有限状态机(FSM)的设计
有限状态机(ASM)(FSM)
(OR ASM)
Sequential circuits are also called finite state machines (FSMs), which is a more formal name that is often found in technical literature. The name derives from the fact that the function behavior of these circuits can be represented using a finite number of states.
begin
if clk'event and clk='1' then
presentstate<=nextstate;
end if;
end process switch_to_nextstate;
when s3=>nextstate<=s4; change_state_mode: process(presentstate)--主控组合进程 y<="100"; begin cout<='0'; case presentstate is when s4=>nextstate<=s0; when s0=>nextstate<=s1; y<="000"; y<="001"; cout<='1'; cout<='0'; when when s1=>nextstate<=s2; others=>nextstate<=s0; y<="010"; cout<='0'; y<="XXX";
第八次课-8章状态机精选全文
z<=0;
三、基于状态机的设计要点
1．起始状态的选择
起始状态是指电路复位后所处的状态，选择一 个合理的起始状态将使整个系统简洁高效。有的 EDA软件会自动为基于状态机的设计选择一个最佳 的起始状态。
2．状态转换的描述
一般使用case语句来描述状态之间的转换， 用case语句表述比用if-else语句更清晰明了。
有限状态机类型 有限状态机的Verilog描述 有限状态机的设计要点
一、两种有限状态机
二、有限状态机的Verilog描述
描述对象：
当前状态、下一状态、输出逻辑
描述方式： 单过程、双过程、三过程
单过程描述方式： 放在一个过程中描述，相当于采用时
钟信号同步，克服输出产生毛刺。但输出 逻辑相对于双过程，要延迟一个时钟周期。
end end
s3: begin if(x==0)
begin state<=s0; z<=0;
end else begin
state<=s4; z<=1; end end
s4: begin if(x==0)
begin state<=s0; end else begin state<=s4; z<=1; end end default:
双过程描述方式： 一个过程 由时钟信号触发的时序过程
（当时钟发生跳变时，状态机状态发生变 化。一般用case语句检查状态机的当前状态； 另一过程是组合过程，对于摩尔型，输出 只与当前状态有关，因此只需用case语句即 可，对米里型，因与当前状态和输入都有 关，因此可用case 语句和 if组合进行描述。
有限状态机
可综合的设计中应注意
不使用初始化语句；不使用带有延时的描述； 不使用循环次数不确定的循环语句。
应尽量采用同步方式设计电路。
用always过程块描述组合逻辑，应在敏感 信号列表中列出块中出现的所有输入信号。
基于状态机的设计要点
3．状态编码的定义
在Verilog语言中，有两种方式可用于定义状态编码，分别用
parameter和'define语句实现，比如要为state0、state1、state2
、state3四个状态定义码字为：00、01、11、10，可采用下面
两种方式。
方式1：用parameter参数定义
采用一个always模块描述,状态编码用二进制编码：
• module fsm(clk,ina,out); input clk,ina; output out; reg out; parameter s0 = 3'b00,s1 =3'b01,s2 =3'b10,s3=3'b11; reg[0:1]state; always @ (posedge clk) begin state<=s0;out =0; case(state) s0: begin state<=(ina)?s1:s0;out=0; end s1:begin state<=(ina)?s2:s0;out=0; end s2:begin state<=(ina)?s3:s0;out=0; end s3:begin state<=(ina)?s3:s0;out=1; end endcase end endmodule
1、有限状态机
有限状态机的设计
什么是有限状态机（ FSM ） FSM的种类和不同点 设计举例
有限状态机的verilog例子
有限状态机的verilog例子有限状态机（Finite State Machine, FSM）是数字电路设计中的一种基本构件，它可以用来实现各种复杂的控制逻辑。
在Verilog中，可以用模块（module）来描述一个有限状态机，使用参数（parameters）来定义状态数量和状态转移逻辑。
以下是一个简单的有限状态机的Verilog例子，该FSM有3个状态（S0, S1, S2）和两个输入（clk, rst_n）以及一个输出（next_state, out）：```verilogmodule fsm(input wire clk, // 时钟信号input wire rst_n, // 低电平复位信号input wire [1:0] in, // 输入信号，这里位宽为2，可以扩展output reg next_state, // 下一状态输出output reg out // 输出信号);// 状态参数parameter S0 = 2'b00;parameter S1 = 2'b01;parameter S2 = 2'b10;// 状态寄存器reg [1:0] state;// 状态转移逻辑always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n) begin// 当处于复位状态时，状态寄存器和输出都初始化为0state <= S0;out <= 1'b0;end else begin// 根据当前状态和输入信号，更新下一状态和输出case (state)S0: beginnext_state <= S1;out <= 1'b1;endS1: beginnext_state <= S2;out <= 1'b0;endS2: beginnext_state <= S0;out <= 1'b1;enddefault: beginnext_state <= S0;out <= 1'b0;endendcaseendendendmodule```在这个例子中：- `clk` 是时钟信号。
状态机设计
集成电路实验状态机设计实验报告专业：电子信息工程姓名：江燕婷学号：2011301200025状态机设计（实验五）实验报告一．实验目的1. 掌握状态机设计的基本方法2.学习利用状态机的方法实现控制电路二．实验原理有限状态机（Finite State Machine FSM）是时序电路设计中经常采用的一种方式，尤其适合设计数字系统的控制模块，在一些需要控制高速器件的场合，用状态机进行设计是一种很好的解决问题的方案，具有速度快、结构简单、可靠性高等优点。
有限状态机非常适合用FPGA器件实现，用Verilog HDL的case语句能很好地描述基于状态机的设计，再通过EDA工具软件的综合，一般可以生成性能极优的状态机电路，从而使其在执行时间、运行速度和占用资源等方面优于用CPU实现的方案。
有限状态机一般包括组合逻辑和寄存器逻辑两部分，寄存器逻辑用于存储状态，组合逻辑用于状态译码和产生输出信号。
根据输出信号产生方法的不同，状态机可分为两类：米里型(Mealy)和摩尔型(Moore)。
摩尔型状态机的输出只是当前状态的函数，如图1-1所示；米里型状态机的输出则是当前状态和当前输入的函数，如图1-2所示。
米里型状态机的输出是在输入变化后立即变化的，不依赖时钟信号的同步，摩尔型状态机的输入发生变化时还需要等待时钟的到来，必须在状态发生变化时才会导致输出的变化，因此比米里型状态机要多等待一个时钟周期。
图1-1 摩尔型状态机图1-2 米里型状态机状态机在硬件描述语言实现上，可使用单过程、双过程或三过程等不同的结构实现。
状态机的状态实现上，可采用符号编码或显式数字编码。
编码方式有顺序编码（自然二进制编码），一位热码（one－hot encoding），格雷（gray code）码等。
顺序编码，简单状态寄存器占用少；一位热码输出译码电路简单；在状态顺序变化时，格雷码每次只有一位变化，避免产生输出信号毛刺。
三. 实验设备与软件平台微型计算机，GW48－CK，QuartusII v5.0。
有限状态机(ASM)(FSM)
cout<='X';
end case; end process change_state_mode; end rtl;
when s2=>nextstate<=s3;
y<="011"; cout<='0';
二、设计一个串行数据检测器
要求：当输入连续3个或3个以上1时，
输出才为1，否则输出为0。
分析：1、逻辑抽象，得出状态转换图或状态转换表 2、根据状态转换图编写VHDL程序
BEGIN
CASE current_state IS
WHEN s0=> IF x='0' THEN
WHEN s2=> IF x='0' THEN
next_state<=s0; y<='0'; ELSE next_state<=s3;
next_state<=s0;
ELSE next_state<=s1; END IF; y<='0';
Present state Next state y2y1y0 y2y1y0
S0: 000 S1: 001 S2: 010 S3: 011 S4: 100 000 001 010 011 100 000 001
Output cout
0 0 0 0 1 0
Figure 4.2 State-assigned table
y<='0';
END IF; WHEN OTHERS=>NULL; END CASE; END process changestatemode;
第十讲 有限状态机FSM
1
引言
现代数字系统的设计中，一般都采用自顶向下的模 块化设计方法。即从整个系统的功能出发，将系统 分割成若干功能模块。在自顶向下划分的过程中， 最重要的是将系统或子系统按计算机组成结构那样 划分成控制器和若干个受控功能模块。
受控部分通常是设计者们所熟悉的各种功能的电路， 设计较为容易。主要任务是设计控制器，而其控制 功能可以用有限状态机来实现。
6
--2008-10--
Copyright@2008.邹云海
1、说明部分
说明部分中使用TYPE语句定义新的数据类型，此 数据类型为枚举型，其元素通常用状态机的状态名 来定义； 状态变量（如现态和次态）应定义为信号，便于信 息传递，并将状态变量的数据定义为含有既定状态 元素的新定义的数据类型； 说明部分放在结构体的Architecture和Begin之间：
邹云海200810顺序编码编码方式最简单使用触发器最少剩余的非法状态最少冗错技术最简单节省了触发器但是译码电路组合逻辑资源消耗大一位热码编码用n个触发器来实现具有n个状态的状态机状态机中的每一个状态都由其中一个触发器的状态表示
第十讲
有限状态机FSM
--2008-10--
Copyright@2008.邹云海
end if;
end process; end behv;
--2008-10-Copyright@2008.邹云海
--2008-10--
一般状态机结构框图 Copyright@2008.邹云海
8
3、主控组合进程
主控组合进程通过信号current_state进入相应的 状态，并在此状态中根据外部的信号（指令）如 state_inputs等向内或/向外发出控制信号，如 comb_outputs，同时确定下一状态的走向，即 向次态信号next_state中赋入相应的状态值。此 状态值通过next_state传给时序进程，直至下一 个时钟脉冲的到来在进入另一次的状态转换周期。 主控组合进程也可称为状态译码过程，负责根据外 部输入的控制信号，执行特定的功能。 辅助进程：辅助进程用于配合状态机工作的组合进 程或时序进程。例如为了完成某种算法的进程，为 了稳定输出设置的数据锁存器等。
有限状态机设计
ENTITY AD574 IS
PORT (
d:
IN STD_LOGIC_VECTOR(11 DOWNTO 0);
clk,status :
IN STD_LOGIC; --时钟CLK，状态信号STATUS
lock0 :
OUT STD_LOGIC; --内部锁存信号LOCK旳测试信号
cs,a0,rc,k12x8 : OUT STD_LOGIC; --AD574控制信号
决定进入下一种状态。
（if - then - else）
二、一般有限状态机旳设计
6.2.1 一般有限状态机构成
4. 辅助进程：
clk reset State_inputs
状态机 Current_state
Next_state
一般状态机工作示意图
Comb_output
二、一般有限状态机旳设计
【例 6-1 】一般两进程有限状态机描述
下一状态 输出
001
0
000
0
…
…
状态机旳表达措施2
措施二：算法流程图 措施与软件程序旳流程图类似
状态机旳表达措施3
措施三：状态转换图 条件控制
定序
状态1
入
入
/出
状态4
/出
入
入
状态3
/出
状态2
/出
Moore
直接控制 定序
状态机旳表达措施3
措施三：状态转换图 条件控制
定序
状态1
入 /出
入 /出
状态4
工作状态
禁止
禁止
开启12位转换 开启8位转换 12位并行输出有效 高8位并行输出有效 低4位加上尾随4个0有效
状态机FSM设计PPT课件
状态机在软件设计、硬件设计、控制 系统等领域中广泛应用，用于实现复 杂的逻辑控制、错误处理、通信协议 等功能。
状态转换原理
状态转换条件
状态机从一个状态转换到另一个状态需要满足一定的条件，这些条 件可以是外部输入、内部状态或时间等。
状态转换过程
当满足状态转换条件时，状态机会从当前状态跳转到下一个状态， 同时执行相应的动作或操作。
3
使用子状态机
将复杂状态机拆分为多个子状态机，提高可管理 性。
提高代码可读性和可维护性
规范化命名
为状态和转换使用清晰、一致的命名规则。
添加注释
在关键部分添加注释，解释状态和转换的意 图。
模块化设计
将状态机实现为独立的模块，方便复用和测 试。
调试和测试方法分享
日志记录
在关键状态转换处添加日志记录，便于跟踪 和调试。
断点调试
使用断点调试工具，逐步执行状态机代码， 观察状态变化。
单元测试
编写针对状态机的单元测试，确保每个状态 和转换的正确性。
集成测试
将状态机与其他模块集成，进行整体测试， 验证系统功能的正确性。
06 总结与展望
本次课程回顾与总结
状态机基本概念
介绍了状态机的定义、组成要素、工 作原理等基本概念。
度，使程序更易于理解和扩展。
有限状态机在软件架构中的作用
有限状态机的定义
有限状态机（Finite State Machine，FSM）是一种具有有限个 状态的系统，它在外部事件的驱动下发生状态转移。
FSM在软件架构中的位置
在软件架构中，FSM可作为核心组件，用于控制系统的行为和流程。
FSM对软件架构的影响
使用Verilog或VHDL等硬件描述语言，可以方便地描述和实现状态机。通过定义状态、 输入、输出以及状态转移条件，可以构建出功能强大的状态机。
有限状态机FSM的状态图画法
...
...
Sm
Az/Sk
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
-
...
S: State, E：Event, A:Action, -:illegal transistion
En
Ax/Si ... -
也可以转置2维状态表，让E为行，S为列。
请您及时更换请请请您正在使用的模版将于2周后被下线请您及时更换
有限状态机 FSM的状态图画法
一个FSM的状态图是一个有向图，它有如下元素： 状态Q：用圆圈表示的一组向量的有限集合，有唯一的标识符号或词组。 边Edges：由输入导致的在2个状态之间的转换transistion。一个edge通常汉城从当前状态到下一状态的带箭头线条。 开始状态Q0： 接受状态F：如果使用，是表示接受状态和最终状态的双重圆圈的集合。 一维状态表：
A
B
0
0
0
0
0
1
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
A，B列为输入，
Current State S1 S2 S1 S2 S1 S2 S1 S2
Next State Output
S2
1
S1
0
S2
0
S2
1
S1
1
S1
1
S1
1
S2
0
2维状态表：
Events
E1
E2
...
State
S1
-
Ay/Sj
...
S2
-
-
...
...
...
利用查表法进行有限状态机编程设计
利用查表法进行有限状态机编程设计
3. 实现状态转换逻辑：根据状态转换表，编写代码实现状态转换逻辑。可以使用if-else语 句或switch-case语句来根据当前状态和输入信号进行状态转换。
6. 测试和调试：完成代码编写后，进行测试和调试，确保FSM的状态转换和状态动作的 正确性。
需要注意的是，利用查表法进行FSM编程设计可以简化代码的实现和维护，提高程序的可 读性和可扩展性。但在实际应用中，需要根据具体的系统需求和FSM的复杂性，灵活选择合 适的编程方法和数据结构来实现FSM的功能。
利用查表法进行有限状态机编程设计
利用查表法进行有限状态机（FSM）的编程设计是一种常用的方法，它通过建立状态转换 表来实现状态机的功能。以下是利用查表法进行FSM编程设计的一般步骤：
1. 确定状态和输入信号：首先确定FSM的状态和输入信号。状态是指FSM的不同工作状 态，输入信号是触发状态转换的信号。
4. 处理状态动作：在状态转换的同时，可能需要执行某些特定的状态动作。根据需要，在 状态转换逻辑中添加相应的代码来处理状态动作。
5. 设计输入信号检测：在程序中，需要检测输入信号的变化，并根据当前状态和输入信号 进行状态转换。可以使用轮询或中断等方式来检测输入信号的变化。
利用查表法进行有限状态机编程设计
有限状态机FSM（FiniteStateMachine）及实现方式介绍
有限状态机FSM（FiniteStateMachine）及实现⽅式介绍⼀、为什么引⼊有限状态机？ 最近做⼀个项⽬，项⽬中很多实体(Entity)，每个实体都有很多状态(State)，各状态会经过不同事件(Event)触发后转换到另⼀个状态。
这些事件包括但不限于：⽤户页⾯点击触发，⽣效时间或失效时间到达，其他依赖实体状态变更等。
在状态变更后还会有⼀系列动作(Action)处理。
⼀旦相互依赖实体或实体本⾝状态增多，状态转换变多，处理这些状态的业务代码也会分散在各处，代码处理很容易漏掉，维护成本很⾼。
所以考虑引⼊有限状态机。
⼆、什么是有限状态机？ 有限状态机,也称为FSM(Finite State Machine)，其在任意时刻都处于有限状态集合中的某⼀状态。
当其获得⼀个输⼊字符时，将从当前状态转换到另⼀个状态，或者仍然保持在当前状态。
任何⼀个FSM都可以⽤状态转换图来描述，图中的节点表⽰FSM中的⼀个状态，有向（⽅向表⽰从⼀个初态转换到次态）加权（权表⽰事件）边表⽰输⼊字符时状态的变化。
如果图中不存在与当前状态与输⼊字符对应的有向边，则FSM将进⼊“消亡状态(Doom State)”，此后FSM将⼀直保持“消亡状态”。
状态转换图中还有两个特殊状态：状态1称为“起始状态”，表⽰FSM的初始状态。
状态6称为“结束状态”。
在启动⼀个FSM时，⾸先必须将FSM置于“起始状态”，然后触发⼀系列时间，最终，FSM会到达“结束状态”或者“消亡状态”。
图1：状态转换图说明：在通常的FSM模型中，⼀般还存在⼀个“接受状态”，并且FSM可以从“接受状态”转换到另⼀个状态，只有在识别最后⼀个字符后，才会根据最终状态来决定是否接受所输⼊的字符串。
此外，也可以将“其实状态”也作为接受状态，因此空的输⼊序列也是可以接受的。
1. 状态机要素状态机可归纳为4个要素，即现态、条件、动作、次态。
“现态”和“条件”是因，“动作”和“次态”是果。
有限状态机(FSM)的设计
SIGNAL CS,NS: STATE_TYPE; BEGIN REG:PROCESS(CLK,RESET) BEGIN IF RESET=‘0’ THEN CS<=S0; THEN CS<=NS; --寄存器进程 --寄存器进程
ELSIF END
CLK'EVENT AND CLK='1‘
IF;
END PROCESS; FUNC1:PROCESS(INPUT,CS) BEGIN CASE CS IS WHEN S0=>IF INPUT ELSE END IF; WHEN S1=>IF INPUT ELSE END IF; WHEN S2=>IF INPUT ELSE END IF; WHEN S3=>IF INPUT ELSE END IF; --次态组合逻辑译码进程 --次态组合逻辑译码进程
(完整版)FSM模型
(完整版)FSM模型1. 引言有限状态机（Finite State Machine，简称FSM）是一种重要的数学模型和计算机科学的基础概念。
它被广泛应用于各种领域，如计算机程序设计、自动控制系统、人工智能等。
本文将介绍FSM 模型的基本概念、结构和应用。
2. FSM模型的基本概念FSM模型由状态、事件和转移函数组成。
在模型中，状态表示FSM的当前状态，事件表示FSM接收到的输入，转移函数则定义了FSM根据当前状态和事件进行状态转移的规则。
3. FSM模型的结构FSM模型通常包含以下几个要素：- 状态集合：所有可能的状态构成了状态集合。
- 开始状态：确定FSM的启动状态。
- 结束状态：定义了FSM的终止状态。
- 事件集合：FSM所接收的事件的集合。
- 转移函数：描述了FSM从一个状态根据接收到的事件进行状态转移的规则。
- 动作函数：定义了每个状态转移所执行的动作。
4. FSM模型的应用FSM模型在各个领域都有广泛的应用，以下是一些常见的应用场景：- 编译器设计：用于解析语法、词法分析和语义分析等阶段。
- 自动控制系统：用于描述控制器的行为和状态。
- 电信网络：用于描述通信协议的状态和行为。
- 游戏开发：用于角色行为的控制和状态管理。
- 自然语言处理：用于描述语言处理器的状态转移和行为。
5. FSM模型的优缺点FSM模型的优点包括：- 简单易懂：FSM模型的概念和结构相对简单，易于理解和实现。
- 易于调试：由于状态转移具有明确的规则，因此可以更容易地进行调试和错误排查。
- 可扩展性：FSM模型很容易新增状态和事件，支持系统的扩展和演化。
然而，FSM模型也存在一些缺点：- 复杂性限制：FSM模型适用于描述相对简单的系统，对于复杂系统的建模会变得非常困难。
- 状态爆炸：状态集合的规模可能会随着系统复杂性的增加而急剧增加，导致状态爆炸问题。
6. 总结FSM模型是一种强大的数学模型，被广泛应用于各种领域。
它具有简单易懂、易于调试和可扩展性的优点，但也存在复杂性限制和状态爆炸的缺点。
第六章 FSM
FSM( Finite State Machine 有限状态机)⏹状态机准备⏹状态机分类⏹Moore型状态机设计⏹状态机复位⏹Moore型状态机信号输出方法⏹Mealy型状态机⏹状态机容错设计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状态机可以定义符号化枚举类型的状态状态机容易构成性能良好的同步时序逻辑模块状态机的VHDL表述丰富多样、程序层次分明，易读易懂在高速运算和控制方面，状态机更有其巨大的优势高可靠性FSM应用⏹FSM通过状态图描述状态转换过程⏹FSM：数字系统控制单元的建模⏹数字系统：❑受控模块：功能模块，设计较易❑控制模块实现⏹CPU⏹FSM❑执行耗费时间，执行时间的确定性方面，FSM优于CPUFSM 构成FSM用来解决一般时序逻辑电路问题，包括同步/异步时序逻辑⏹状态寄存器❑当前状态（现态）寄存器⏹组合逻辑电路❑下一状态（次态）组合逻辑❑输出组合逻辑FSM 分类⏹Moore 型：输出信号仅与现态相关⏹Mealy 型：输出信号与现态和输入相关DFFsOutput Comb. LogicFeedback Comb. Logic DFFsOutput Comb. LogicFeedback Comb. Logic 现态次态输入输出现态次态输出vhdl语言描述FSM的建立过程跟据具体要求分析控制过程，建立状态转移图后：⏹ 1. 定义枚举类型的信号描述状态⏹ 2. 建立第1个进程，描述次态组合逻辑，现态和输入信号作为敏感量，⏹ 3. 在进程中定义状态转移❑CASE WHEN语句的一条表示一个状态，状态转移通过IF THEN ELSE语句实现⏹4. 对于双进程FSM，建立第2个进程，现态寄存器描述进程，CLK，RST为敏感量；对于单进程FSM，则在一个进程中完成同步状态转移。
数据类型定义语句及状态机设计说明部分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;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; ARCHITECTURE...ISTYPE FSM_ST IS(s0，s1，s2，s3);SIGNAL current_state,next_state:FSM_ST;...beginEDA 技术Stmch1.vhdlibrary ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity stmch1 is port(clk, in1, rst: in std_logic; out1: out std_logic);end stmch1;architecture behave of stmch1 istype state_values is (sx, s0, s1);signal state, next_state: state_values;beginprocess (clk, rst)beginif rst = '1' then state <= s0;elsif rising_edge(clk) then state <= next_state;end if;end process ;process (state, in1)begin--set defaults for output and stateout1 <= '0';next_state <= sx; --catch missing --assignments to --next_statecase state is when s0 =>if in1 = '0' then out1 <='1';next_state <= s1;elseout1 <= '0';next_state <= s0;end if ;when s1 =>if in1 = '0' then out1 <='0';next_state <= s0;else out1 <= '1';next_state <= s1;end if ;when sx =>next_state <= sx;end case;end process ;s0/0s1/1input=0Reset=1input=0input=1input=1Comb LogicDFFs in1state clkout1next_state Mealy 型：EDA 技术Mealy1.vhdlibrary ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity mealy1 is port(clk, rst: in std_logic;id: in std_logic_vector(3 downto 0);y: out std_logic_vector(1 downto 0));end mealy1;architecture archmealy of mealy1 istype states is (state0, state1, state2, state3, state4);signal state: states;beginMealy_proc: process (clk, rst) ……end process;end archmealy;Mealy_proc: process (clk, rst)beginif rst='1' thenstate <= state0;y <= "00";elsif (clk'event and clk='1') thencase state iswhen state0 =>if id = x"3" thenstate <= state1;y <= "10";elsestate <= state0;y <= "00";end if;when state1 =>state <= state2;y <= "11";when state2 =>if id = x"7" thenstate <= state3;y <= "10";elsestate <= state2;y <= "11";end if;when state3 =>if id < x"7" thenstate <= state0;y <= "00";elsif id = x"9" thenstate <= state4;y <= "11";elsestate <= state3;y <= "10";end if;when state4 =>if id = x"b" thenstate <= state0;y <= "00";elsestate <= state4;y <= "11";end if;DFFsOutput Comb. LogicFeedback Comb. LogicEDA技术statmach.vhdLibrary IEEE ;use IEEE.std_logic_1164.all ;ENTITY statmach ISPORT( clk : IN BIT;input : IN BIT;reset : IN BIT;output : OUT BIT);END statmach;ARCHITECTURE a OF statmach ISTYPE STATE_TYPE IS (s0, s1);SIGNAL state: STATE_TYPE;BEGINPROCESS(clk,reset)BEGINIF reset = '1' THENstate<= s0;ELSIF (clk'EVENT AND clk = '1') THEN CASE state ISWHEN s0=>state<= s1;WHEN s1=>IF input = '1' THENstate<= s0;ELSEstate<= s1;END IF;END CASE;END IF;END PROCESS;output<= '1' WHEN state= s1ELSE '0'; END a;s0/0s1/1input=1input=0 Reset=1FSM的复位⏹同步复位❑双进程状态机⏹在第1个进程的开始处用IF THEN 语句判断RESET，在其后的ELSE语句里用CASE语句定义状态转换⏹或者在第2个进程里定义同步复位❑单进程状态机⏹进程里定义同步复位⏹异步复位❑双进程状态机⏹在第2个进程里定义异步复位❑单进程状态机⏹进程里定义异步复位CASE_WHENIF …THENELSEPROCESS 1CLK’EVENTAND CLK=‘1’PROCESS 2次态现态输入输出Moore型有限状态机设（AD为例）多进程有限状态机Moore型有限状态机设多进程有限状态机控制ADC0809采样状态图多进程有限状态机LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY ADCINT ISPORT(D : IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); --来自0809转换好的8位数据CLK : 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LOCK0 : 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 ADCINT;ARCHITECTURE behav OF ADCINT ISTYPE 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BEGINADDA <= '1';--当ADDA<='0'，模拟信号进入通道IN0；当ADDA<='1'，则进入通道IN1Q <= REGL; LOCK0 <= LOCK ;COM: PROCESS(current_state,EOC) BEGIN --规定各状态转换方式CASE current_state ISWHEN st0=>ALE<='0';START<='0';LOCK<='0';OE<='0';next_state <= st1; --0809初始化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)BEGINIF (CLK'EVENT AND CLK='1') THENcurrent_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BEGINIF LOCK='1' AND LOCK'EVENT THEN REGL <= D ; END IF;END PROCESS LATCH1 ;END behav;COM1:PROCESS(current_state,EOC)BEGINCASE current_state ISWHEN 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OEWHEN st4=>next_state<=st0;WHEN OTHERS=>next_state<=st0;END CASE;END PROCESS COM1;COM2:PROCESS(current_state)BEGINCASE current_state ISWHEN 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;针对前面代码中的COM进程，把其中的状态及输出控制又分成双进程写ADC0809采样状态机工作时序单进程Moore型有限状态机LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY MOORE1 ISPORT (DATAIN :IN STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);CLK,RST : IN STD_LOGIC;Q : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0));END MOORE1;ARCHITECTURE behav OF MOORE1 ISTYPE ST_TYPE IS (ST0, ST1, ST2, ST3,ST4);SIGNAL C_ST : ST_TYPE ;BEGINPROCESS(CLK,RST)BEGINIF RST ='1' THEN C_ST <= ST0 ; Q<= "0000" ;ELSIF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN（接下页）CASE C_ST ISWHEN ST0 => IF DATAIN ="10" THEN C_ST <= ST1 ;ELSE C_ST <= ST0 ; END IF;Q <= "1001" ;WHEN ST1 => IF DATAIN ="11" THEN C_ST <= ST2 ;ELSE C_ST <= ST1 ;END IF;Q <= "0101" ;WHEN ST2 => IF DATAIN ="01" THEN C_ST <= ST3 ;ELSE C_ST <= ST0 ;END IF;Q <= "1100" ;WHEN ST3 => IF DATAIN ="00" THEN C_ST <= ST4 ;ELSE C_ST <= ST2 ;END IF;Q <= "0010" ;WHEN ST4 => IF DATAIN ="11" THEN C_ST <= ST0 ;ELSE C_ST <= ST3 ;END IF;Q <= "1001" ;WHEN OTHERS => C_ST <= ST0;END CASE;END IF;END PROCESS;END behav;Moore型有限状态机设单进程状态机工作时序1.0μs2.0μs3.0μs4.0μs5.0μs6.0μs7.0μs8.0μs8.2 Moore型有限状态机设二进程状态机工作时序图Mealy型有限状态机设计LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY MEALY1 ISPORT ( CLK ,DATAIN,RESET : IN STD_LOGIC;Q : OUT STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0));END MEALY1;ARCHITECTURE behav OF MEALY1 ISTYPE states IS (st0, st1, st2, st3,st4);SIGNAL STX : states ;BEGINCOMREG : PROCESS(CLK,RESET) BEGIN --决定转换状态的进程IF RESET ='1' THEN STX <= ST0;ELSIF CLK'EVENT AND CLK = '1' THEN CASE STX IS WHEN st0 => IF DATAIN = '1' THEN STX <= st1; END IF;WHEN st1 => IF DATAIN = '0' THEN STX <= st2; END IF;(接下页）WHEN st2 => IF DATAIN = '1' THEN STX <= st3; END IF;WHEN st3=> IF DATAIN = '0' THEN STX <= st4; END IF;WHEN st4=> IF DATAIN = '1' THEN STX <= st0; END IF;WHEN OTHERS => STX <= st0;END CASE ;END IF;END PROCESS COMREG ;COM1: PROCESS(STX,DATAIN) BEGIN --输出控制信号的进程CASE STX ISWHEN st0 => IF DATAIN = '1' THEN Q <= "10000" ;ELSE Q<="01010" ; END IF ;WHEN st1 => IF DATAIN = '0' THEN Q <= "10111" ;ELSE Q<="10100" ; END IF ;WHEN st2 => IF DATAIN = '1' THEN Q <= "10101" ;ELSE Q<="10011" ; END IF ;WHEN st3=> IF DATAIN = '0' THEN Q <= "11011" ;ELSE Q<="01001" ; END IF ;WHEN st4=> IF DATAIN = '1' THEN Q <= "11101" ;ELSE Q<="01101" ; END IF ;WHEN OTHERS => Q<="00000" ;END CASE ;END PROCESS COM1 ;Mealy型有限状态机设计1.5μs2.0μs 2.5μs3.0μs 3.5μs4.0μs 4.5μs双进程Mealy状态机工作时序图8.3 Mealy型有限状态机设计LIBRARY IEEE;--MEALY FSMUSE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY MEALY2ISPORT(CLK,DATAIN,RESET:IN STD_LOGIC;Q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(4DOWNTO0));END MEALY2;ARCHITECTURE behav OF MEALY2ISTYPE states IS(st0,st1,st2,st3,st4);SIGNAL STX:states;SIGNAL Q1:STD_LOGIC_VECTOR(4DOWNTO0);BEGINCOMREG:PROCESS(CLK,RESET)--决定转换状态的进程BEGINIF RESET='1'THEN STX<=ST0;ELSIF CLK'EVENT AND CLK='1'THENCASE STX IS（接下页）WHEN st0=>IF DATAIN='1'THEN STX<=st1;END IF;WHEN st1=>IF DATAIN='0'THEN STX<=st2;END IF;WHEN st2=>IF DATAIN='1'THEN STX<=st3;END IF;WHEN st3=>IF DATAIN='0'THEN STX<=st4;END IF;WHEN st4=>IF DATAIN='1'THEN STX<=st0;END IF;WHEN OTHERS=>STX<=st0;END CASE;END IF;END PROCESS COMREG;COM1:PROCESS(STX,DATAIN,CLK)--输出控制信号的进程VARIABLE Q2:STD_LOGIC_VECTOR(4DOWNTO0);BEGINCASE STX ISWHEN st0=>IF DATAIN='1'THEN Q2:="10000";ELSE Q2:="01010";END IF; WHEN st1=>IF DATAIN='0'THEN Q2:="10111";ELSE Q2:="10100";END IF; WHEN st2=>IF DATAIN='1'THEN Q2:="10101";ELSE Q2:="10011";END IF; WHEN st3=>IF DATAIN='0'THEN Q2:="11011";ELSE Q2:="01001";END IF; WHEN st4=>IF DATAIN='1'THEN Q2:="11101";ELSE Q2:="01101";END IF; WHEN OTHERS=>Q2:="00000";END CASE;IF CLK‘EVENT AND CLK=’1‘THEN Q1<=Q2;END IF;//输出引入触发器END PROCESS COM1;8.3 Mealy型有限状态机设计1.5μs2.0μs 2.5μs3.0μs 3.5μs4.0μs 4.5μs输出引入触发器后的状态机工作时序图FSM信号输出方法⏹由状态编码位经组合译码后输出⏹并行输出寄存器的译码输出⏹状态位里的编码输出⏹一位有效编码方式FSM输出方法1由状态编码位经组合译码后输出delay并行输出寄存器的译码输出⏹状态位里的编码输出❑缩短输出延时❑要求状态位编码与输出信号要求的值相结合EDA 技术Moore1.vhdlibrary ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity moore1 is port(clk, rst: in std_logic;id: in std_logic_vector(3 downto 0);y: out std_logic_vector(1 downto 0));end moore1;architecture archmoore1 of moore1 is type states is (state0, state1, state2, state3, state4);signal state: states;begin moore: process (clk, rst)… …End process --assign state outputs concurrently;y <= "00" when (state=state0) else "10" when (state=state1 or state=state3) else"11";end archmoore1;moore: process (clk, rst) --this process defines the next state only beginif rst='1' thenstate <= state0;elsif (clk'event and clk='1') then case state iswhen state0 =>if id = x"3" thenstate <= state1;else state <= state0;end if;when state1 =>state <= state2;when state2 =>if id = x"7" then state <= state3;elsestate <= state2;end if;when state3 =>if id < x"7" thenstate <= state0;elsif id = x"9" then state <= state4;elsestate <= state3;end if;when state4 =>if id = x"b" then state <= state0;elsestate <= state4;end if;end case;DFFs Output Comb. LogicFeedback Comb. LogicEDA 技术Moore2.vhdlibrary ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity moore2 is port(clk, rst: in std_logic;id: in std_logic_vector(3 downto 0);y: out std_logic_vector(1 downto 0));end moore2;architecture archmoore2 of moore2 issignal state: std_logic_vector(2 downto 0);--State assignment is such that 2 LSBs are outputsconstant state0: std_logic_vector(2 downto 0) := "000";constant state1: std_logic_vector(2 downto 0) := "010";constant state2: std_logic_vector(2 downto 0) := "011";constant state3: std_logic_vector(2 downto 0) := "110";constant state4: std_logic_vector(2 downto 0) := "111";beginmoore: process (clk, rst)…end process;--assign state outputs (equal to state std_logics)y <= state(1 downto 0);end archmoore2;moore: process (clk, rst)beginif rst='1' thenstate <= state0;elsif (clk'event and clk='1') thencase state is when state0 =>if id = x"3" thenstate <= state1;elsestate <= state0;end if;when state1 =>state <= state2;when state2 =>if id = x"7" then state <= state3;else state <= state2;end if;when state3 =>if id < x"7" then state <= state0;elsif id = x"9" then state <= state4;else state <= state3;end if;when state4 =>if id = x"b" thenstate <= state0;elsestate <= state4;end if;when others =>state <= state0;DFFsFeedback Comb. LogicNo output comb.Logic, no race orhazardFSM输出方法4⏹ONE HOT编码⏹使用N位状态寄存器表达具有Ng 状态的FSM，每个状态具有独立的寄存器位。
【 】【游戏中有限状态机FSM的三种实现方法】
【 】【游戏中有限状态机FSM的三种实现方法】有限状态机，英文Finite state machine,简称FSM。
至今在游戏中应用广泛，今天总结性地说说其三种实现方法（注意其中的代码系伪代码，主要为说明思想，并不一定能运行。
）（一）基本概念首先看看比较严格的定义：有限状态机(Finite State Machine)是具有离散输入和输出系统的一种数学模型。
表示有限个状态以及在条件输入下状态之间的转移行为。
具有有限个内部状态，随着信号(条件)的输入，内部状态不断地转移。
通常我们用状态迁移图或状态迁移表来表示：（请看以下示例）图b就是与图a等价的状态迁移表。
系统中可取得的状态＝S1,S2,S3，事件＝t1,t2,t3,t4。
事件t1将引起系统状态S1向状态S3迁移，事件t2将引起系统状态S3向状态S2迁移，等等另外，状态迁移图指明了作为特定事件的结果（状态）。
在状态中包含可能执行的行为。
（二）实现方法下面看看其三种实现方法：1）switch case/if else设计方法2）基于表结构的状态机设计方法3）状态设计模式下面分别说说其思想（主要基于C/C++伪码）：1）switch case/if else设计方法enum StateType{state_RunAway,state_Patrol,state_attack};void Agent::UpdateState(StateType CurrentState){switch(CurrentState) {case state_RunAway:EvadeEnemy();if (Safe()) { ChangeState(state_ Patrol); }break;case state_Patrol:FollowPatrolPath();if (Threatened())if (StrongerThanEnemy()) { ChangeState(state_Attack); }else { ChangeState(state_ RunAway); }break;case state_Attack:if (WeakerThanEnemy()) { ChangeState(state RunAway); } else { BashEnemyOverHead(); }break;}//end switch}这个比较简单，不说鸟2）基于表结构的状态机设计方法/*状态1的动作表*/ACT_TABLE_T state1ActTable[] = {{EVENT1,state1Event1Fun},{EVENT3,state1Event3Fun},};/*状态2的动作表*/ACT_TABLE_T state2ActTable[] = {{EVENT2,state2Event2Fun},};/*状态表*/STATE_TABLE_T FsmTable[] = {{STATE1,state1ActTable},{STATE2,state2ActTable},};/*客户端提供的状态处理函数*/void state1Event1Fun(void* pFsm){FSM_MoveState((FSM_T*)pFsm,STATE2);return;}void state1Event3Fun(void* pFsm){FSM_MoveState((FSM_T*)pFsm,STATE3);return;}void state2Event2Fun(void* pFsm){FSM_MoveState((FSM_T*)pFsm,STATE3);return;}FSM_Regist(&fsm,FsmTable);...可以看出此种方式，可以实现状态机的热更新，因为这些表格是存在数组里面的。
有限状态机的Verilog设计与研究
谢谢观看
end
endcase
end
end
endmodule
该有限状态机使用三个寄存器来存储当前的状态，并在每个时钟周期检查输入 信号和当前状态来确定下一个状态。如果接收到读取信号，它将输出与输入相 同的数据，并在下一个时钟周期回到空闲状态。如果接收到写入信号，它也会 输出与输入相同的数据，并在下一个时钟周期回到空闲状态。该有限状态机的 设计是可综合的，因为它只包含基本的逻辑门和触发器，并且它的输出只依赖 于当前的状态和输入信号。
end else begin state <= STANDBY;
end
end
endcase
end
end
assign led = state;
endmodule
有限状态机的测试
为了确保有限状态机的正确性，需要对Verilog设计的有限状态机进行测试。 以下是测试过程中需要注意的几点：
end else begin state <= IDLE;
end
end
FLASH: begin
if (flash_timeout) begin state <= STANDBY;
end else begin state <= FLASH;
end
end
STANDBY: begin
if (activate) begin state <= FLASH;
有限状态机的Verilog设计与研究
01 引言
目录
02 有限状态机的设计
03 reg [1:0] state;
05
end else begin
04
if (rst) begin
06
fsm有限状态机实验报告
院系：数据科学与计算机学院 移动信息工程专业 姓名：黄 蕊 学号：15352132 班级：1506
日期：2016.11.17~11.30
一、实验目的
1，利用 JK 触发器，设计具备完整功能 74LS197 的模块电路 设计测试系统，能够比较 74LS197 芯片与自行设计的模块电路具备完全相同的功能, 2，利用 JK 触发器，设计具备完整功能 74LS194 的模块电路 设计测试系统，能够比较 74LS194 芯片与自行设计的模块电路具备完全相同的功能 3，通过状态转换图设计同步状态机
二、实验仪器及器件
1.基础器件：74LS73，各种逻辑门 2.拓展器件应用：逻辑分析仪
三、实验原理
1，设计具备完整功能 74LS197 的模块电路 触发器的一个应用是对周期方波的频率进行分频。 当脉冲波形加在一个 JK 触发器的时钟输入时，JK 触发器链接成切换状态（J=K=1），这是 Q 输出就是一个频率为时钟输入频率一般的方波。因此，单个触发器可以用做除 2 芯片。触发 器在每一个触发时钟边沿改变状态，这就产生了一个输出，它的频率变为时钟波形频率的一 半。时钟频率的进一步分频可以通过将触发器的输出用做第二个触发器的时钟输入来实现。 以此类推，用这种方式连接触发器，就可以实现 2^n 分频，其中 n 是触发器的个数。因此， 要实现 74LS197 的十六进制计数功能，就可以通过依次连接 4 个 JK 触发器（其中每个触发 器的 Q 输出作为下一级的时钟输入），且 4 个触发器共用一个清零端。 2，设计具备完整功能 74LS194 的模块电路 74LS194 为移位寄存器。它具有左移、右移，并行送数、保持及清除等五项功能。
CP
J
K
Qn
Qn+1
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begin
state<=B;z=0;
end
else
state<=IDLE;
B:if(x==1)
begin
state<=C;z=0;
end
else
state<=IDLE;
C:if(x==1)
begin
state<=D;z=1;
end
else
state<=IDLE;
D:if(x==1)
实验报告四
有限状态机（FSM）的设计
1、实验目的
1、了解FSM的应用范围和两种类型的不同特点；
2、掌握FSM的电路结构和设计特点。
二．实验内容
设计一个串行数据检测器，连续4个或4个以上的1时输出为1，其他情况下输入情况为0，编写测试模块并给出仿真波形
三、实验步骤
1.程序编程
module ceshi(x,z,clk,rst,clk1);
#500 $stop;
end
ceshi m(x,z,rst,clk1);
Endmodule
3.对应引脚
4仿真结果
input x,clk,rst;
output z;
reg z;
output clk1;
reg clk1;
reg[2:0] state;
reg [27:0] n;
parameter IDLE='d0,A='d1,B='d2,C='d3;
always@(posedge clk)
begin
if (n==24999999)
wire x,z,clk1;
assign x=data[23];
always #10 clk=~clk;
always@(posedge clk)
data={data[22:0],data[23]};
initial
begin clk=0;
rst=1;
#2 rst=0;
#30 rst=1;
data='b1101_1111_0011_0010_1010;
begin
clk1=~clk1;n=0;end
else
n=n+1;
end
always@(posedge clk1)
if(!rst)
begin
state<=IDLE;
end
else
case(state)
IDLE:if(x==1)
begin
state<=Aate<=IDLE;z=0;end
begin
state<=D;z=1;
else
state<=IDLE;
end
default:state<=IDLE;
endcase
endmodule
2.检测程序
`timescale 1ns/1ns
`include "./ceshi.v"
module ceshi_top;
reg clk,rst;
reg[23:0]data;