基于VHDL的有限状态机设计

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编码状态机仿真图
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从仿真结果可以看出， 采用编码状态机的设计方法， 可以克服符号状态机综合后存在的不可靠问题 % 当进入无效状态时， 系统可以在下一个周期时恢复到正常状态， 即具有自启动功能 % 这样的状态机才会保 持稳定， 具有很好的可靠性 %
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［$］潘松， 黄继业 ! %&’ 技术实用教程 ［(］ 科学出版社， ! 北京： "))" ! ［(］ *’+ ,-./， 01’+2 34567! ’8894:;<4-.= -> %&’ ?7:@.-9-/6 ! A7B4./：,:47.:7 *C7==， "))" !（ 4. D@4.7=7） ［"］黄正谨， 徐坚， 章小丽， 等 ! D*E& 系统设计技术入门与应用 ［(］ 电子工业出版社， ! 北京： "))" ! — — 2I4J4./ ;.J ’8894:;<4-.= ［ (］ 01’+2 F@7./5B4.， G1 34;.， F0’+2 G4;-594，7< ;9! D*E& ,6=<7H &7=4/.— ! A74B4./：*IK94=@4./ 0-I=7 -> %97:<C-.4:= L.JI=<C6，"))" !（ 4. D@4.7=7） ［M］李广军， 孟宪元 ! 可编程 ’,LD 设计及应用 ［(］ 电子科技大学出版社， ! 成都： "))) ! ［ (］ EL 2I;./5BI.， (%+2 G4;.56I;.! *C-/C;HH;K97 ’,LD &7=4/. ;.J ’8894:;<4-.= ! D@7./JI： 1.4N7C=4<6 -> %97:<C-.4: ,:47.:7 ;.J "))" !（ 4. D@4.7=7） ?7:@.-9-/6 *C7==， ［O］潘松， 王国栋 ! P0&E 实用教程 ［(］ 电子科技大学出版社， ! 成都： "))" ! ［(］ *’+ ,-./， Q’+2 2I-5J-./! *C-/C;HH;K97 ’,LD J7=4/. ;.J ’8894:;<4-.= ! D@7./JI： 1.4N7C=4<6 -> %97:<C-.4: ,:47.:7 ;.J ?7:@5 .-9-/6 *C7==， "))" !（ 4. D@4.7=7） ［R］$)ST L%%%， ［ ,］ ,<;.J;CJ P0&E E;./I;/7 U7>7C7.:7 (;.I;9 !
第 +! 卷 第 ! 期 #""/ 年 ! 月
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结束语
使用 6789 设计的有限状态机并不总是稳定可靠的 % 当有限状态机的状态个数是 F 的乘幂时， 且采
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用的编码方式是二进制编码或格雷码编码时， 有限状态机是稳定可靠的 ! 若有限状态机的状态个数不是 " 的乘幂， 且采用符号状态机， 或是状态机的状态个数是 " 的乘幂， 而采用的是独热码编码方式时， 状态机就 不是稳定可靠的 ! 所以， 当设计有限状态机时， 如果状态数 ! 与所使用的状态寄存器数 " 满足 ! # " " 的 关系， 则既可以采用符号状态机， 也可以采用编码状态机 ! 若不满足此关系式， 则应采用编码状态机的方 法来设计， 这样才能保证所设计的有限状态机的稳定与可靠 ! 参考文献：
收稿日期：#""+2"-2"- ( 作者简介：宋泽明 （!3-4 1 ） ， 男， 黑龙江宝清人， 硕士 (
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!77L 年
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符号状态机的设计 通常的有限状态机设计中， 使用 ! 个进程来描述状态机， 一个进程描述组合逻辑， 另一个进程描述时
序逻辑 " 在本设计中为了突出显示状态的转换， 只使用描述组合逻辑的进程， 并把当前状态 #$%&%’ 作为输 入， 次态 ($%&%’ 作为输出， 以便于仿真观察 " 而省略了时序逻辑进程 " 其源代码简写如下： )*+,&,- *’’’； .$’ *’’’ " $%/ )01*# 2234 " &))； 5&#6&1’ 561 *$ ； %-5’ $%&%’ *$（ $%7， $%2， $%!， $%8， $%4） ’(/ 561； )*+,&,- *’’’； .$’ *’’’ " $%/ )01*# 2234 " &))； .$’ 90,6 " 561 " &))； ’(%*%- :$; *$ （ 50,% ：*( $%/ )01*# <’#%0, （2 /09(%0 7） ； #$%&%’ ：*( $%&%’； ($%&%’ ：0.% $%&%’； *(5.% （! /09(%0 7） ） ； 0.%5.% ：0.% $%/ )01*# <’#%0, ’(/ :$;； &,#=*%’#%.,’ +’=&< 0: :$; *$ +’1*( （ #$%&%’， 5,0#’$$ *(5.%） +’1*( #&$’ #$%&%’ *$ 9=’( $%7 > ? “777” ； 0.%5.% @ > “77”%=’( ($%&%’ @ > $%7； *: *(5.% > ’)$’ ($%&%’ @ > $%2； ’(/ *:； …… 9=’( $%4 > ? “277” ； 0.%5.% @ > “77”%=’( ($%&%’ @ > $%4； *: *(5.% > ’)$’ ($%&%’ @ > $%7； ’(/ *:； 9=’( 0%=’,$ > ? “222” ； 0.%5.% @ > ($%&%’ @ > $%7； ’(/ #&$’； ’(/ 5,0#’$$； ’(/ +’=&<； 使用 A-(5)*:- 进行综合， 目标器件选择 B)%’,)& 公司的 CDEF27G27， A-(5)*:- 默认其编码方式为独热码， 综合后采用 HBF I JDKA!进行仿真， 仿真结果如图 2 所示 "
有限状态机 567 （ 89:9;< =;>;< ?>@A9:<） 及其设计技术是实用数字系统设计中实现高效率高可靠逻辑控 制的重要途径 ( 用 $%’& 语言可以设计不同表达方式和不同实用功能的状态机， 都有相对固定语句和程 序表达方式， 只要把握了这些固定的语句表达部分， 就能根据实际需要写出各种不同风格的 $%&’ 状态
［!］ 绘制状态表、 化简次态方程等， 而利用 $%&’ 可以 机 ( 传统的状态机设计方法需进行繁琐的状态分配、
避免这些繁琐的过程， 直接利用状态转移图进行状态机的描述， 所有的状态均可表达为 B.6C D%CE 结 构中的一条 B.6C 语句， 而状态的转移则通过 F5 )%CE C’6C 语句实现 ( 此外， 与 $%&’ 的其它描述方式 相比， 状态机的 $%&’ 表述丰富多样， 程序层次分明， 结构清晰， 易读易懂； 在排错、 修改和模块移植方面也
第!期
宋泽明等：基于 6789 的有限状态机设计
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符号状态机仿真图
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［:， ;］ 从图 ! 的仿真结果可以看出， 使用 6789 语言设计的符号状态机， 在使用综合工具进行综合时， 综
合器会删除掉那些未定义的状态， 进而使生成的电路得到优化 % 有时这种优化并不可靠 % 例如： 电路上电 时进入一种无效状态， 或者由于工作环境的影响使得电路进入到一种不期望的工作状态， 那么电路就有可 能不能恢复到正常的工作状态 % 从传统的设计状态机方法的角度来看， 就是电路不具有自启动功能 % 即 该状态机具有不稳定性 % !"! 编码状态机的设计 为便于比较， 仍采用独热码编码方式编码， 对上述源程序包集合 <=> 改动如下： +#)5.5’ #///； 3,/ #/// % ,-4 +*$#0 !!?: % .++； @.0A.$/ @A$ #, （: 4*C2-* D） ； ,3)-’@/ ,-.-/ #, ,-4 +*$#0 B/0-*5 “DDDD!” ； 0*2,-.2- ,-D ： ,-.-/ ： E “DDD!D” ； 0*2,-.2- ,-! ： ,-.-/ ： E “DD!DD” ； 0*2,-.2- ,-F ： ,-.-/ ： E “D!DDD” ； 0*2,-.2- ,-G ： ,-.-/ ： E “!DDDD” ； 0*2,-.2- ,-: ： ,-.-/ ： E /24 @A$； 经 &’2@+#H’ 综合， 目标器件仍选择 I+-/5+. 公司的 "9JK!D=!D， 再采用 LIK M <9N&! 进行仿真， 仿真结 果如图 F 所示 %
［+］ 态的状态寄存器值 其对于状态的编码方式有如下常用的 + 种方式： ( 而不论哪种状态机， ! 二进制编 即相临两个状态的编码只有一位不同， 如 =;! G ""， 码， 如 =;! G ""， =;# G "!， =;+ G !"， =;0 G !! ( "格雷码编码，
仅与之对应的一个寄存器有效， 如 =;! G """!， =;# G "!， =;+ G !!， =;0 G !" ( #独热码编码 ( 即在每个状态中， 但形成的组合 =;# G ""!"， =;+ G "!""， =;0 G !""" ( 前 # 种编码方式是使用最小数目的触发器来编码状态机， 逻辑比较复杂， 适合应用在 B*’& 器件中 ( 第 + 种编码， 使用的触发器较多， 可减少实现状态机的组合逻辑 会出现很多未使用 数目， 减少复杂性， 提高系统的速度， 适合于在 5*H. 器件中应用 ( 使用独热码编码时， 的状态， 而使用二进制编码和格雷码编码时， 如果状态机的状态数不是 # 的乘幂时， 也会出现未使用状态 ( 且在符号状态机中， 采用何种编码方式与所用综合器及目标器件有关 ( 而编码状态机中的编码方式则可 在对符号状态机和编码状态机进行综合时有不同的处理方法 ( 下 由设计者指定 ( 所以对于未使用状态， 面通过一个简单状态机的设计来说明综合这 # 种状态机的未使用状态的处理方法 (
基于 !"#$ 的有限状态机设计
宋泽明，陈文楷
（北京工业大学 电子信息与控制工程学院，北京 !"""##）
摘
说明使用 $%&’ 语言设计出稳定、 可靠的有限状态机的方法是有效的 要：通过 # 种状态机的设计方法比较，
和实用的 ( 由于两者对状态寄存器值的不同处理方法， 使得状态机在采用不同编码方法时可靠性出现差异 ( 针 对此问题提出的状态机设计方法很好的解决了这个问题， 保证采用常用编码方法进行状态机编码时， 不管采用 何种状态机的设计方法， 状态机都会处于稳定、 可靠状态 ( 关键词：有限状态机；$%&’；编码；独热码 中图分类号：)* +"#,文献标识码：. 文章编号："#/0 1 ""+（#""/） "! 1 ""#! 1 "0
［!， #］ 有其独到的特点 (
%
有限状态机的编码
有限状态机是可编程逻辑电路实现的最常用的手段之一， 在各种数字电路应用中， 特别是控制器中被
广泛应用 ( 有限状态机的实现有许多综合或编码方法， 一种是符号状态机， 它不参考存储在状态寄存器中 对应不同状态的值， 把这些值的解释留给软件去做， 它能够给出正采用的结构或正产生的状态机最有效的 尺寸 ( 另一种是编码状态机， 它要求定义和符号状态机相同的信息， 除此之外， 还要求设计者定义每个状