第10章VHDL有限状态机设计2015

current_state
clk reset state_inputs
图10-1 一般状态机结构框图工作示意图
10.1.2 一般有限状态机的设计 3. 主控组合进程 主控组合进程的任务是根据外部输入的控制信号（包括来 自状态机外部的信号和来自状态机内部其它非主控的组合或时 序进程的信号），或（和）当前状态的状态值确定下一状态 （next_state）的取向，即next_state的取值内容，以及确定 对外输出或对内部其它组合或时序进程输出控制信号的内容。
WHEN st1=>ALE<='1';START<='1';LOCK<='0';OE<='0'; next_state <= st2; --启动采样 WHEN st2=> ALE<='0';START<='0';LOCK<='0';OE<='0'; IF (EOC='1') THEN next_state <= st3; --EOC=1表明转换结束 ELSE next_state <= st2; END IF ; --转换未结束，继续等待 WHEN st3=> ALE<='0';START<='0';LOCK<='0';OE<='1'; next_state <= st4;--开启OE,输出转换好的数据 WHEN st4=> ALE<='0';START<='0';LOCK<='1';OE<='1'; next_state <= st0; WHEN OTHERS => next_state <= st0; END CASE ; END PROCESS COM ; REG: PROCESS (CLK) BEGIN IF RST=‘1’ THEN current_state<=st0; elsIF (CLK'EVENT AND CLK='1') THEN current_state <=next_state; END IF; END PROCESS REG ;-- 由信号current_state将当前状态值带出此进程:REG LATCH1: PROCESS (LOCK) -- 此进程中，在LOCK的上升沿，将转换好的数据锁入 BEGIN IF LOCK='1' AND LOCK'EVENT THEN REGL <= D ; END IF; END PROCESS LATCH1 ; END behav;
ARCHITECTURE ...IS TYPE FSM_ST IS (s0，s1，s2，s3); SIGNAL current_state, next_state: FSM_ST; ...
2. 主控时序进程:负责状态机运转和在时钟驱动下负责状态 转换的进程
FSM: PROCESS REG next_state s_m achine PROCESS COM com b_outputs
COM:PROCESS(c_state, state_Inputs) --主控组合进程 BEGIN CASE c_state IS WHEN s0 => comb_outputs<= 5; IF state_inputs = "00" THEN next_state<=s0; ELSE next_state<=s1; END IF; WHEN s1 => comb_outputs<= 8; IF state_inputs = "01" THEN next_state<=s1; ELSE next_state<=s2; END IF; WHEN s2 => comb_outputs<= 12; IF state_inputs = "10" THEN next_state <= s0; ELSE next_state <= s3; END IF; WHEN s3 => comb_outputs <= 14; IF state_inputs = "11" THEN next_state <= s3; ELSE next_state <= s4; END IF; WHEN s4 => comb_outputs <= 9; next_state <= s0; WHEN OTHERS=> next_state <= s0; END case; END PROCESS; END behv;
或
TYPE 数据类型名 IS 数据类型定义 ;
TYPE m_state IS
( st0，st1，st2，st3，st4，st5 ) ;
SIGNAL present_state，next_state : m_state ;
10.1 一般有限状态机的设计 10.1.2一般有限状态机的设计
1. 说明部分
10.2 Moore型有限状态机设计
10.2.1 ADC采样控制设计及多进程结构状态机
图10-5 ADC0809工作时序
8.2 Moore型有限状态机设计
10.2.1 ADC采样控制设计及多进程结构状态机
图10-6 控制 ADC0809采样状态 图
表10-1 控制信号状态编码表
状态编码
状态
ST0 ST1 ST2 ST3 ST4
【例10-1】 LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY FSM_EXP IS PORT ( clk,reset : IN STD_LOGIC; state_inputs : IN STD_LOGIC_VECTOR (0 TO 1); comb_outputs : OUT INTEGER RANGE 0 TO 15 ); END FSM_EXP; ARCHITECTURE behv OF FSM_EXP IS TYPE FSM_ST IS (s0, s1, s2, s3, S4); --数据类型定义，状态符号化 SIGNAL c_state, next_state: FSM_ST;--将现态和次态定义为新的数据类型 BEGIN REG: PROCESS (reset,clk) --主控时序进程 BEGIN IF reset = '0‘ THEN c_state <= s0; --检测异步复位信号 ELSIF clk='1' AND clk'EVENT THEN c_state <= next_state; END IF; END PROCESS; （接下页）
高可靠性
10.1 VHDL状态机的一般形式
状态机分类
从状态机的信号输出方式上分，Mealy和Moore型 从状态机的描述结构上分，单进程和多进程 从状态表达方式上分，有符号化和确定状态编码 从状态机编码方式上分，有顺序、一位热码和其他编码方式
10.1 VHDL状态机的一般形式
数据类型定义语句
TYPE语句的用法如下： TYPE 数据类型名 IS 数据类型定义 OF 基本数据类型 ;
START 0 1 0 0 0
ALE 0 1 0 0 0
OE 0 0 0 1 1
LOCK 0 0 0 0 1
EOC
功能说明 初始态 启动转换 若测得EOC=1时，转下一状态ST3 输出转换好的数据 利用LOCK的上升沿将转换好的数据锁存
0 0 1 0 0
10.2.1 ADC采样控制设计及多进程结构状态机
EDA 技术实用教程
第 10 章 VHDL有限状态机设计
引言
▲ 广义而论状态机
涉及触发器应用的电路，无论大小都能归结成状态机 例如：D触发器构成的二分频电路，四位二进制计数器都可以算作一个状态机
▲有限状态机的应用
操作和控制流程非常明确的系统设计，在数字通信领域，自动控制 领域，CPU涉及等领域都有应用
图10-6 采样状态机结构框图
【例10-2】
LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY ADC0809 IS PORT(D : IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); --来自0809转换好的8位数据 CLK,RST : IN STD_LOGIC; --状态机工作时钟 EOC : IN STD_LOGIC; --转换状态指示，低电平表示正在转换 ALE : OUT STD_LOGIC; --8个模拟信号通道地址锁存信号 START : OUT STD_LOGIC; --转换开始信号 OE : OUT STD_LOGIC; --数据输出3态控制信号 ADDA : OUT STD_LOGIC; --信号通道最低位控制信号 LOCK_T : OUT STD_LOGIC; --观察数据锁存时钟 Q : OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)); --8位数据输出 END ADC0809; ARCHITECTURE behav OF ADC0809 IS TYPE states IS (st0, st1, st2, st3,st4) ; --定义各状态子类型 SIGNAL current_state, next_state: states :=st0 ; SIGNAL REGL : STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); SIGNAL LOCK : STD_LOGIC; -- 转换后数据输出锁存时钟信号 BEGIN ADDA <= ‘0';--当ADDA<='0'，模拟信号进入通道IN0； Q <= REGL; LOCK_T<= LOCK ; COM: PROCESS(current_state,EOC) BEGIN --规定各状态转换方式 CASE current_state IS WHEN st0=>ALE<='0';START<='0';LOCK<='0';OE<='0'; next_state <= st1; --0809初始化 （接下页）
10.2 Moore型有限状态机设计
Moore型与Mealy型两种状态机的不同点在于， Moore型状态机的输出仅仅是当前状态的函数，这类状态机 还必须等到时钟到来，才会导致输出信号产生变化。比 Mealy型状态机慢一个时钟周期。 而Mealy型状态机的输出则是以现时的输入和即将变成次态 的现态的函数。输出随输入的变化立即发生，不依赖时钟同 步。
10.1 VHDL状态机的一般形式
10.1.1 为什么要使用状态机
状态机克服了纯硬件数字系统顺序方式控制不灵活的缺点 容易利用现成的EDA优化工具 性能稳定。状态机容易构成性能良好的同步时序逻辑模块 设计实现效率高。状态机的VHDL表述丰富多样、程序层次分明， 易读易懂 高速性能。在高速运算和控制方面，状态机更有其巨大的优势
10.2 Moore型有限状态机设计
10.2.1 ADC采样控制设计及多进程结构状态机
图10-7 ADC0809采样状态机工作时序
【例10-3】组合进程分成两个组合进程，结构清晰，分工明确 COM1: PROCESS(current_state,EOC) BEGIN CASE current_state IS WHEN st0=> next_state <= st1; WHEN st1=> next_state <= st2; WHEN st2=> IF (EOC='1') THEN next_state <= st3; ELSE next_state <= st2; END IF ; WHEN st3=> next_state <= st4;--开启OE WHEN st4=> next_state <= st0; WHEN OTHERS => next_state <= st0; END CASE ; END PROCESS COM1 ; COM2: PROCESS(current_state) BEGIN CASE current_state IS WHEN st0=>ALE<='0';START<='0';LOCK<='0';OE<='0' WHEN st1=>ALE<='1';START<='1';LOCK<='0';OE<='0' WHEN st2=>ALE<='0';START<='0';LOCK<='0';OE<='0' WHEN st3=>ALE<='0';START<='0';LOCK<='0';OE<='1' WHEN st4=>ALE<='0';START<='0';LOCK<='1';OE<='1' WHEN OTHERS => ALE<='0';START<='0';LOCK<='0'; END CASE ; END PROCESS COM2 ;
FSM: PROCESS REG next_state s_m achine PROCESS COM com b_outputs
current_state
clk reset state_inputs
4. 辅助进程：配合状态机工作的组合或时序进程
10.1 VHDL状态机的一般形式
10.1.2 一般有限状态机的设计
10.1 VHDL状态机的一般形式
10.1.2 一般有限状态机的设计
图10-2 例10-1状态机的工作时序
10.1 VHDL状态机的一般形式
10.1.3 状态机设计初始控制与表述
打开QuartusII状态图观察器
10.1 VHDL状态机的一般形式
10.1.3 状态机设计初始控制与表述
图1百度文库-3 例10-1的状态图