状态机讲义
状态机图(状态活动)汇总课件
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状态图(航班预订1)
无预定
预定/已预订数+=预订数
部分预定
event 预 定 [ 预 订 数 < 空 位 数 ] event退 订 [ 退 定 数 < 已 预 订 数 ] /
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关闭 关闭
退订/已预订数-=退定数
预定完
预定[无空位]
状态图(航班预订3)
使用复合状态
预定中 退订[已预订人数==0]/已预订数=退定数
action)
Action 可执行的原子计算。 不可中断，其执行时间可忽略不计。
两种特殊动作：
进入动作 (entry action) 进入状态时执行的动作；Entry/ setMode(onTrack)
退出动作 (exit action)
退出状态时执行的动作；Exit /setMode(offTrack)
●例如：在烧水器的状态图中， turnOn 就是一种调用事 件，用来将开关置于“0n” 状态。
触发事件的四种类型
改变事件
● 某个指定属性值为真时，事件得到触发。 ●在对象生命周期内， 一直在计算改变事件中的属性值。
当属性值为真时，事件触发，计算停止 ●例如： when(temperature>100)/alerm()
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。
状态机VHDL讲解
VHDL的结构非常适合编写状态机，而且编写方式不唯一，电路的集成也会随着编写的方式而改变。
状态机的设计主要用到case when 和if else 两种语句。
Case when 用来指定并行的行为，而if then else 用来设计优先度的编码逻辑。
分析状态机有如下特点：1.对于状态的描述一般先声明一个枚举数据类型，语句如下：Type state_type is(idle,tap1,tap2,tap3,tap4)；2.对于存储当前状态的对象一般用是一个信号，即：Signal state: state_type;3.对于状态机的下一个状态的判断一般是通过对时钟上升沿判断的if then else 语句内嵌case when 语句4.对于状态机的输出则可以用一个条件或者选择信号声明语句，或者再用一个case语句来实现信号输出。
状态机分为三大类型：1．Moore状态机：次态=f(现状)，输出=f(现状)，即输出信号是直接由状态寄存器译码得到2．Mealy状态机：次态=f(现状，输入)，输出=f(现状，输入)，即以现时的输入信号结合即将变成次态的现状编码成信号输出。
3．混合型状态机我们用一个序列信号发生器的实例来做练习。
（状态机将在以后的很多实例中加以运用，请掌握其编写方法）序列信号就是一些串行的周期性信号，这些信号在每个循环周期内1和0数码按一定的规则顺序排列。
下面所讲解的序列发生器能够按规定输出8位’0’，’1’序列。
代码如下：逐行解释：10：清零复位信号，高电平复位清零。
12：序列信号输出。
因为是8位的端口，但序列信号是串行的，所以相当于有8路的序列信号，任取一位端口就是一个序列信号输出。
17：用type声明一种枚举类型。
共8中状态，每个状态都对应唯一的一种输出，至于在什么状态输出什么信号则由程序决定。
18：定义一个state类型信号量，其初始的状态为s0。
19-26：用constant定义一些常量，这些常量将作为在不同状态时的输出信号。
第10章 状态机图讲解
初始状态的表示
终止状态 终止状态是对象的最后状态，是一个状态图的终止点。 终止状态只能作为转换的目标，而不能作为转换的源。 终止状态在一个状态图中可以有多个，它用一个套有 一个实心圆的空心圆表示。
终止状态的表示
状态
对象属性值的集合标识了一个对象的状态。表示对象状态的图标由一 个带圆角的矩形表示。它包含个三部分： 名称：给对象所处状态取的名字，名字用一个字符串表示，在一个图 中，名字应该是唯一的。 内部转换：对象响应外部事件所执行的动作。内部转换发生时，不改 变对象的状态，但是，当进入该状态时，可以包含进入动作；当退出 该状态时，可以包含退出动作。我们把内部转换标识在状态框的第二 栏；用一条实线箭头来标识外部转换，外部转换是指一种状态到另一 种状态的转换。 嵌套状态 ：状态图中的状态可以包含两种状态：一种是简单状态， 简单状态不包含其它状态；一种是组合状态，组合状态包含了子状态。 即状态图的某些状态本身也是状态图。
Agenda
• • • • •
状态和状态机 如何阅读状态机图
如何绘制状态机图
状态机图应用说明 本章小结
阅读最简单的状态图
•
最为核心的元素无外乎是两个：一个是用圆角矩形表示 的状态（初态和终态例外）；另一个则是在状态之间的、
包含一些文字描述的有向箭头线，这些箭头线称为转换
Hale Waihona Puke 初始状态 初始状态代表状态图的起始位置，只能作为转换的源， 而不能作为转换的目标。初始状态在一个状态图中只 允许有一个，它用一个实心的圆表示
状态机图
知识图谱
Agenda
• • • • •
状态和状态机 如何阅读状态机图
如何绘制状态机图
状态机图应用说明 本章小结
状态机讲义
Digital System Design12011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of Technology大部分数字系统都可以划分为控制单元和数据单元（存储单元）两个组成部分，通常，控制单元的主体是一个状态机，它接收外部信号以及数据单元产生的状态信息，产生控制信号序列。
Digital System Design22011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of Technology有限状态机特别适合描述那些发生有先后顺序或者有逻辑规律的事情（其实这就是状态机的本质）。
状态机的本质就是对具有逻辑顺序或时序规律事件的一种描述方法，即“逻辑顺序”和“时序规律”就是状态机所要描述的核心和强项，换言之，所有具有逻辑顺序和时序规律的事情都适合用状态机来描述。
Digital System Design32011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of Technology1、基本概念有限状态机（Finite State Machine ，FSM ）是表示实现有限个离散状态及其状态之间的转移等行为动作的数学模型。
（关注Matlab 的Stateflow ）（1）状态：也叫状态变量。
在逻辑设计中，使用状态划分逻辑顺序和时序规律。
状态名称、状态编码、进入/退出操作、内部转移、子状态、延迟事件Digital System Design42011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of Technology（2）转移：指两个状态之间的关系，表示当发生指定事件且满足指定条件时，第一个状态中的对象将执行某些操作并进入第二个状态，即“触发”了转移。
将触发转移之前的状态定义为“源”状态（初始状态），而触发转移之后的状态定义为“目标”状态（次态）。
第八讲 状态机
8.2 设计风格#1
一种结构清晰、易于实现的FSM设计风格： •FSM中的时序逻辑部分和组合逻辑部分分别独立设 计； •定义一个枚举数据类型，内部包含所有FSM需要的 状态；
3
FSM中时序逻辑部分的设计特点：
input output
组合逻辑电路
•确定的输入/输出端口 •典型的模板可供使用
pr_state
组合逻辑电路
pr_state
nx_state
时序逻辑电路 clk rst
•process的敏感信号列表 •完整列出IN/OUT组合
•无边沿赋值，无寄存器生成
设计风格#1的状态机模板
library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; entity <entity_name> is port (input: in <data_type>; reset, clock: in std_logic; output: out <data_type>); end <entity_name>; architecture <arch_name> of <entity_name> is type state is (state0, state1, state2, state3, ...); signal pr_state, nx_state: state; begin ------------lower section--------------两个进程 process (clock, reset) 并发执行 begin if (reset = '1„) then pr_state <= state0; elsif (clock‟event and clock=„1‟) then pr_state <= nx_state; end if; end process; ------------upper section--------------process (input, pr_state) begin case pr_state is when state0=> if (input=...) then output <= <value>; nx_state<=state1; else ....; end if; when state1=> if (input=...) then output <= <value>; nx_state<=state2; else ....; end if; ...... end case; end process; end <arch_name>
状态机(上)
数字起航—状态机零基础电子设计系列课程主讲人：范秋华国家级电工电子实验教学中心（青岛大学）数字启航国家级电工电子实验教学中心4.5.1 状态机（上）⏹引子⏹状态机的概念⏹状态机的要素⏹状态转换图数字启航•引子国家级电工电子实验教学中心编程序，怎么编？画流程图？顺序流程：遵循事先设定的逻辑，从头到尾地执行事件驱动：程序由外部发生的事件来驱动的，程序实际流程是根据人的操作而变化的。
运行到什么地方，不是顺序的，也不是事先设定好的，完全取决于外部的实时操作，而外部的输入比如切水果游戏中有多个位置切，无法由应用程序或程序员来控制，根本不可能画出流程图。
事件驱动的应用程序需用状态机的概念实现。
什么是状态？什么是状态机？游戏的本质也是一个状态机，它接收来自游戏者的信息，改变自身状态，通过画面或声音把新的状态告诉游戏者，游戏者又根据这些画面输入新的信息，如此往复，就成了游戏。
状态就是参数，能够实现状态不断变化的东西叫做状态机。
状态机的本质就是程序。
国家级电工电子实验教学中心数字启航•状态机的概念编程控制接口器件，如液晶显示器、串行接口、显示器等，须要用状态机的概念才能实现。
国家级电工电子实验教学中心数字启航状态机编程快速简单，易于调试，性能高，与人类思维相似从而便于梳理，灵活且容易修改。
数字启航•状态机的基本要素国家级电工电子实验教学中心状态机的基本要素状态机的编程思想：可以在任何给定时间根据输入进行操作，使得系统从一个状态转换到另一个状态，或者是使一个输出或者一种行为发生，一个有限状态机在任何瞬间只能处于一种状态。
即可以用这样的语句表示当系统处于某状态（S1）时，如果发生了什么事情（E），就执行某功能（F1），然后系统变成新状态（S2）描述；如果没发生事情（E），就执行另外功能（F2），系统保持原状态（S1）描述.现态次态当前所处的状态条件又称为“事件”。
当一个条件被满足，将会触发一个动作，或者执行一次状态的迁移。
《VHDL状态机》课件
总结与展望
1 VHDL 状态机对数字电路设计的重要性
VHDL状态机能够将数字电路行为直观地表示出来，提高设计效率。
2 VHDL 状态机在工业自动化控制中的作用
VHDL状态机在自动化控制系统中扮演着重要的角色，提高系统的智能化。
3 VHDL 状态机的发展前景
随着数字电路和自动化技术的不断发展，VHDL状态机将继续发挥重要作用。
《VHDL状态机》PPT课件
VHDL状态机是一种描述数字电路行为的建模语言，本课件将介绍VHDL状态机 的定义、作用以及其在数字电路设计中的重要性。
什么是 VHDL 状态机
定义
VHDL状态机是一种用于描述数字电路中组合逻辑与时序逻辑之间关系的建模方法。
作用
VHDL状态机能够将数字电路行为清晰地表示出来，方便设计者进行分析和调试。
VHDL 状态机的设计方法
1
状态定义
确定所需的状态数量，并为每个状态指定一个唯一的编码。
2
状态转移
根据输入信号和当前状态，定义状态之间的转移条件。
3
输出定义
根据当前状态和输入信号，定义对应的输出信号。
1 VHDL 状态机设计实例
设计一个灯泡控制系统，根据不同输入信号以及当前状态控制灯泡的亮、灭。
VHDL 状态机的调试技巧
VHDL 状态机的基本结构
状态寄存器
用于存储当前状态信息，决 定下一状态的变化。
组合逻辑
根据输入信号和当前状态， 决定下一状态。
输出逻辑
根据当前状态和输入信号， 产生输出信号。
1 VHDL 状态机的两种类型
Moore 状态机：输出只与当前状态有关；Mealy 状态机：输出与当前状态和输入信号有关。
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。
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。
UML讲义10-状态机图
注意：状态本质上就是对象属性的值， 注意：状态本质上就是对象属性的值，状态的变化就是属性 值的变化。 值的笛卡儿积中， 所构成的笛卡儿积中，尽管 每一个元素均可广义地称为 对象的一个状态， 对象的一个状态，但软件开 发者需要认识的是这个笛卡 儿积上的每一个等价集合， 儿积上的每一个等价集合， 即使对象的操作呈现相同行 为规则的属性值的集合。 为规则的属性值的集合。把 每一个等价集 等价集称为对象的一 每一个等价集称为对象的一 种状态。 种状态。
3、时间事件 时间事件是经过一定的时间或者到达某个时间后发生的 时间事件是经过一定的时间或者到达某个时间后发生的 经过一定的时间或者到达某个时间 事件。时间事件使用after标识，其格式为： after标识 事件。时间事件使用after标识，其格式为： after(时间表达式)/动作 after(时间表达式)/动作 时间表达式)/ at(时间表达式)/动作 时间表达式)/ at(时间表达式)/动作
思考：以下动作发生的先后顺序？ 思考：以下动作发生的先后顺序？
第四节 组成状态
简单状态： 简单状态：不内含嵌套状态 状态
组成状态： 组成状态：嵌套了其他状态 子状态： 子状态：被嵌套的状态
简单状态： 简单状态：A 组成状态： 组成状态：B 子状态： 子状态： C D
为什么会出现子状态？ 为什么会出现子状态？
状态
状态
初始状态 终止状态
状态还可以添加活动。活动是在该状态时要执行的动作。 状态还可以添加活动。活动是在该状态时要执行的动作。
活动的格式如下： 活动的格式如下： [Entry|exit|do]/动作 [Entry|exit|do]/动作
活动有三个标准事件（参见P139）： 活动有三个标准事件（参见P139）： P139 entry事件：进入该状态时的特定动作(入口动作) entry事件：进入该状态时的特定动作(入口动作) 事件 exit事件：退出该状态时的特定动作(出口动作) exit事件：退出该状态时的特定动作(出口动作) 事件
第五讲状态机设计及其指导原则全篇
第五讲状态机设计及其指导原则1/ 38第五讲状态机设计及其指导原则1/ 38制作人：梁瑞宇单位：河海大学制作人：梁瑞宇单位：河海大学第五讲状态机设计及其指导原则1 状态机是一种设计思想方法2状态机结构3状态机设计的其他技巧4状态机设计步骤第五讲状态机设计及其指导原则2/ 38第五讲状态机设计及其指导原则2/ 38制作人：梁瑞宇单位：河海大学制作人：梁瑞宇单位：河海大学z 状态机是一种设计思想方法第五讲状态机设计及其指导原则3/ 38第五讲状态机设计及其指导原则3/ 38制作人：梁瑞宇单位：河海大学制作人：梁瑞宇单位：河海大学原语描述module noconditional (clk,nrst,state,event);input clk,nrst input state;output event;reg event;reg [2:0] CS; //CurrentState reg[2:0] NS; //NextStateparameter [2:0] //one hot with zero idleidle = 3’b000,dorm = 3'b001,diningroom = 3'b010,classroom = 3'b100;第五讲状态机设计及其指导原则4/ 38第五讲状态机设计及其指导原则4/ 38制作人：梁瑞宇单位：河海大学制作人：梁瑞宇单位：河海大学//sequential state transitionalways @ (posedge clk or negedge nrst)if (!nrst) CS <= idle; else CS <= NS; //combinational condition judgment always @ (nrst or CS)begincase (CS)idle:idle_task;NS = dorm;dorm:dorm_task;NS = diningroom;diningroom:diningroom_task;NS = classroom;classroom:classroom_task;NS = dorm;default:idle_task;NS = dorm;endcase end endmodule第五讲状态机设计及其指导原则5/ 38第五讲状态机设计及其指导原则5/ 38制作人：梁瑞宇单位：河海大学制作人：梁瑞宇单位：河海大学第五讲状态机设计及其指导原则6/ 38第五讲状态机设计及其指导原则6/ 38制作人：梁瑞宇单位：河海大学制作人：梁瑞宇单位：河海大学 状态机的本质--对具有逻辑顺序或时序规律事件的一种描述方法 状态机的两个应用思路：-从状态变量入手-明确电路的输出的关系第五讲状态机设计及其指导原则7/ 38第五讲状态机设计及其指导原则7/ 38制作人：梁瑞宇单位：河海大学制作人：梁瑞宇单位：河海大学对于逻辑电路而言，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。
第五讲-有限状态机PPT课件
.
18
ARCHITECTURE … IS
TYPE FSM_ST IS (s0, s1, s2, s3);
SIGNAL current_state, next_state : FSM_ST;
….
.
9
2. 主控时序进程
3.
所谓主控时序进程是指负责状态机运转和在时
钟驱动下负责状态转换的进程。状态机是随外部时钟信号，
10201991911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他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nextstate的取向即nextstate的取值内容以及确定对外输出或内部其他组合或时序进程输出控制信号的内容
第五讲
主要内容： 有限状态机
.
3
TYPE m_state IS (st0, st1, st2, st3, st4,st5);
SIGNAL present_state, next_state : m_state;
其中，st0~st5代表六组唯一的二进制数值。综合器在
编码过程中自动将每一枚举元素转变成位矢量，位矢量的
长度根据实际情况决定，这个例子中表达6个状态的位矢量
TYPE st1 IS ARRAY(0 TO 15) OF STD_LOGIC;
TYPE week IS (sun, mon, tue, wed, thu, fri, sat); VHDL中的枚举数据类型是一种特殊的数据类型，
它们是用文字符号来表示一组实际的二进制数。为了更 利于阅读、编译和VHDL综合器的优化，往往将表征每 一状态的二进制数组用文字符号来代表，即所谓状态符 号化。例如：
2014.9状态机讲义
有限状态机设计●有限状态机的概念是一种由状态寄存器和组合逻辑电路按照一定方式组成的、能够根据控制信号按照预先设定的状态进行状态间转移的同步时序逻辑电路模型。
有限状态机模型可用于构建各种同步时序逻辑电路。
●有限状态机的类型及特点根据电路内部组成方式的不同，有三种类型：①MOORE型状态机：状态机的输出信号只是当前状态的函数，与输入信号无关。
输出的变化与当前状态的变化及时钟同步。
②MEALY型状态机：状态机的输出信号是当前状态和输入信号的函数，与输入信号有关。
输出信号的变化不仅随当前状态的改变而改变，而且输入的变化也会立即导致输出信号发生变化。
③带流水线的MEALY型状态机：在MEALY型状态机的输出端加上了一个寄存器,使输出端的信号经寄存后再输出,达到与时钟同步的目的。
输出信号是当前状态和输入信号的函数，且与时钟同步。
三种模型的结构图如下所示：时钟CS NS OLMOORE 型状态机结构图复位MEALY 型状态机结构图时钟复位带流水线的MEALY 型状态机结构图时钟输出寄存器复位有限状态机的功能描述方法状态转换图、状态转换表、流程图例1：一个MOORE 型状态机的状态转换图：时钟和复位信号：reset ，clk输入：in输出：out in=1S0/0S1/1in=1reset=1in=0in=0例2：一个MEALY 型状态机的状态转换图in=1S0S1in=1reset=1in=0in=0in=1/out=1in=0/out=0in=1/out=0in=0/out=1in=0/out=0S0S1in=1/out=0reset=1in=0/out=1in=1/out=1例3：一个带流水线的MEALY 型状态机的状态转换图用硬件描述语言设计有限状态机的步骤：①画状态转换图（表）：确定输入变量、输出变量和状态数，按照命题要求画出状态转换图或状态转换表;②状态化简：合并等价状态;③状态编码：根据状态的个数对状态进行编码;（不需画状态卡诺图及划简状态卡诺图）④用硬件描述语言对状态图（表）进行描述。
状态机
D IN=1
D IN=0
Library ieee; Use ieee.std_logic_1164.all; Entity moore is Port(clock: in std_logic;--系统时钟 Reset: in std_logic;--复位信号 Din: in std_logic; Dout: out std_logic_vector(0 to 2) ); End moore; architecture a of moore is Type state_type is (s0, s1, s2, s3 ); Signal state :state_type; begin Change_state: Process(reset,clock) Begin If reset=’1’ then State<=s0; Elsif (clock’event and clock=‘1’) then Case state is
D IN= 1 （ D O U T= 101 ） S2
D IN= 1 （ D O U T= 011 ）
D IN=0 （ D O U T= 100 ）
• Mealy型:输出不仅取决 于状态还取决于输入
D IN=0 （ D O U T= 000 ）
S0 D IN=0 （ D O U T= 111 ） D IN=1 （ D O U T= 110 ） S3 D IN=1 （ D O U T= 001 ）
• Mealy型:输出不仅取决于状态还取决于输入
D IN=0 （ D O U T= 000 ）
S0 D IN=0 （ D O U T= 111 ） D IN=1 （ D O U T= 110 ） S3 D IN=1 （ D O U T= 001 ）
状态机原理详解
状态机原理详解朱有鹏1.什么是状态机状态机理论最初的发展在数字电路设计领域。
状态机特别适合描述那些有发生有先后顺序，或者有逻辑规律的事情。
状态机的本质就是对具有逻辑顺序或时序规律事件的一种描述方法。
状态机通过响应一系列事件而“运行”。
每个事件都在属于“当前”节点的转移函数的控制范围内，其中函数的范围是节点的一个子集。
函数返回“下一个”（也许是同一个）节点。
这些节点中至少有一个必须是终态。
当到达终态，状态机停止。
1.1、有限状态机(1)常说的状态机是有限状态机FSM。
FSM指的是有有限个状态（一般是一个状态变量的值），这个机器同时能够从外部接收信号和信息输入，机器在接收到外部输入的信号后会综合考虑当前自己的状态和用户输入的信息，然后机器做出动作：跳转到另一个状态。
(2)考虑状态机的关键点：当前状态、外部输入、下一个状态以我们熟悉的水的三态变化为例，已知当前状态和输入条件，下一状态是确定的。
两个不同的状态，即使输入条件相同，下一状态一般不会相同。
1.2、两种状态机：Moore型和Mealy型(1)Moore型状态机特点是：输出只与当前状态有关（与输入信号无关），即可以把Moore型有限状态的输出看成是当前状态的函数。
Moore型状态机相对简单，考虑状态机的下一个状态时只需要考虑它的当前状态就行了。
(2)Mealy型状态机的特点是：输出不只和当前状态有关，还与输入信号有关。
状态机接收到一个输入信号需要跳转到下一个状态时，状态机综合考虑2个条件（当前状态、输入值）后才决定跳转到哪个状态。
下面举一个mealy型状态机的例子，学过数字电路的同学可能比较熟悉。
有这样一个序列检测器电路，功能是：检测出串行输入数据（用Sin表示）中的4位二进制序列0101(自左至右输入)，当检测到该序列时，输出Out=1；没有检测到该序列时，输出Out=0(注意考虑序列重叠的可能性，如010101，相当于出现两个0101序列)。
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Digital System Design大部分数字系统都可以划分为控制单元和数据单元（存储单元）两个组成部分，通常，控制单元的主体是一个状态机，它接收外部信号以及数据单元产生的状态信息，产生控制信号序列。
12011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of TechnologyDigital System Design有限状态机特别适合描述那些发生有先后顺序或者有逻辑规律的事情（其实这就是状态机的本质）。
状态机的本质就是对具有逻辑顺序或时序规律事件的一种描述方法，即“逻辑顺序”和“时序规律”就是状态机所要描述的核心和强项，换言之，所有具有逻辑顺序和时序规律的事情都适合用状态机来描述。
22011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of TechnologyDigital System Design1、基本概念有限状态机（Finite State Machine，FSM）是表示实现有限个离散状态及其状态之间的转移等行为动作的数学模型。
（关注Matlab的Stateflow）（1）状态：也叫状态变量。
在逻辑设计中，使用状态划分逻辑顺序和时序规律。
状态名称、状态编码、进入/退出操作、内部转移、子状态、延迟事件32011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of TechnologyDigital System Design（2）转移：指两个状态之间的关系，表示当发生指定事件且满足指定条件时，第一个状态中的对象将执行某些操作并进入第二个状态，即“触发”了转移。
将触发转移之前的状态定义为“源”状态（初始状态），而触发转移之后的状态定义为“目标”状态（次态）。
初始状态、转移条件、警戒条件、转移操作、目标状态42011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of TechnologyDigital System Design52011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of Technology概括而言，状态机由状态组成，各状态由转移连接在一起。
状态是执行某项活动或等待某个事件的条件。
转移是两个状态之间的关系，它由某个事件触发，然后执行特定的操作或评估并导致特定的结束状态。
状态的图示如下Digital System Design62011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of Technology状态转换图如下图所示。
Digital System Design72011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of Technology状态转换表如表5.1所示。
当前状态转移条件状态A 状态B 条件x …….条件y ….状态A 条件z ….Digital System Design（3）状态机的分类①摩尔型状态机和米勒型状态机。
摩尔型状态机：利用组合逻辑链将当前状态译码转化为输出，其状态只在全局时钟信号改变时才改变。
其最重要的特点就是将输入与输出信号隔离，所以输出稳定，能有效消除竞争冒险。
如无特殊功能设计要求，摩尔状态机是设计首选。
82011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of TechnologyDigital System Design92011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of TechnologyDigital System Design米勒型状态机：其输出与当前状态和输入都有关，且对输入的响应发生在当前时钟周期，比摩尔型状态机对输入信号的响应要早一个周期。
所以输入信号的噪声会直接影响输出信号，即具有竞争冒险且不能消除。
102011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of TechnologyDigital System Design112011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of TechnologyDigital System Design②同步状态机和异步状态机异步状态机的状态转移不由唯一的时钟边沿触发，目前多数综合工具在对异步状态机进行逻辑优化时会胡乱地简化逻辑，使综合后的异步状态机不能正常工作。
因此，应尽量不要使用综合工具来设计异步状态机。
为了能综合出有效的电路，用VerilogHDL描述的状态机应明确地由唯一时钟触发，称之为同步状态机，它是设计复杂时序逻辑电路最有效、最常用的方法之一。
异步状态机实现的功能通常都可以由同步状态机来实现。
122011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of TechnologyDigital System Design③单进程、双进程和多进程状态机一个有限状态机总是可以被分成状态译码、状态寄存器和输出译码三个模块，可以有五种不同的方式将这些模块分配到进程语句，以实现对状态机的描述。
A.三个模块用一个进程实现，也就是说三个模块均在一个always块内，这种状态机描述称为单进程有限状态机，它既描述状态转移，又描述状态的寄存和输出。
132011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of TechnologyDigital System DesignB.每一个模块分别用一个进程实现，也就是说三个模块对应着三个always块，这种状态机描述称为三进程有限状态机，其中一个always模块采用同步时序描述状态转移；另一个模块采用组合逻辑判断状态转移条件，描述状态转移规律；第三个always模块使用同步时序电路描述每个状态的输出。
142011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of TechnologyDigital System DesignC.次态译码、输出译码分配在一个进程中，状态寄存器用另一个进程描述。
D.次态译码、状态寄存器分配在一个进程中，输出译码用另一个进程描述。
E.次态译码用一个进程描述，状态寄存器、输出译码用另一个进程描述。
在后三种状态机描述中，三个模块对应着两个always块，这种状态机描述称为152011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of TechnologyDigital System Design162011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of Technology2、状态机的设计流程Digital System Design3、状态机的编码方式状态机的N种状态通常需要用某种编码来表示，即状态编码，又称为状态分配。
（1）顺序二进制码：最紧密的编码，使用状态向量的位数最少，类似与前述的二进制编码器。
但从一个状态转移到相邻状态时，可能会有多个比特位发生变化，易产生毛刺。
（2）格雷码：在相邻状态的转换中，每次只有一个比特位发生变化，消除了产生毛刺的问题，但不适用于有很多状态跳转的情况。
（3）独热码：指对任意给定的状态，状态向量中仅有一位“1”，而其172011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of TechnologyDigital System Design余为“0”，所以N状态的状态机需要N个触发器。
（4）直接输出型编码：将状态码中的某些位直接输出作为控制信号，要求状态机各状态的编码作特殊的选择，以适应控制信号的要求，该编码需要根据输出变量来定制编码。
独热码是指对任意给定的状态，状态向量中仅有一位为“1”而其余位都为“0”。
（1）独热编码的状态机具有高速的特点。
状态机的速度与其状态的数量无关，仅取决于状态跳转的数量；（2）独热编码方法无须考虑最优状态编码，当修改状态机时，添加的状态编码和原始的编码都具有同等的功能；（3）关键路径很容易被发现，有利于进行准确的静态时序分析；（4）任何状态都可以直接进行添加/删除等修改而不会影响状态机的其余部分；182011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of TechnologyDigital System Design（5）具有设计描述简单易懂和维护便利的特点，更有利于使用FPGA器件完成综合和实现。
192011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of TechnologyDigital System Design其缺点是：（1）当任意状态发生跳转时，与之相关的一位也必发生跳变。
由于状态机的输出是由寄存器生成的，如果变化的状态位越多，产生的毛刺就越多。
（2）可能会有很多的无效状态，应确保状态机一旦进入无效状态时，可以立即跳转到确定的已知状态以避免死锁现象的出现。
202011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of TechnologyDigital System Design212011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of Technology例给定状态机的状态转换图如下，实现的功能是当输入信号A 出现110序列时输出信号Y 为1，否则为0.Digital System Design编码方式表状态顺序编码独热编码直接输出型编码1直接输出型编码2S0000010000001S1010100010010S2101000100100S3。
1001100222011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of TechnologyDigital System Design4状态机容错和设计准则（1）状态机的容错一个完备的状态机（健壮性强）应该具备初始化状态和默认状态。
当芯片加电或者复位后，状态机应能够自动将所有判断条件复位，并进入初始化状态。
另一方面，状态机也应有一个默认状态（default），当转移条件不满足或者状态发生突变时，要能保证逻辑不会陷入“死循环”，即状态机可以自恢复。