_state:m_state;,布尔数据类型的定义语句是：TYPE BOOLEAN IS（FALSE，TRUE）；,TYPE my_logic IS(1，Z，U，0);SIGNAL s1:my_logic;s1=Z;,2米利状态机,状态译码,状态寄存器,输出译码,clk,输入,现态,次态,输出,library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity system isport(clock:in std_logic;input:in std_logic;output:out std_logic);end system;architecture mealy of system istype state is（st0，st1，st2，.）；signal next_state,current_state:state;beginF1:process(input,current_state)状态译码 beginnext_state=F1(input,current_state);end process;,米利状态机VHDL实现,Register:process(clock)状态寄存器 beginif rising_edge(clock)thencurrent_state=next_state;end if;end process;F2:process(input，current_state)输出译码 beginoutput=F2(input,current_state);end process;end mealy;,米利状态机VHDL实现,3onehot状态机,状态编码为独热码：只有一位是1，其他都是0。constant st0:std_logic_vector（2 downto 0）:=”001”;constant st1:std_logic_vector（2 downto 0）:=”010”;constant st2:std_logic_vector（2 downto 0）:=”100”;.signal current_state:std_logic_vector（2 downto 0）;signal next_state:std_logic_vector（2 downto 0）;缺点：需要的硬件资源多于二进制编码状态机优点：1.输出译码简单；2.速度快；3.不必考虑最优问题；4.易于修改。,4.使用VHDL实现有限状态机的一般步骤,1）选择合适的状态机模型：对于Moore状态机来说，输出将在时钟触发信号到来后的 几个门后得到，同时在剩余的时钟周期内不变，即使输入 信号在这段时间内发生变化，输出信号也不会发生变化。因此，我们可以说将输入和输出部分隔开了，起到了隔离 的作用。而对于Mealy状态机来说，则不然，当输入变化时，输出 在一个时钟周期内也会发生变化。因此，mealy状态机比 Moore状态机的“实时性”要好，但是，也会把输入的噪声 引入输出。有时候，Moore状态机比Mealy状态机需要更多的状态。2）根据要求画出状态关系转换图3）用VHDL语言来描述,有限状态机,假设要设计一个AD控制器,ADC0809控制器功能图,有限状态机,步骤0,步骤1,步骤4,步骤3,步骤2,地址锁存选择通道,启动转换,等待转换结束,转换结束数据输出,初态,步骤5,等待EOC变低电平,EOC,EOC,三.状态机的应用举例,1.ADC0809控制器,选择莫尔机来实现，状态转移图如下,st0,st1,st2,st3,st4,st5,ALE=0START=0OE=0,ALE=1START=0OE=0,ALE=0START=1OE=0,ALE=0START=0OE=0,EOC0,EOC1,EOC1,ALE=0START=0OE=0,ALE=0START=0OE=1,EOC0,LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY ADCINT ISPORT(D:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);-0809的8位转换数据输出 CLK,EOC:IN STD_LOGIC;-CLK是转换工作时钟 ALE,START,OE:OUT STD_LOGIC;ADDA:OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);Q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END ADCINT;ARCHITECTURE behav OF ADCINT ISTYPE states IS(st0,st1,st2,st3,st4,st5);-定义各状态子类型 SIGNAL current_state,next_state:states:=st0;BEGIN ADDA=“000”;PROCESS(CLK)-状态寄存器 BEGIN IF(CLKEVENT AND CLK=1)THEN current_state=next_state;-在时钟上升沿，转换至下一状态 END IF;END PROCESS;-由信号current_state将当前状态值带出此进程,PRO:PROCESS(current_state,EOC)状态译码 BEGIN CASE current_state IS WHEN st0=next_state next_state next_state IF(EOC=1)THEN next_state IF(EOC=0)THEN next_state next_state next_state=st0;END CASE;END PROCESS PRO;,VHDL实现,PRO:PROCESS(current_state)译码输出 BEGIN CASE current_state IS WHEN st0=ALE ALE ALE ALE ALE ALE ALE=0;START=0;OE=0;END CASE;END PROCESS PRO;,VHDL实现,PRO:PROCESS(current_state,EOC)状态译码译码输出 BEGIN CASE current_state IS WHEN st0=ALE ALE ALE ALE ALE ALE ALE=0;START=0;OE=0;next_state=st0;END CASE;END PROCESS PRO;,VHDL实现：把状态译码和译码输出写在一个进程里,2.“11”序列检测器,选择莫尔机来实现，状态转移图如下,A/0,B/0,C/1,dout=0,dout=0,dout=1,din=1,din=1,din=0,din=0,din=1,din=0,library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity system isport(clk:in std_logic;reset:in std_logic;din:in std_logic;dout:out std_logic);end system;architecture behave of system istype state is（A，B，C）；signal next_state,current_state:state;Begin process(clk,reset)-State registersBeginIf reset=1 then current_state=A;Elsif clkevent and clk=1 thencurrent_state=next_state;end if;end process;,“11”序列的VHDL描述,“11”序列的VHDL描述,F1:process(din,current_state)-Next state logicBeginCase current_state is WHEN A=IF din=1 then next_state IF din=1 then next_state IF din=1 then next_state NULL;end case;end process;,F2:process(current_state)-Output logicbeginIf current_state=C then dout=1;Elsedout=0;end if;end process;end behave;,“11”序列的VHDL描述,2.“11”序列检测器,选择米利机来实现，状态转移图如下,A,B,dout=0,dout=1,din=1,din=0,din=0,din=1,dout=0,dout=0,library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity system isport(clk:in std_logic;reset:in std_logic;din:in std_logic;dout:out std_logic);end system;architecture behave of system istype state is（A，B）；signal next_state,current_state:state;BeginRegister:process(clk,reset)-State registersBeginIf reset=1 then current_state=A;Elsif clkevent and clk=1 thencurrent_state=next_state;end if;end process;,VHDL实现,F1:process(din,current_state)-Next state logicBeginCase current_state isWHEN A=IF din=1 then next_state IF din=0 then next_state NULL;end case;end process;,F2:process(clk,din,current_state)-Output logicbeginif clkevent and clk=1 thenIf din=1 and current_state=B then dout=1;Elsedout=0;end if;end if;end process;end behave;,one-hot状态机实现,constant A:std_logic_vector（2 downto 0）:=”001”;constant B:std_logic_vector（2 downto 0）:=”010”;constant C:std_logic_vector（2 downto 0）:=”100”;signal current_state:std_logic_vector（2 downto 0）;signal next_state:std_logic_vector（2 downto 0）;,以上三种状态机的输出都是组合逻辑电路，所以会产生毛刺现象。解决毛刺有三种方法：1）改善电路结构，使得电路中信号延时一致。2）利用时钟将信号重新读取一遍。3）在电路中注入一信号将毛刺覆盖，但不影响正常的信号。这里采用第二种方法，在状态机的输出端加一个寄存器，使用系统时钟重新读一遍，就可以消除毛刺。,四.输出信号的同步,F2:process(clk，reset，current_state)-Output logicBeginIf reset=1 THENDout=0Elseif clkevent and clk=1 thenIf current_state=C then dout=1;Elsedout=0;end if;end if;end if;end process;,VHDL描述,五、状态编码,1 状态位直接输出型编码,控制信号状态编码表,每一位的编码值都赋予了实际的控制功能，即：START=current_state（4）；ALE=current_state（3）；OE=current_state（2）；LOCK=current_state（1）。,【例7-7】LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY AD0809 IS PORT(D:IN STD_LOGIC_VECTOR(11 DOWNTO 0);CLK,EOC:IN STD_LOGIC;ALE,START,OE,ADDA:OUT STD_LOGIC;c_state:OUT STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0);Q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END AD574A;ARCHITECTURE behav OF AD0809 ISSIGNAL current_state,next_state:STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0);CONSTANT st0:STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0):=“00000;CONSTANT st1:STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0):=“11000;CONSTANT st2:STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0):=00001;CONSTANT st3:STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0):=00100;CONSTANT st4:STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0):=00110;SIGNAL REGL:STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0);SIGNAL LOCK:STD_LOGIC;BEGIN ADDA=1;START=current_state（4）；ALE=current_state（3）；OE=current_state（2）;LOCK=current_state（1）;c_state=current_state;,2 顺序编码,表7-3 编码方式,【例7-8】.SIGNAL CRURRENT_STATE,NEXT_STATE:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);CONSTANT ST0:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0):=000;CONSTANT ST1:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0):=001;CONSTANT ST2:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0):=010;CONSTANT ST3:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0):=011;CONSTANT ST4:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0):=100;,3 状态机剩余状态处理,剩余状态,【例7-9】.TYPE states IS(st0,st1,st2,st3，st4，st_ilg1，st_ilg2，st_ilg3);SIGNAL current_state,next_state:states;.COM：PROCESS(current_state,state_Inputs)-组合逻辑进程BEGIN CASE current_state IS-确定当前状态的状态值.WHEN OTHERS=next_state=st0;END case;,使用独热码状态机对其描述：,library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity system isport(clock,reset,ena:in std_logic;q:out std_logic_vector(2 downto 0);end system;architecture moore of system istype state is（idle，first，second，.）；constant A:std_logic_vector（2 downto 0）:=”001”;constant B:std_logic_vector（2 downto 0）:=”010”;constant C:std_logic_vector（2 downto 0）:=”100”;signal current_state:std_logic_vector（2 downto 0）;signal next_state:std_logic_vector（2 downto 0）;,练习：,1.序列检测器(1110010)2.AD574采样控制器,CECS RC K12/8 A0工 作 状 态0XXXX禁止X1XXX禁止100X0启动12位转换100X1启动8位转换1011X12位并行输出有效10100高8位并行输出有效10101低4位加上尾随4个0有效,AD574逻辑控制真值表（X表示任意）,AD574工作时序,AD574状态转移图,采样状态机结构框图,