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。

四．实验内容

（一）练习一

采用状态机moore机，110 检测状态图如下：设s0 为初始状态，s1 为检测到一个‘1’的状态，s2 为检测到连续两个‘1’的状态，s3 为检测到连续的‘110’状态。

图1-3 110序列检测器的状态转换图

假设监测器的输入、输出信号规定如下：

输入信号：复位reset,时钟clk，被测序列in；

输出信号：指示信号flag，‘1’表示测到110 序列，‘0’表示测到非110 序列。当前状态state，‘00’、‘01’、‘10’、‘11’分别表示三种状态s0、s1、s2、s3。

用Verilog HDL实现的代码如图1-4所示。

图1-4 110序列检测器代码实现

该程序用两个always过程描述，一个过程用来描述现态和次态时序逻辑，另一个过程描述输出逻辑。将程序用综合器生成，可以直观地观察到生成的状态图和状态表。

图1-5 110序列检测器状态机视图

图1-6 110序列检测器状态表

下面设计测试模块。为了方便观察仿真结果，将当前状态satate设为输出信号，编写testbench代码如下，

图1-7 110序列检测器testbench代码

使用ModelSim软件得到仿真结果如图1-8所示，

图1-8 110序列仿真效果图

可以发现，ModelSim仿真结果与实验要求的状态转换情况相符，也与用Quartus II生成的State Machine Viewer状态相同。在每次时钟上升沿到来时连续输入110，将输出一个高电平。

（二）练习二

设计一台饮料自动售卖机，要求如下：

图1-9

所有饮料价格均为30美分，投币值大于30美分时可以找零，有5美分和10美分找零币值。设定售卖机的输入、输出信号规定如下：

输入信号：Q（投入25美分硬币）、D（投入10美分硬币）、N（投入5美分硬币）；

输出信号：DC（分配一瓶饮料）、DD（找零10美分）、DN（找零5美分）。GOT_5c、GOT_10c、GOT_15c、GOT_20c、GOT_25c、GOT_30c、GOT_35c、GOT_40c、GOT_45c、RETURN_50c表示投入的各种可能币值，RETURN_20c、RETURN_15c、RETURN_10c、RETURN_5c表示可能需要找零的币值。因此该售卖机共有14个状态。用Verilog HDL实现的代码如下。

图1-10-1

图1-10-2 图1-10-3

在Quartus II生成的状态机视图和状态表分别如下图所示。

图1-11 售货机状态机视图

图1-12 售货机状态表

设计测试模块，为方便观察结果，将state改为输出信号，编写testbench 代码如下。

图1-13 售卖机testbench代码

使用ModelSim软件得到仿真结果如图1-14所示，与实验要求的状态转换次序一致。

图1-14 售卖机仿真效果图

五．实验结果

实验验证结果与预期设想一致，具体如以上实验内容所示。

六．实验的收获与问题分析

1.在集成电路实验课中学会了使用Quartus II软件，学会了Verilog HDL 硬件语言的基本知识，了解了更多的关于EDA技术、FPGA器件和Verilog HDL 硬件描述语言的知识。

2.由于实验课每周只有一次，每次仅下午3个小时，在实验课上不能完成所有验证与设计实验，因此自己下载安装了Quartus II和ModelSim软件，借来了芯片型号为EP4CE6F17C8的FPGA板子，完成了剩余的硬件电路测试实验。

3.实验中还发现并解决了一些问题。