第八章-狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

第五章有限狀態(tài)機(jī)的VHDL設(shè)計(jì)主要內(nèi)容有限狀態(tài)機(jī)的基本概念一般有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)摩爾狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)米立狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)無(wú)限狀態(tài)機(jī)用于混沌系統(tǒng)非線性系統(tǒng)本書(shū)不要求8.1有限狀態(tài)機(jī)的基本概念8.1.1有限狀態(tài)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和功能

有限狀態(tài)機(jī)（FiniteStateMachine，簡(jiǎn)稱(chēng)FSM）是數(shù)字邏輯電路以及數(shù)字系統(tǒng)的重要組成部分，尤其應(yīng)用于數(shù)字系統(tǒng)核心部件的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)高效率高可靠性的邏輯控制。有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)了以下兩個(gè)基本功能：根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和輸入條件決定狀態(tài)機(jī)的內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)換。根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和輸入條件確定產(chǎn)生輸出信號(hào)序列。8.1有限狀態(tài)機(jī)的基本概念（續(xù)）8.1.2狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)編碼有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)是基于狀態(tài)描述的，因此首先必須對(duì)系統(tǒng)中的每一個(gè)工作狀態(tài)有一個(gè)合理的表達(dá)。對(duì)于設(shè)計(jì)者而言，為了表達(dá)簡(jiǎn)捷方便通常使用符號(hào)化狀態(tài)機(jī)。二進(jìn)制編碼方案：是用N位二進(jìn)制數(shù)，表示M個(gè)工作狀態(tài)，當(dāng)然必須滿(mǎn)足2N大于等于M。一位熱碼編碼方案（獨(dú)熱碼編碼）：用N位二進(jìn)制數(shù)表示N個(gè)狀態(tài)，每一位編碼對(duì)應(yīng)一個(gè)觸發(fā)器，狀態(tài)機(jī)中的每個(gè)狀態(tài)都由其中一個(gè)觸發(fā)器的狀態(tài)來(lái)表示。例：二進(jìn)制101（5）轉(zhuǎn)換為獨(dú)熱碼為11111（5個(gè)）1101111118.1.3有限狀態(tài)機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)方案相對(duì)固定，結(jié)構(gòu)模式簡(jiǎn)單，可定義符號(hào)化枚舉類(lèi)型的狀態(tài)。狀態(tài)機(jī)的VHDL描述層次分明，結(jié)構(gòu)清晰，易讀易懂?；谟邢逘顟B(tài)機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)的控制器其工作速度大大優(yōu)于CPU。基于有限狀態(tài)機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)的控制器其可靠性也優(yōu)于CPU。二進(jìn)制：速度慢，位數(shù)少，節(jié)省資源獨(dú)熱碼：快多浪費(fèi)CASE語(yǔ)句：并行處理，程序最穩(wěn)定，能用則用=：賦值=》：8.2一般有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)8.2.1一般有限狀態(tài)機(jī)的VHDL組成

說(shuō)明部分：主要是設(shè)計(jì)者使用TYPE語(yǔ)句定義新的數(shù)據(jù)類(lèi)型，如：

TYPEstatesIS(st0,st1,st2,st3,st4,st5);

SIGNALpresent_state,next_state:states;主控時(shí)序邏輯部分：任務(wù)是負(fù)責(zé)狀態(tài)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和在外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)換的進(jìn)程。時(shí)序進(jìn)程的實(shí)質(zhì)是一組觸發(fā)器，因此，該進(jìn)程中往往也包括一些清零或置位的輸入控制信號(hào)，如Reset信號(hào)。主控組合邏輯部分：任務(wù)是根據(jù)狀態(tài)機(jī)外部輸入的狀態(tài)控制信號(hào)（包括來(lái)自外部的和狀態(tài)機(jī)內(nèi)部的非進(jìn)程的信號(hào)）和當(dāng)前的狀態(tài)值current_state來(lái)確定下一狀態(tài)next_state的取值內(nèi)容，以及對(duì)外部或?qū)?nèi)部其他進(jìn)程輸出控制信號(hào)的內(nèi)容。輔助邏輯部分：輔助邏輯部分主要是用于配合狀態(tài)機(jī)的主控組合邏輯和主控時(shí)序邏輯進(jìn)行工作，以完善和提高系統(tǒng)的性能。8.2.2一般有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)示例LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

ENTITYtwo_process_state_machineIS（tpsmIS）

PORT(clk,reset:INSTD_LOGIC; state_inputs:INSTD_LOGIC; comb_outputs:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(0TO1));ENDENTITYtwo_process_state_machine;

ARCHITECTURE

behv

OFtwo_process_state_machineIS

TYPEstatesIS(st0,st1,st2,st3);--定義states為枚舉型數(shù)據(jù)類(lèi)型，構(gòu)造符號(hào)化狀態(tài)機(jī) SIGNALcurrent_state,next_state:states;BEGINREG:PROCESS(reset,clk)--時(shí)序邏輯進(jìn)程

BEGIN

IFreset='1'THEN--異步復(fù)位

current_state<=st0;

ELSIF

clk='1'AND

clk'EVENT

THEN--出現(xiàn)時(shí)鐘上升沿時(shí)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換

current_state<=next_state;

ENDIF;

ENDPROCESS;例8.1二進(jìn)程一般狀態(tài)機(jī)的描述。8.2.2一般有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)示例（續(xù)1）COM:PROCESS(current_state,state_inputs)--組合邏輯進(jìn)程 BEGIN

CASEcurrent_stateIS

WHENst0=>comb_outputs<="00";--系統(tǒng)輸出及其初始化

IFstate_inputs='0'THEN--根據(jù)外部輸入條件決定狀態(tài)轉(zhuǎn)換方向

next_state<=st0;

ELSEnext_state<=st1;

ENDIF;

WHENst1=>comb_outputs<="01";

IFstate_inputs=‘0’THEN

next_state<=st1;

ELSEnext_state<=st2;

ENDIF;

WHENst2=>comb_outputs<="10";

IFstate_inputs=‘0’THEN

next_state<=st2;

ELSEnext_state<=st3;

ENDIF;

WHENst3=>comb_outputs<="11";

IFstate_inputs=‘0’THEN

next_state<=st3;

ELSEnext_state<=st0;

ENDIF;

ENDCASE; ENDPROCESS;ENDARCHITECTURE

behv;例8.1二進(jìn)程一般狀態(tài)機(jī)的描述。8.2.2一般有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)示例（續(xù)2）例8.1二進(jìn)程一般狀態(tài)機(jī)的描述。例8.1的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖例8.1的時(shí)序仿真圖例8.1的RTL圖8.3摩爾狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

ENTITYfour_state_moore_state_machineIS PORT(

Clk:INSTD_LOGIC; Input:INSTD_LOGIC; reset :INSTD_LOGIC; output:OUT STD_LOGIC_VECTOR(1DOWNTO0) );ENDENTITY;

ARCHITECTURErtlOFfour_state_moore_state_machineIS --定義枚舉類(lèi)型的狀態(tài)機(jī)

TYPEstate_typeIS(s0,s1,s2,s3); --定義一個(gè)信號(hào)保存當(dāng)前工作狀態(tài)

SIGNALstate:state_type;

從狀態(tài)機(jī)的信號(hào)輸出方式上看，可以將狀態(tài)機(jī)分為摩爾型（Moore）和米立型（Mealy）狀態(tài)機(jī)。摩爾型有限狀態(tài)機(jī)輸出只與當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，而與輸入信號(hào)的當(dāng)前值無(wú)關(guān)，是嚴(yán)格的現(xiàn)態(tài)函數(shù)。例8.2四狀態(tài)摩爾型有限狀態(tài)機(jī)的描述。8.3摩爾狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)（續(xù)1）BEGIN

PROCESS(clk,reset)

--狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)序進(jìn)程

BEGIN

IFreset='1'THEN state<=s0;

ELSIF(clk'EVENTandclk='1')THEN

CASEstateIS

WHENs0=> IFinput='1'THEN state<=s1;

ELSE state<=s0;

ENDIF;

WHENs1=> IFinput='1'THEN state<=s2;

ELSE state<=s1;

ENDIF;

WHENs2=> IFinput='1'THEN state<=s3;

ELSE state<=s2;

ENDIF;

WHENs3=> IFinput='1'THEN state<=s0;

ELSE state<=s3;

ENDIF;

ENDCASE;

ENDIF;

ENDPROCESS;

PROCESS(state)

--輸出由當(dāng)前狀態(tài)唯一決定的組合邏輯進(jìn)程

BEGIN

CASEstateIS

WHENs0=> output<="00";

WHENs1=> output<="01";

WHENs2=> output<="10";

WHENs3=> output<="11";

ENDCASE;

ENDPROCESS;END

rtl;例8.2四狀態(tài)摩爾型有限狀態(tài)機(jī)的描述。8.3摩爾狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)（續(xù)2）例8.2四狀態(tài)摩爾型有限狀態(tài)機(jī)的描述。例8.2的時(shí)序仿真圖8.4米立狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

ENTITYfour_state_mealy_state_machineIS

PORT (

clk :INSTD_LOGIC; input :INSTD_LOGIC; reset :INSTD_LOGIC; output :OUTSTD_LOGIC_VECTOR(1DOWNTO0) );ENDENTITY;

ARCHITECTURE

rtl

OFfour_state_mealy_state_machineIS --定義枚舉類(lèi)型的狀態(tài)機(jī)

TYPEstate_typeIS(s0,s1,s2,s3); --定義一個(gè)信號(hào)保存當(dāng)前工作狀態(tài)

SIGNALstate:state_type;

米立狀態(tài)機(jī)的輸出是現(xiàn)態(tài)和所有輸入的函數(shù)，輸出隨輸入變化而隨時(shí)發(fā)生變化。因此，從時(shí)序的角度上看，米立狀態(tài)機(jī)屬于異步輸出的狀態(tài)機(jī)，輸出不依賴(lài)于系統(tǒng)時(shí)鐘，也不存在摩爾狀態(tài)機(jī)中輸出滯后一個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)反映輸入變化的問(wèn)題。例8.3四狀態(tài)米立狀態(tài)機(jī)的描述。8.4米立狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)（續(xù)1）BEGINREG：PROCESS(clk,reset)

BEGIN

IFreset=‘1’THEN

state<=s0;--高電平有效的系統(tǒng)異步復(fù)位

ELSIF(rising_edge(clk))THEN

CASEstateIS

--依據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和輸入信號(hào)同步?jīng)Q定下一個(gè)狀態(tài)

WHENs0=> IFinput='0'THEN state<=s0;

ELSE state<=s1;

ENDIF;

WHENs1=> IFinput='0'THEN state<=s1;

ELSE state<=s2;

ENDIF;

WHENs2=> IFinput='0'THEN state<=s2;

ELSE state<=s3;

ENDIF;

WHENs3=> IFinput='0'THEN state<=s3;

ELSE state<=s0;

ENDIF;

ENDCASE;

ENDIF;

ENDPROCESS;例8.3四狀態(tài)米立狀態(tài)機(jī)的描述。8.4米立狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)（續(xù)2）COM：PROCESS(state,input)

--依據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和輸入信號(hào)決定輸出信號(hào)，與時(shí)鐘無(wú)關(guān)

BEGIN

CASEstateIS

WHENs0=> IFinput='0'THEN output<="00";

ELSE output<="01";

ENDIF;

WHENs1=> IFinput='0'THEN