第14章 状态机设计(state machine design)

第14章 状态机设计（State Machine Design）讲到VHDL设计而不讲state machine，感觉上就是不太完整，我们先来看看什么是state machine，它应该是一种流程控制的设计，在有限的状态中，根据判别信号的逻辑值决定后面要进入哪一个状态，这样的讲法似乎有些抽象，我们先来看看下面的状态图。

图14-1所显示的是一个十字路口的红绿灯控制设计，在一开始时信号Reset 会被设为逻辑’0’，此时state machine会在Reset状态，一直等到信号Reset变成逻辑’1’时，state machine才会进入真正的控制状态。

在之后的三个状态中，我们各定义了一个counter，当进入Red或是之后的Green及Yellow状态时，相对的counter值即会开始递减。

当counter值递减到0时，state machine即会改变到下一个状态。

当然state machine的执行就是依照这种方式进行，但是其中仍有许多的细节是设计者所要注意的，在接下来的章节中，我们会依据实际的例子来介绍state machine的设计方式。

14-1State Machine的建立在这一节我们所举的例子是一个类似检查密码的设计，在一般办公室的门口都会有门禁管制，进门前须先输入一组四个数字的密码，当密码确认无误后门才会打开，除此之外还有更改密码的功用。

我们先来看看其状态图。

在图14-2中一共有四个状态，一开始会维持在idle状态，当要更改或是第一次输入密码时，需要按下一个特殊的“密码更改”按键，此时InpinN信号会变成逻辑’0’的状态，状态机即会进入LoadPin的状态，接着再输入四个数字的密码，密码输入完毕按下“输入”按键，状态机即回到原先的idle状态。

在另一方面，当处于平时状态，有人进入门口要输入密码前，他也必需要按下另一个特殊键“密码输入”，表示之后输入的数字是待验证的密码，此时InData 信号会变成逻辑’0’，于是状态机进入InPin的状态。

在输入四个数字之后，一个内部计数器会计数到3，这时状态机会进入CheckPin的状态。

在CheckPin的状态下会将输入值与密码做一比较，当数值相符时会在按下“输入”按键后，信号nMatch会产生一短暂的逻辑’0’，这就能让门锁打开，若数值不符时，则信号nMatch会一直维持在逻辑’1’的状态。

14-1-1程序代码的撰写接着我们来看看设计的声明，首先是使用到的1ibrary和packages的声明。

library ieee；use ieee.std_logic_1164.all；use ieee.std_logic_arith.all；use ieee.std_logic_unsigned.all；前两行的声明我想已经不用多做解释了。

第三行声明的原因是在后面我们会使用到std_logic_arith package中的一个function----CONV_INTEGER，第四行声明的原因是后面要做输入pin数目的计算，而这种计算只会是正值，所以要声明使用ieee.std_logic_unsigned package。

在1ibrary的声明之后，接下来的是设计接口的声明，我们来看看这个设计的entity声明。

entity PinCheck isport(InD ： in std_logic_vector(3 downto 0)；InPinN ： in std_logic；InData ： in std_logic；nMatch ： out std_logic；DEnter ： in std_logic；Reset ： in std_logic；Clk ： in std_logic)；end PinCheck；在接口的信号中，InD是一4-bit的信号，为输入密码和待测密码所使用，信号InPinN平时是在逻辑’1’的状态，当要更改设计内部的密码时，会先按下“密码更改”的按键，信号InPinN就会产生一逻辑’0’的脉冲，除了产生信号InPinN 外，在按下每一个按键时都会产生一个更短的clk脉冲，提供系统参考。

若是要输入待测的密码，必须先按下“密码输入”按键，此时信号InData会产生逻辑’0’的脉冲，不论是更改密码还是输入密码，在输入四个数值后都要按下“输入”按键，此时信号DEnter会产生逻辑’0’的脉冲，信号Reset是用来重置这个设计内部大部分的计数器，但原先已输入的密码并不会被重置，惟一的输出信号nMatch 会在输入待测密码与原先存储在内部的密码相符时，产生一逻辑’0’的脉冲。

接下来所要看的是architecture声明部分所声明的信号，在此我们先声明了两个数据类型：type MState is ( idle, LoadPin, InPin, CheckPin );type PinArray is array (0 to 3 ) of std_logic_vector ( InD’range );其中MState是以枚举方式将状态机的四种状态都列出来，而PinArray是一个向量型数据类型，可以用来存储一个4组4-bit宽的数值，使用到这两种数据类型的信号有下面三个:signal PinDigit ： PinArray；signal InputDigit ： PinArray；signal PresentState ： MState；其中PinDigit是用来存储修改密码时输入的数值的，而InputDigit则是用来存储待测试的密码，至于PresentState则是用来存储状态机目前的状态值，除了这三个信号使用到自行定义的数据类型外，还有三个使用标准数据类型的信号，分别是：signal PinCnt ： integer range 0 to 4；signal InputCnt ： integer range 0 to 4；signal nMatchi ： std_logic；信号PinCnt及InputCnt所计数的是在修改密码及输入待测密码时，输入数字的数目，信号nMatchi是在输入待测密码时，若是待测密码与实际密码相符，此信号会变成逻辑’0’，否则会一直维持在逻辑’1’。

当内部信号声明完毕后，接下来就是我们的设计内容了，首先要看的是状态机的控制，读者可在分析程序的同时参考图14-2。

process (Reset,Clk)beginif Reset = ‘0’ thenPresentState <= idle;elsif Clk = ‘1’ and Clk’event thenCase PresentState iswhen idle =>if InPinN = ‘0’ thenPresentState <= LoadPin;elsif InData = ‘0’ thenPresentState <= InPin;end if;when LoadPin =>if DEnter = ‘0’ thenPresentState <= idle;end if;when InPin =>if InputCnt = 3 thenPresentState <= CheckPin;end if;when CheckPin =>if DEnter = ‘0’ thenPresentState <= idle;end if;when others =>PresentState <= idle;end case;end if;end process;在上面的程序中，所有的流程受两个信号控制，分别是Reset及Clk。

其中Reset信号有较高的优先权，只要当其active(逻辑’0’)之后，状态机会立刻回到idle状态，所以这是一个异步Reset的设计，当Reset信号为逻辑’1’时，状态机便会等待C1k信号的上升沿出现，我们前面曾经谈过，当每次按下一个按键时会产生两种信号。

第一种是Clk信号，其会在按下任何一个按键时，出现的一个逻辑’0’的脉冲，但其脉冲宽度会比较短。

另一个信号则是按键上所标示的功能，比如说是“密码更改”或是输入的数值，其脉冲宽度会较C1k信号的脉冲宽度来得宽，如此才能使得C1k信号上升沿所读到的一定是正确的逻辑值。

当要更改密码时，必须先要按下“输入密码”的按键，此时除了产生C1k信号的逻辑’0’脉冲外，还会产生一InPinN的信号，当状态机在Idle状态时检测到此信号，便会进入LoadPin状态。

在LoadPin状态时，要等到输入一组四个数字的密码，并且按下“输入”按键后才会再回到Idle状态。

当要输入待测的密码时，要先按下“输入密码”的按键，此时信号InData会产生一逻辑’0’的脉冲。

当状态机检测到这个信号时，会由Idle状态进入InPin状态，在这个状态下，一个内部计数器开始激活，在每次输入数值时计数器会加l，当输入4个数值后，也就是在Clk信号的上升沿检测到计数器的值为3时，状态机便会进入CheckPin状态，在checkPin状态下，状态机会等待“输入”按键被按下，按下后状态机会再回到Idle状态。

接下来我们看看两个计数器的工作方式。

process (Reset,PresentState,Clk)beginif Reset = ‘0’ or PresentState = idle thenPinCnt <= 0;InputCnt <= 0;Elsif Clk = ‘1’ and Clk’event thenif (PresentState = LoadPin and PinCnt < 4) thenPinCnt <= PinCnt+1;PinDigit(CONV_INTEGER(PinCnt)) <= InD;end if;if (PresentState = InPin and InputCnt < 4) thenInputCnt <= InputCnt+1;InputDigit(CONV_INTEGER(InputCnt) <= InD;end if;end if;end process;在Reset信号为逻辑’0’或是PresentState为Idle时，内部计数器PinCnt及InputCnt的值都会被设为0，否则在Clk信号的上升沿时，就会检测PresentState 的状态值，在上面的if语句中，若状态为LoadPin，且PinCnt的值小于4时，表示输入密码的数字还没有达到4个。

此时只要输入一个数字，PinCnt的数值便会加1，并会把输入的数字存到PinDigit数组中，由于成立的条件是计数器PinCnt的值小于4，因此当输入4个数字后,计数器PinCnt的值就已经加到4了，此时即使是再输入其他数字也不会存入PinDigit的内部缓存器中。