第八讲 有限状态机设计.ppt

1 状态机就是在有效状态内，在时钟的驱动下，通过给定初始状态，能够自动完成状态间的循环和相应状态的输出的时序逻辑电路。 状态机分为状态译码部分：根据输入以及系统当前的状态，由状态方程来决定下一状态的状态码。状态输出部分：根据当前的状态码决定电路的当前输出。状态转换部分：将下一状态转变为当前状态。 用状态机设计一个交通灯控制器，设计要求：A路和B路，每路都有红、黄、绿三种灯，持续时间为：红灯45 s，黄灯5 s，绿灯40 s。A路和B路灯的状态转换是： （1）A红，B绿（持续时间40 s）； （2）A红，B黄（持续时间5 s）； （3）A绿，B红（持续时间40 s）； （4）A黄，B红（持续时间5 s）。 推荐三进程方式 状态机的描述风格 状态机的描述风格 三种描述方式比较 格式化，规范 格式化，规范 低，任意度大 代码风格的规范性 最好 高 低 代码的可靠性与可维护度 利于 利于 不利于 是否利于综合与布局布线 无组合逻辑输出 多数情况有组合逻辑输出 可以无组合逻辑输出 是否有组合逻辑输出 利于 利于 不利于 是否利于时序约束 3 2 1 进程个数 简洁 最简洁 冗长 代码简洁程度 最优推荐 推荐 不推荐 推荐等级 三进程方式 双进程方式 单进程方式 状态机的描述风格 1 Mealy状态机与Moore状态机的区别体现在输出是否与输入信号有关 2 状态机的设计步骤是：逻辑抽象、状态化简、状态分配、VHDL描述 3 状态机的描述方式有：单进程、双进程和三进程，推荐用双或三进程 总结 其实对于逻辑电路而言，小到一个简单的时序逻辑，大到复杂的微处理器，都适合用状态机方法进行描述。因此，不要仅仅局限于时序逻辑，发现电路的内在规律，确认电路的“状态变量”，大胆使用状态机描述电路模型。 状态机不仅仅是一种电路描述工具，它更是一种思想方法，而且状态机HDL语言表达方式比较规范，有章可循，用状态机思想进行逻辑设计，对各种复杂设计套用状态机的设计理念，从而提高设计的效率和稳定性。 总结 作业 四院计算系统教研室 VHDL程序设计 有限状态机设计 有限状态机设计 1 有限状态机的分类 2 状态机设计的步骤 3 状态机的描述风格 状态机设计总结 4 十字路口的红绿灯 可以自动指挥交通 处理器能够自动执行人们输 入的指令，完成相应的操作 有限状态机设计 这是为什么呢？ 交通灯控制器 处理器控制单元 状 态 机 什么是状态机？ 有限状态机设计 什么是状态机？ 有限状态机 状态输出 根据当前状态确定系统的输出 状态转换 将状态译码的结果，即下一状态转换为当前状态 状态译码 根据当前状态和当前输入，确定状态机的下一状态码 有限状态机设计 状态机如何工作？ 这种工作模式有何优势？ VHDL综合器易于优化 易构成性能良好的时序逻辑模块 结构模式简单、层次分明、易读易懂、易排错 利用同步时序和全局时钟线可实现高速FSM 运行模式类似于CPU，易于进行顺序控制 高可靠性，非法状态易控制 状态机有何优势？ 有限状态机设计 有限状态机的分类 状态译码 产生输出信号 状态机 存储状态 组合逻辑 寄存器逻辑 按照输出是否与输入信号有关可分为： Moore状态机 1 Mealy状态机 2 有限状态机的分类 Moore状态机：时序逻辑的输出只取决于当前状态 Moore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) 下一状态的逻辑函数F 输出逻辑函数G 状态寄存器 clk输入 输入 激励信号 输出 时钟信号clk 当前状态 状态转移规律 状态转移 输出 有限状态机的分类 Mealy状态机 Mealy状态机：时序逻辑的输出不仅取决于当前状态，还取决于输入。 下一状态的逻辑函数F 输出逻辑函数G 状态寄存器 clk输入 输入 激励信号 输出 时钟信号clk 当前状态 状态转移规律 状态转移 输出 Moore状态机 0101序列监测器 有限状态机的分类 Mealy状态机 0101序列监测器 有限状态机的分类 有限状态机的分类 0101序列监测器 状态机是如何设计的？ 状态机设计的步骤 对问题进行逻辑抽象，获得状态转换图（或状态转移表） 相同输入下转换到同一状态且得到一样输出的两个状态可合并 又称状态编码，有二进制编码、独热码和格雷码等 用VHDL 硬件描述语言描述有限状态机 逻辑抽象 状态化简 状态分配 编程实现 【例】设计一个串行数据(输入方向为：从左至右) 检测器，在连续输入4个或4个以上的1时输出1，否则输出0。 ①逻辑抽象 输入──X(串行数据) Sn──电路现态 输出──Z(检测结果) Sn+1──电路次态 定义：S0──没有输入1; 0 S1──输入1