状态机
状态机
状态机简介状态机简写为FSM(Finite State Machine),主要分为2大类:第一类,若输出只和状态有关而与输入无关,则称为Moore状态机:第二类,输出不仅和状态有关而且和输入有关系,则称为Melay状态机。
要特别注意的是,因为Melay状态机和输入有关,输出会受到输入的干扰,所以可能会产生毛刺(Gitch)现象,使用时应当注意。
事实上现在市面上有很多EDA工具可以很方便的将采用状态图的描述转换成可以综合的VHDL程序代码。
Moore状态机其Moore状态图如图1所示。
S0/0S1/1S3/0S2/100110011其中S0/0所代表的意思为现在是状态S0且输出为0,状态图最主要是将每个状态都给予一个编号,详细描述如下:1)在某状态时,列出所有的输出条件。
2)在某状态时,当输入信号是什么则会跳至哪一个状态。
3)在某状态时,当输入信号是什么则会维持原状态不变。
可以将图1的Moore状态机写成状态表如表1.表1 Moore状态表状态表主要描述它与状态图的关系,再设计状态机电路是,需要先定义状态机的变量,定义状态机的变量时使用枚举类型来定义,如下范例所示:Type State is (S0,S1,S2,S3)接下来,状态会被加以编码。
其状态编码方式如下:(1)时序编码(Sequential)将每个状态以二进制来做编码。
(2)格雷码 (Gray)也是将四个State以二进制来编码,不过不同的是每次编码只会差一个位,其主要缺点是状态改变是要依序改变才可以,若状态不是依序是,则Gray编码不适用。
(3)独热码(One hot)独热码状态编码的特色为每一个状态均有自己的触发器,所以若有N个状态就也存在有N个触发器,在任一时刻只会有一组状态编码,缺点是会产生较大的电路,但是相对的使用独热码状态编码对帧错相当有帮助。
三种格式之状态编码如表2所示。
有了以上的初步观念,可以设计图1四个状态的Moore状态机。
状态机、状态模式
状态机、状态模式什么是状态机?有限状态机,英⽂翻译是 Finite State Machine,缩写为 FSM,简称为状态机。
状态机有 3 个组成部分:状态(State)、事件(Event)、动作(Action)。
其中,事件也称为转移条件(Transition Condition)。
事件触发状态的转移及动作的执⾏。
不过,动作不是必须的,也可能只转移状态,不执⾏任何动作。
实现状态机的⽅法有多种,⽐较常⽤的有分⽀逻辑法、查表法、状态模式。
我们以⼀个简单的 CD 播放器为例⼦。
这个例⼦⾥⾯只有状态、事件,不包含动作简单CD播放器的按键与按键的功能按键功能[Play/Pause]播放/暂停[Stop]停⽌状态迁移图:状态机实现⽅式⼀:分⽀逻辑法它的核⼼思想是根据状态迁移图,要么先确定状态、要么先确定事件,直译代码。
⽅法分析:对于简单状态机,该法是可以接受的。
但是,对于复杂的状态机,这种实现极易漏写或错写某个状态转移;代码中充斥⼤量if-else或switch-case 分⽀判断逻辑,可读性和可维护性差。
如下就是先确定事件,然后再在事件内根据状态进⾏状态转移。
1 typedef enum {2 ST_IDLE,3 ST_PLAY,4 ST_PAUSE5 } State;67 typedef enum {8 EV_PLAY_PAUSE,9 EV_STOP10 } Event;1112 State state;1314// 初始化15void initialize() {16 state = ST_IDLE;17 }1819// play or pause20void playOrPause() {21if (state == ST_IDLE) {22 state = ST_PLAY;23 } else if (state == ST_PLAY) {24 state = ST_PAUSE;25 } else if (state == ST_PAUSE) {26 state = ST_PLAY;27 }28 }2930// stop31void stop() {32if (state == ST_PLAY || state == ST_PAUSE) {33 state = ST_IDLE;34 }35 }3637// 事件响应38void onEvent(Event ev) {39switch (ev) {40case EV_PLAY_PAUSE:41 playOrPause();42break;43case EV_STOP:44 stop();45break;46default:47break;48 }49 }状态机实现⽅法⼆:查表法状态机除了⽤状态转移图表⽰外,还可以⽤⼆维表表⽰。
状态机的应用场景
状态机的应用场景1. 自动化控制系统自动化控制系统是现代工业中非常常见的应用场景。
在这些系统中,状态机可以被用来描述系统的运行状态,以及控制系统在状态之间的转移。
例如,在工厂生产线中,一个状态机可以用来描述产品在生产过程中的不同阶段,以及产品在这些阶段之间的转移规则。
通过使用状态机,工程师可以更加清晰地了解系统的行为,方便系统的调试和维护。
2. 编程语言解析器在编程语言解析中,状态机也有着重要的应用。
通过将编程语言的语法规则表示为状态机的形式,可以实现对程序代码的分析和解析。
例如,词法分析器和语法分析器通常使用有限状态机来构建,以便将程序代码分解成语法单元并进行语法分析。
状态机的这种应用可以帮助编程语言解析器更加高效和准确地分析程序代码,提高编程语言开发的效率。
3. 通信协议通信协议是网络通信中非常重要的一部分。
状态机可以被用来描述通信协议在不同状态下的行为,并定义状态之间的转移规则。
通过使用状态机,网络通信系统可以更加清晰地了解通信协议的工作原理,从而更容易地实现通信协议的正确性和稳定性。
状态机在通信协议中的应用有助于提高通信系统的可靠性和性能。
4. 游戏开发在游戏开发中,状态机常常被用来描述游戏中的不同状态和角色之间的转移规则。
例如,在角色扮演游戏中,状态机可以用来描述角色在不同状态下的行为,并定义状态之间的转移规则。
通过使用状态机,游戏开发者可以更好地管理游戏中的复杂逻辑关系,提高游戏的可玩性和趣味性。
状态机在游戏开发中的应用有助于开发者更加灵活地设计游戏,并快速响应玩家的操作。
5. 智能系统在人工智能领域,状态机也有着广泛的应用。
通过将智能系统的行为表示为状态机模型,可以帮助智能系统更好地理解环境和做出合适的决策。
例如,在自动驾驶汽车中,状态机可以用来描述汽车在不同交通情况下的行为,并定义汽车在这些情况下的转移规则。
通过使用状态机,自动驾驶汽车可以更加准确地理解道路情况,避免交通事故,提高行驶的安全性和效率。
《状态机程序设计》课件
02
状态机的实现方式
状态机的编程语言实现
编程语言选择
根据应用场景和需求,选择适合的编 程语言来实现状态机。常见的编程语 言如C、C、Java等都可以用来实现 状态机。
编程语言实现方法
使用条件语句(如if-else语句)或 switch语句来描述状态转移逻辑。可 以使用枚举类型或常量来定义状态, 使用变量来存储当前状态。
状态机的图形化工具实现
图形化工具介绍
使用图形化工具可以方便地设计状态 机,减少编程的工作量。常见的图形 化工具如Stateflow、Simulink等。
图形化工具实现方法
在图形化工具中,可以通过拖拽状态 和转移来构建状态机。通常图形化工 具会提供丰富的状态机元素和功能, 如状态转换、事件触发等。
状态机的硬件实现
03
状态转换明确
状态转换应具有明确的触发条件和执行动作。在状态机中,从一个状态
转换到另一个状态时,应清晰地定义转换条件、输入和输出以及相应的
处理逻辑。
状态机的设计技巧
使用子状态
当一个状态的内部行为复杂时,可以考虑将其拆分为子状态。 子状态可以进一步细化和描述该状态的内部行为和逻辑。
使用分层状态机
当一个系统具有多个层级或多个子系统时,可以考虑使用分层状 态机。上层状态机可以控制下层状态机的行为,而下层状态机负
案例三:交通信号控制系统的状态机设计
总结词
复杂、多因素控制
详细描述
交通信号控制系统涉及多个信号灯的状态转 换,如红、黄、绿等。通过状态机的设计, 可以实现对交通信号的精确控制,确保交通 流畅、安全。同时,需要考虑多种因素,如 车流量、行人流量等,以实现最优的状态转 换策略。
05
状态机设计的常见问 题与解决方案
pqfactory状态机定义
pqfactory状态机定义
PQFactory状态机是一种用于描述系统状态转换的模型,通常用于电力系统的分析、设计和控制。
在这种模型中,系统的状态由一系列的“状态”组成,每个状态对应于系统的一种特定运行条件。
状态之间的转换称为“事件”,事件的发生会导致系统状态的改变。
具体来说,PQFactory状态机定义了以下几个关键元素:
1. 状态(State):表示系统的一种特定运行条件,例如电力系统的电压、
频率、功率等参数的稳定状态。
2. 事件(Event):表示导致系统状态改变的条件或触发器,例如负荷的突
然变化、电源故障等。
3. 动作(Action):表示在事件发生后系统应采取的响应或操作,例如自动控制装置的动作、保护装置的启动等。
通过定义状态、事件和动作,PQFactory状态机能够准确地描述电力系统的动态行为和响应,为电力系统的分析和设计提供了重要的工具和手段。
LabVIEW状态机
LabVIEW 状态机一、什么是状态机状态机(State Machine)是软件编程的一个重要概念。
在一个灵活且思路清晰的程序中,必然有状态机的身影。
状态机理论最初的发展在数字电路设计领域。
在数字电路方面,根据输出是否与输入信号有关,状态机可以划分为Mealy型和Moore型状态机;根据输出是否与输入信号同步,状态机可以划分为异步和同步状态机。
而在软件设计领域,状态机设计的理论俨然已经自成一体。
Moore型状态机的输出只和当前状态有关,和输入无关,如果在软件设计领域设计出这种类型的状态机,则该状态机接受的事件都是无内蕴信息的事件(输入)。
Mealy型状态机的输入是由当前状态和输入共同决定,对应到软件设计领域,则该状态机接收的事件含有内蕴信息,并且影响状态机的输出。
显然,这种划分在软件设计领域毫无意义。
虽然软件设计领域的状态机也有同步和异步的划分,但和数字电路方面的同步异步已经不同。
软件设计领域中通用状态机的输入不是字符集,而是被称作事件的结构(可以是结构体,也可以是类对象),并且特定的状态下,针对发生的事件,不仅发生状态改变,而且产生动作。
二、状态机举例键盘解析程序,比如程序本位于状态A,如果触发按键1,则转至状态B,如果触发按键2,则转至状态C或者调回A。
再如,实际通信例子,下位机采集信号,上位机控制走向,开始状态初始化,如果按下按钮采集,则进入采集界面,采集中达到一定数据或者时间,则转至数据计算界面,计算之后进入停止或者再次采集,这就是一套状态机。
三、状态机的要素状态机可归纳为4个要素,即现态、条件、动作、次态。
这样的归纳,主要是出于对状态机的内在因果关系的考虑。
“现态”和“条件”是因,“动作”和“次态”是果。
详解如下:现态:是指当前所处的状态。
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。
动作:条件满足后执行的动作。
动作执行完毕后,可以迁移到新的状态,也可以仍旧保持原状态。
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。
第八讲 状态机
所需寄存器个数: 用于存储两个状态编码。 所需寄存器个数 1个,用于存储两个状态编码。
10
设计风格#2 8.3 设计风格#2
在很多应用中(如波形整齐、流水线技术等), 在很多应用中(如波形整齐、流水线技术等), 需要同步的寄存器输出, 需要同步的寄存器输出,即需先使用寄存器存储起 然后在时钟边沿时才进行更新,如图b 来,然后在时钟边沿时才进行更新,如图b:
1
8.1 引言
•状态机的组成:如图。 状态机的组成:如图。 状态机的组成
input 组合逻辑电路 output
•状态机的种类: 状态机的种类: 状态机的种类 Mealy型 当前状态、 Mealy型:当前状态、当前输入相关 Moore型 Moore型:仅当前状态相关
pr_state
nx_state
•VHDL代码结构: VHDL代码结构: VHDL代码结构 时序逻辑部分:process内部 时序逻辑部分:process内部
•标准的设计 标准的设计
表现为位宽
•寄存器数目少:默认的编码方式下,log2n 寄存器数目少:默认的编码方式下, 寄存器数目少
4
FSM中组合逻辑部分的设计特点: 的设计特点 FSM中组合逻辑部分的设计特点:
input 组合逻辑电路 output
•并发代码、顺序代码皆可; 并发代码、顺序代码皆可; 并发代码 •顺序代码方式的设计模板 顺序代码方式的设计模板
8
所需寄存器个数: 上限[log 所需寄存器个数 上限[log210]=4
简单的FSM#1 例8.2 简单的FSM#1 功能描述:
d=1 a b FSM c d=1 clk rst rst x d=0 stateA (x=a) state代码实现:
状态机的基本概念
状态机的基本概念==========状态机,又称为有限状态机(Finite State Machine, FSM),是一种用来描述系统行为的数学模型。
它由一组状态组成,每个状态可以接收一组事件并转换到另一个状态。
状态机在计算机科学、电子工程、自动化等领域都有广泛的应用。
1. 状态定义-------状态是状态机的基本组成部分,代表系统的一个特定状态。
每个状态都有一个唯一的名称,并且可以有一个或多个子状态。
状态可以看作是系统在某一时刻的行为表现。
2. 事件触发-------事件是触发状态转移的条件。
当一个事件被触发时,状态机会从当前状态转换到下一个状态。
事件可以是外部的(例如用户输入、定时器溢出等)或内部的(例如系统内部变量的改变)。
3. 状态转移-------状态转移是状态机的主要行为。
当一个事件被触发时,状态机会从当前状态转换到下一个状态。
状态转移可以是有条件的,也可以是无条件的。
状态转移的定义包括源状态、目标状态和触发事件。
4. 状态条件-------状态条件是决定状态转移的条件。
它通常是一个布尔表达式,当满足条件时,状态机会从当前状态转换到下一个状态。
状态条件可以包含系统内部变量的值、外部输入等。
5. 动作执行-------动作是在状态转移过程中要执行的操作。
它可以是一个函数调用、修改内部变量、输出信息等。
动作是与源状态和目标状态相关联的,它会在状态转移时被执行。
6. 循环控制-------循环控制是指状态机在执行过程中如何处理重复事件。
循环控制机制可以用来实现定时器、计数器等功能。
循环控制可以在状态机内部设置一个计数器,当计数器达到设定值时,状态机会从当前状态转换到下一个状态。
状态机分层 c语言
状态机分层什么是状态机?状态机是一种数学模型,用于描述系统的行为。
它由一组状态、转移条件和动作组成。
状态表示系统所处的情况,转移条件表示状态之间的关系,动作表示状态转移时执行的操作。
在计算机科学中,状态机被广泛应用于软件开发和硬件设计中。
它能够清晰地描述系统的行为,帮助开发人员更好地理解和实现系统逻辑。
C语言中的状态机在C语言中,我们可以使用条件语句和循环语句来实现状态机。
通过不同的条件判断和循环控制,我们可以实现不同状态之间的转移和动作的执行。
C语言中的状态机通常使用switch语句来实现。
switch语句根据表达式的值,选择执行与之匹配的case语句,从而实现不同状态之间的转移和动作的执行。
以下是一个简单的示例,展示了如何使用C语言实现一个简单的状态机:#include <stdio.h>enum State {STATE_A,STATE_B,STATE_C};int main() {enum State currentState = STATE_A;while (1) {switch (currentState) {case STATE_A:printf("In State A\n");// 执行状态A的动作currentState = STATE_B; // 状态转移break;case STATE_B:printf("In State B\n");// 执行状态B的动作currentState = STATE_C; // 状态转移break;case STATE_C:printf("In State C\n");// 执行状态C的动作currentState = STATE_A; // 状态转移break;default:printf("Invalid state\n");break;}}return 0;}在上面的示例中,我们定义了一个枚举类型State,表示状态机的不同状态。
(8)状态机全
input clk,rst_n, in;
output out;
reg out;
reg[1:0] current_state,next_state;//状态寄存器
parameter s0=2'b00,s1=2'b01,s2=2'b10,s3=2'b11;
//状态编码
clk rst_n
in
out
识别110序列
//当状态为S2时,如果输入为1, 状态变为S2, 否则状态为s3; 输出值与输入有关,如果输入为1, 则输出0,否则输出1。
s3:begin state<=(in==1)?s1:s0;out<=0;end
endcase
endmodule
不建议用此种方法
// pluse_check 3.v:
module pluse_check(clk,rst_n,in,out);
// pluse_check 1.v第一种方法:
module pluse_check (in,clk,rst_n,out);
input in,clk,rst_n;
output out;
reg out;
reg [1:0]state; //存储状态的寄存器
parameter s0=0,s1=1,s2=2,s3=3; //各个状态编码
endcase
0/0
endmodule
1/0
S0
0/0
S1
1/0
0/0 1/0
S3
0/1 S2 1/0
关于状态机的“思考”
1.起始状态: 2.状态图化简: 3.状态编码: 4.剩余状态与容错技术
1.起始状态
在设计状态机时,需要让状态机在复位过 后进入一个确定的起始状态,然后从该起始状态 开始工作。我们应该根据事务处理流程,合理安 排分配成不同的状态,便于进行状态跳转表的设 计及描述。
状态机的实现原理
状态机的实现原理什么是状态机状态机(State Machine)是一种数学模型,用于描述对象在不同状态之间的转移和行为。
它由一组状态(States)、一组事件(Events)和一组转移规则(Transitions)构成。
在计算机科学领域,状态机广泛应用于软件开发、自动化控制和通信协议等领域。
它可以帮助我们建立起清晰而有序的状态转移模型,从而更好地理解和设计复杂系统。
状态机的基本组成在状态机中,我们关注的是对象在不同状态之间的转移和行为。
以下是状态机的基本组成部分:1.状态(States): 状态是对象所处的条件或形态,可以是具体的值,也可以是抽象的概念。
例如,一个电梯的状态可以是”停止”、“运行”、“故障”等。
2.事件(Events): 事件是导致状态转移的触发条件或信号。
例如,电梯接收到”开门”、“关门”、“楼层到达”等事件时,会触发相应的状态转移。
3.转移规则(Transitions): 转移规则定义了对象在不同状态之间的转移条件和行为。
它描述了如果某个事件发生时,对象应该从当前状态转移到哪个新状态。
状态机的分类根据状态机的特性和应用场景,我们可以将其分为以下几种常见的类型:1.有限状态机(Finite State Machine,FSM): 有限状态机是最基本、最常见的一种状态机。
它具有有限个状态和确定性的转移规则。
有限状态机可以用于描述离散事件系统,例如协议解析、业务流程等。
2.带输出的状态机(Moore Machine): 带输出的状态机是在每个状态上定义输出行为的状态机。
它可以在每个状态上产生输出,也可以不产生任何输出。
3.带输入输出的状态机(Mealy Machine): 带输入输出的状态机不仅在每个状态上定义输出,还在每个状态上定义输入条件。
它可以根据输入条件产生输出和状态转移。
状态机的实现原理状态机的实现原理主要包括两个方面:状态转移和事件驱动。
状态转移状态转移是指对象在接收到某个事件时,从当前状态切换到新的状态。
编程思想 总结 状态机
编程思想总结状态机状态机(State Machine)是一种常见的编程思想,它将程序的运行过程分解为一系列离散的状态,并定义了状态之间的转换条件。
状态机的核心思想是在不同的状态下执行不同的操作,根据输入或者事件将程序的状态从一个状态转换为另一个状态。
状态机通常包含以下几个要素:1. 状态(State):程序运行时所处的特定状态。
每个状态都有固定的行为和特性。
2. 事件(Event):触发状态转换的输入或者条件。
当某个事件发生时,状态机将根据当前状态以及事件的类型执行相应的动作。
3. 转换条件(Transition):决定状态机从一个状态转换到另一个状态的条件。
当满足转换条件时,状态机将执行相应的状态转换操作。
4. 动作(Action):状态转换时执行的操作或者行为。
动作可以是一段代码逻辑,也可以是调用其他函数或者方法。
根据状态机的特点和应用场景,可以将状态机分为以下几种类型:1. 简单状态机(Simple State Machine):也称为有限状态机,只有有限个状态和转换条件。
每次只在一个状态之间转换,不涉及并发和并行操作。
2. 层次状态机(Hierarchical State Machine):状态之间可以存在层次关系,一个状态可以包含多个子状态。
状态之间的转换可能涉及到多层次的状态切换。
3. 并发状态机(Concurrent State Machine):多个状态之间可以并行执行,相互之间没有依赖关系。
每个状态可能独立地进行状态转换。
状态机的优点有:1. 结构清晰:将复杂的程序逻辑分解成多个离散的状态,易于理解和维护。
2. 灵活性强:可以根据实际需求定义不同的状态和状态转换条件,适应不同的应用场景。
3. 可扩展性好:可以随时添加新的状态或者修改已有的状态转换条件,不影响其他部分的代码。
4. 并发执行:并发状态机可以实现多个状态的并行执行,提高程序的处理效率和响应速度。
状态机的缺点有:1. 复杂度高:状态机需要定义多个状态和状态转换条件,可能会增加代码的复杂度和工作量。
状态机
推荐的状态机描述方法 状态机描述时关键是要描述清楚前面提到的几个状态机的要素,即如何进行状态转 移;每个状态的输出是什么;状态转移是否和输入条件相关等。具体描述时方法各 种各样,有的设计者习惯将整个状态机写到 1 个 always 模块里面,在该模块中即 描述状态转移,又描述状态的输入和输出,这种写法一般被称为一段式 FSM 描述 方法;还有一种写法是将用 2 个always 模块,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, 这种写法被称为两段式 FSM 描述方法;还有一种写法是在两段式描述方法基础上 发展出来的,这种写法使用 3 个 always 模块,一个 always模块采用同步时序描 述状态转移;第二个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,这种写法称为三段式写法。
reg [3:0] NS,CS; parameter [3:0] //one hot with zero initial IDLE = 3’b0000, S1 = 3’b0001, S2 = 3’b0010, S3 = 3’b0100, ERROR = 3’b1000;
· always 在 FSM设计中有 3 种 always 的使用方法,第 1 种用法是根据主时钟沿, 完成同步时序的状态迁移。 例:某状态机从当前状态 CS 迁移到下一个状态 NS 可以如下表述: //sequential state transition always @ (posedge clk or negedge nrst) if (!nrst) CS <= IDLE; else CS <=NS; always 的第 2 种用法是根据信号敏感表,完成组合逻辑的输出。 always 的第 3 种用法是根据时钟沿,完成同步时序逻辑的输出。 · case/endcase case/endcase 是 FSM描述中最重要的语法关键字,这里我们要详细讨论一 下。case/endcase 的基本语法结构如下: case (case_expression)
状态机
状态机是CPU的控制核心,用于产生一系列的控制信号,启动和停止某些部件。
CPU何时进行读指令来读写I/Q端口及RAM区等操作,都是由状态机控制的。
状态机的当前状态,由state记录,state的值就是当前这个指令周期中已经过说我时钟数(从零记起)。
指令周期是由8个时钟周期组成,每个时钟周期都有要完成固定的操作,即:(1)第0个时钟,CPU状态控制器的输出rd和load_ir为高电平,其余为低电平。
指令寄存器寄存由ROM送来的高8位指令代码。
(2)第1个时钟,与上一时钟相比只是inc_ir由0变为1;故PC 增1,ROM送来低8位指令代码,指令寄存器寄存该八位代码。
(3)第2个时钟,空操作。
(4)第3个时钟,PC增1,指向下一条指令。
若操作符为HLT,则输出信号HLT为高。
如果操作符不为HLT,除了PC增1外(指向下一条指令),其他各控制线输出为零。
(5)第4个时钟,若操作符为AND,ADD,XOR或LDA,读相应地址的数据:若为JMP,将目的地址送给程序计数器;若为STO,输出累加器数据。
(6)第5个时钟,若操作符为ANND,ADD或XORR,算术运算器就进行相应的运算;若为LDA,就把数据通过算术运算器送给累加器;若为SKZ,先判断累加器的值是否为0,如果为0,PC就增1,否则保持原值;若为JMP,锁存目的地址;若为STO,将数据写入地址处。
(7)第6个时钟,空操作。
第7个时钟,若操作符为SKZ且累加器值为0,则PC值再增1,跳过一条指令,否则PC无变化。
RISC_CPU的指令格式一律为:它的指令操作仅由八条指令组成。
1.HLT:停机操作。
该操作将空一个指令周期,即8个时钟周期。
2.SKZ:为零跳过下一条语句。
该操作先判断当前alu中的结果是否为零,若是零就跳过下一条语句,否组继续执行。
3.ADD相加:该操作将累加器中的值与地址所指的存储器或端口的数据相加,结果仍送回累加器。
4.AND相与:该操作符将累加器的值与地址所指的存储器或端口的数据相与,结果仍送回累加器中。
状态机 数据结构
状态机数据结构状态机是一种用于描述系统状态和状态之间转换关系的数学模型。
它在计算机科学和工程领域有着广泛的应用。
本文将介绍状态机的基本概念、应用场景以及一些常用的状态机数据结构。
一、基本概念状态机是由一组状态和一组状态转换规则组成的。
状态表示系统的某种特定情况或条件,而状态转换规则描述了系统在不同状态下的行为。
状态机可以分为有限状态机(FSM)和无限状态机(ISM)两种类型。
1. 有限状态机(FSM)有限状态机是指状态的数量是有限的。
它包含一个初始状态和一组终止状态,以及一组状态转换规则。
当系统执行某个操作或接收到某个输入时,根据当前状态和输入,状态机会根据事先定义好的转换规则进行状态的转换。
2. 无限状态机(ISM)无限状态机是指状态的数量是无限的。
它通常用于描述具有连续状态的系统,如物理系统或网络协议等。
无限状态机通常通过微分方程或差分方程来描述状态之间的转换关系。
二、应用场景状态机在计算机科学和工程领域有着广泛的应用。
下面是一些常见的应用场景:1. 系统建模和设计:状态机可以帮助开发人员对系统行为和状态进行建模和设计。
它可以帮助开发人员更好地理解和分析系统的行为,并提供指导性的设计原则。
2. 编译器和解释器:状态机可以用于编译器和解释器中的词法分析和语法分析阶段。
通过定义适当的状态和状态转换规则,可以有效地分析和识别输入的代码片段。
3. 协议分析和验证:状态机可以用于描述和验证网络协议的行为。
通过定义协议的状态和状态转换规则,可以分析和验证协议的正确性和安全性。
4. 控制系统和自动化:状态机可以用于描述和控制各种自动化系统,如工业控制系统、机器人控制系统等。
通过定义系统的状态和状态转换规则,可以实现对系统行为的控制和调度。
三、常用的状态机数据结构在实际应用中,为了方便描述和实现状态机,常常使用一些特定的数据结构来表示状态和状态转换规则。
下面是一些常用的状态机数据结构:1. 状态表:状态表是一个二维表格,其中每一行表示一个状态,每一列表示一个输入。
EDA-第7讲-状态机的设计(选讲)全
TYPE BOOLEAN IS (FALSE,TRUE) ;
TYPE my_logic IS ( '1' ,'Z' ,'U' ,'0' ) ; SIGNAL s1 : my_logic ; s1 <= 'Z' ;
状态机的设计举例
例子:设计一个二进制序列检测器,当检测 到10110序列时,就输出1(一个时钟周期的脉 冲)。其他情况下输出0。
确定下一状态(next_state)的取值,确定输出或产生内
部其它组合进程或时序进程所需的控制信号。
4.辅助进程 配合时序进程或组合进程工作的数据锁存器等进程。
用户自定义数据类型定义语句
TYPE语句用法如下:
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 ;
S1 = 11, S3 = 01, S4 = 10。
Next_value
+/-1
Present_value
Q(n+1)
Regs
Clk
Q(n) 译
码
DataOut Z(n)
Din = 1
S0/0 Din = 0
Din = 1 Din = 0 Din = 0
Din = 0 S3/0
S2/1 Din = 1
以下列出了两种不同的定义方式:
TYPE st1 IS ARRAY ( 0 TO 15 ) OF STD_LOGIC ;
TYPE week IS (sun,mon,tue,wed,thu,fri,sat) ;
TYPE m_state IS ( st0,st1,st2,st3,st4,st5 ) ; SIGNAL present_state,next_state : m_state ;
简要说明状态机的分类,以及状态机的表达方式
简要说明状态机的分类,以及状态机的表达方式状态机是一种抽象的数学模型,用于描述在不同状态下的行为和
转换,常用于计算机科学中控制流程和状态转换的场景。
状态机的分类:
1、有限状态机(Finite State Machine,FSM):是指状态的数
量是有限的,并且每个状态都有明确的转移条件和转移方向的状态机。
FSM通常用状态图或状态表来表示,常用于字符串匹配、语法分析等领域。
2、无限状态机(Infinite State Machine,ISM):是指状态的
数量是无限的,没有明确的转移条件和转移方向的状态机。
ISM通常用状态空间图或状态空间表达式来表示,常用于电路设计、控制系统等领域。
状态机的表达方式:
1、状态图(State Diagram):是一种用于描述状态和状态之间
转移的图形表示方法,通常由状态节点和转移边组成。
状态图可以用于描述有限状态机的行为。
2、状态表(State Table):是一种用于描述状态和转移条件的
表格表示方法,通常由状态、输入、输出和转移条件组成。
状态表可以用于描述有限状态机的行为。
3、状态空间图(State-Space Diagram):是一种用于描述状态空间中状态和状态之间转移的图形表示方法,通常由状态节点和转移边组成。
状态空间图可以用于描述无限状态机的行为。
4、状态空间表达式(State-Space Expression):是一种用于描述状态空间中状态和转移条件的数学表达式,通常由状态变量、输入变量、输出变量和转移方程组成。
状态空间表达式可以用于描述无限状态机的行为。
C语言中的状态机实现
C语言中的状态机实现引言:状态机是一种常见的编程技术,广泛应用于许多领域,包括嵌入式系统、通信协议等。
在C语言中,我们可以通过编写状态机来实现复杂的逻辑控制和状态转换。
本文将介绍C语言中状态机的实现方法,以及一些实例案例,帮助读者更好地理解和应用状态机。
一、什么是状态机?状态机,又称有限状态自动机(Finite State Machine,FSM),是一种数学模型,用于描述系统的所有可能状态以及在不同状态下的行为。
状态机由一组状态、初始状态、状态转移条件和状态转移动作组成,通过不断地改变当前状态和响应输入条件来实现对系统的控制。
二、C语言中的状态机实现方法在C语言中,我们可以使用多种方式实现状态机,包括基于if-else语句的状态机、基于switch-case语句的状态机以及使用函数指针表的状态机。
下面将分别介绍这些方法。
1. 基于if-else语句的状态机实现基于if-else语句的状态机是最简单的实现方式。
我们可以使用一个整型变量来表示当前状态,然后使用一系列的if-else语句来判断当前状态,并执行相应的操作。
下面是一个简单的示例代码:```c#include <stdio.h>// 定义状态#define STATE_IDLE 0#define STATE_WORKING 1#define STATE_FINISHED 2int main() {int currentState = STATE_IDLE;while (1) {// 根据当前状态执行相应操作if (currentState == STATE_IDLE) {printf("当前状态:空闲\n");// 执行空闲状态下的操作} else if (currentState == STATE_WORKING) { printf("当前状态:工作中\n");// 执行工作中状态下的操作} else if (currentState == STATE_FINISHED) { printf("当前状态:已完成\n");// 执行已完成状态下的操作}// 状态转移条件// ...// 更新当前状态// ...}return 0;}```2. 基于switch-case语句的状态机实现基于switch-case语句的状态机是常见的实现方式。
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可综合状态机设计状态机在某种程度上可以称是一种时序电路,如前面的触发器、计数器等,都可以看成是功能固定的状态机。
在状态机中常使用以状态图及状态表描述的方式,然后根据这个状态图去设计符合要求的电路。
本章将介绍状态机、状态的编码方式及状态机的设计范例。
状态机简介状态机简写为FSM(Finite State Machine),主要分为2大类:第一类,若输出只和状态有关而与输入无关,则称为Moore状态机:第二类,输出不仅和状态有关而且和输入有关系,则称为Melay状态机。
要特别注意的是,因为Melay状态机和输入有关,输出会受到输入的干扰,所以可能会产生毛刺(Gitch)现象,使用时应当注意。
事实上现在市面上有很多EDA工具可以很方便的将采用状态图的描述转换成可以综合的VHDL程序代码。
Moore状态机其Moore状态图如图1所示。
其中S0/0所代表的意思为现在是状态S0且输出为0,状态图最主要是将每个状态都给予一个编号,详细描述如下:1)在某状态时,列出所有的输出条件。
2)在某状态时,当输入信号是什么则会跳至哪一个状态。
3)在某状态时,当输入信号是什么则会维持原状态不变。
可以将图1的Moore状态机写成状态表如表1.表1 Moore状态表变量,定义状态机的变量时使用枚举类型来定义,如下范例所示:Type State is (S0,S1,S2,S3)接下来,状态会被加以编码。
其状态编码方式如下:(1)时序编码(Sequential)将每个状态以二进制来做编码。
(2)格雷码(Gray)也是将四个State以二进制来编码,不过不同的是每次编码只会差一个位,其主要缺点是状态改变是要依据改变才可以,若状态不是依序是,则Gray编码不适用。
(3)独热码(One hot)独热码状态编码的特色为每一个状态均有自己的触发器,所以若有N个状态就也存在有N个触发器,在任一时刻只会有一组状态编码,缺点是会产生较大的电路,但是相对的使用独热码状态编码对帧错相当有帮助。
三种格式之状态编码如表2所示。
作为编码方式则编码位增加至四个位,所以电路比其他两种编码方式都大一些。
所以可以使用属性来定义编码方式,若要编码成独热码编码,则可加上:Type State is (S0,S1,S2,S3);Attribute encoding of state;Type is “0001 0010 0100 1000”;在设计状态机时,通常使用进程语句来描述状态机,其中进程语句又可以分为三种方式:⏹一个进程利用一个进程来描述状态的转换及输出信号的定义。
⏹两个进程一个为时序电路主要负责状态变量的更新,此进程为同步电路,而另一个进程语句主要是描述下次态变量和输出的更新。
⏹三个进程第一个进程主要负责状态变量的更新,第二个进程语句负责描述次态变量,而最后一个则是负责输出信号的更新。
有了以上的初步观念,可以设计图1四个状态的Moore状态机。
范例首先根据之前的状态表编写VHDL程序如下所示:Library ieee;Use ieee.std_logic_1164.all;Use ieee.numeric_std.all;Entity moore_fsm isPort(clk : in std_logic;rstn : in std_logic;x : in std_logic;output : out std_logic);End moore_fsm;Architecture rtl of moore_fsm isType state is (s0,s1,s2,s3); ---状态定义Signal current_state : state; ---现态Signal next_state : state; ---次态BeginStatefsm: process(rstn, x, current_state)BeginIf rstn = …0‟ then --异步resetnext_state <= s0;output <= …0‟;elsecase current_state iswhen s0 =>if x =‟0‟ thennext_state <= s0;elsenext_state <= s1;end if;output <= …0‟;when s1 =>if x =‟0‟ thennext_state <= s1;elsenext_state <= s2;end if;output <= …1‟;when s2 =>if x =‟0‟ thennext_state <= s3;elsenext_state <= s0;end if;output <= …0‟;when s3 =>if x =‟0‟ thennext_state <= s0;elsenext_state <= s3;end if;output <= …0‟;end case;end if;end process statefsm;stat: process(clk) --current_state next_state beginif rising_edge (clk) thencurrent_state <=next_state;end if;end process stat;end rtl;1)编码方式预设为时序编码2)使用两个进程语句来设计状态机其综合电路如图2 所示。
其状态图如图3 所示。
Moore FSM 模拟波形如图4 所示。
模拟结果说明:(1) 由于reset 为异步reset ,所以当reset 在150ns~200ns 为0时,则状态图会从s1回到s0.(2) 在50 ns 时输入x 为0且现态为1,在70 ns 时clk 上升沿触发且x 为1,则current_state会变成next_state s2;Melay 状态机接下来我们要介绍Melay 状态机,它和输入、输出、状态皆有关。
它的状态图、状态表与Moore 状态机都有说不同,输出会随输入变化而变化。
如图5 所示。
图5若现态为s0输入为0时,则次态为s0且输出为0;若现态为s0输入为1时,则次态为s1且输出为1。
其Melay 状态机的VHDL 如下所示: Library ieee;Use ieee.std_logic_1164.all;Use ieee.numeric_std.all;Entity melay_fsm isPort(clk: : in std_logic;rstn : in std_logic;x : in std_logic;output : out std_logic);End moore_fsm;Architecture rtl of moore_fsm isType state is (s0,s1,s2,s3); ---状态定义Signal current_state : state; ---现态Signal next_state : state; ---次态BeginStatefsm: process(rstn, x, current_state) BeginIf rstn = …0‟ then --异步resetnext_state <= s0;output <= …0‟;elsecase current_state iswhen s0 =>if x =‟0‟ thennext_state <= s0;elsenext_state <= s1;end if;if x= …0‟ thenoutput <= …0‟;elseoutput <= …1‟;end if;when s1 =>if x =‟0‟ thennext_state <= s2;elsenext_state <= s1;end if;if x= …0‟ thenoutput <= …1‟;elseoutput <= …0‟;end if;when s2 =>if x =‟0‟ thennext_state <= s3;elsenext_state <= s0;end if;if x= …0‟ thenoutput <= …0‟;elseoutput <= …1‟;end if;when s3 =>if x =‟0‟ thennext_state <= s0;elsenext_state <= s3;end if;if x= …0‟ thenoutput <= …1‟;elseoutput <= …0‟;end if;end case;end if;end process statefsm;stat: process(clk) --current_state next_state beginif prsing_edge (clk) thencurrent_state <=next_state;end if;end process stat;end rtl;Melay状态机综合电路如图6 所示。
Verilog三段式状态机描述时序电路的状态是一个状态变量集合,这些状态变量在任意时刻的值都包含了为确定电路的未来行为而必需考虑的所有历史信息。
状态机采用VerilogHDL语言编码,建议分为三个always段完成。
三段式建模描述FSM的状态机输出时,只需指定case敏感表为次态寄存器,然后直接在每个次态的case分支中描述该状态的输出即可,不用考虑状态转移条件。
三段式描述方法虽然代码结构复杂了一些,但是换来的优势是:使FSM做到了同步寄存器输出,消除了组合逻辑输出的不稳定与毛刺的隐患,而且更利于时序路径分组,一般来说在FPGA/CPLD等可编程逻辑器件上的综合与布局布线效果更佳。
示列如下://第一个进程,同步时序always模块,格式化描述次态寄存器迁移到现态寄存器always @ (posedge clk or negedge rst_n) //异步复位if(!rst_n)current_state <= IDLE;elsecurrent_state <= next_state; //注意,使用的是非阻塞赋值//第二个进程,组合逻辑always模块,描述状态转移条件判断always @ (current_state) //电平触发beginnext_state = x; //要初始化,使得系统复位后能进入正确的状态case(current_state)S1: if(...)next_state = S2; //阻塞赋值...endcaseend//第三个进程,同步时序always模块,格式化描述次态寄存器输出always @ (posedge clk or negedge rst_n)...//初始化case(next_state)S1:out1 <= 1'b1; //注意是非阻塞逻辑S2:out2 <= 1'b1;default:... //default的作用是免除综合工具综合出锁存器endcaseend两段式有限状态机与三段式有限状态机的区别FSM将时序部分(状态转移部分)和组合部分(判断状态转移条件和产生输出)分开,写为两个always语句,即为两段式有限状态机。