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第7章状态机及其VHDL设计
内容纲要:有限状态机(FiniteStateMachine,简称FSM)是一类很重要的时序电路
,是好多数字系统的核心部件,也是实时系统设计中的一种数学模型,是一种重要的
、易于建立的、应用比较广泛的、以描述控制特点为主的建模方法,它
可以应用于从系统解析到设计的全部阶段。有限状态机的优点在于简单易用,状态间
的关系清楚直观。建立有限状态机主要有两种方法:“状态转移图”和“状态转移表
”。标准状态机平时可分为Moore和Mealy两各种类。本章主要介绍了基于VHDL
的常有有限状态机的种类、结构、功能及表达方法,重点是如何有效地设计与实现。
学习要求:认识状态机的基本结构、功能和分类,掌握有限状态机的一般设计思路
与方法、状态机编码方案的恰入采用、Moore和Mealy状态机的实质差异及设计实
现。
重点词:状态机(StateMachine),Moore,Mealy,VHDL设计(VHDLDesign)
状态机的基本结构和功能
一般状态机的VHDL设计
状态机的一般组成
状态机的编码方案
摩尔状态机的VHDL设计
米立状态机的VHDL设计
状态机的基本结构和功能
状态机的基本结构以下列图。除了输人信号、输出信号外,状态机还包括一组存放器
记忆状态机的内部状态。状态机存放器的下一个状态及输出,不但同输入信号有关,
而且还与存放器的当前状态有关,状态机可以认为是组合逻辑和存放器逻辑的特别组
合。它包括两个主要部分:即组合逻辑部分和存放器。组合逻辑部分又可分为状态译
码器和输出译码器,状态译码器确定状态机的下一个状态,即确定状态机的激励方程
,输出译码器确定状态机的输出,即确定状态机的输出方程。存放器用于储藏状态机
的内部状态。
输出
输入状态
状态状态
译码存放
器器
图状态机的基本结构
状态机的基本操作有两种:
1.状态机的内部状态变换。
状态机经历一系列状态,下一状态由状态译码器依照当前状态和输入条件决定。
2.产生输出信号序列。
输出信号由输出译码器依照当前状态和输入条件确定。
用输入信号决定下一状态也称为“转移”。除了转移之外,复杂的状态机还拥有重
复和历程功能。从一个状态转移到另一状态称为控拟定序,而决定下一状态所需的
逻辑称为转移函数。
在产生输出的过程中,依照可否使用输入信号可以确定状态机的种类。两种典型的
状态机是米立(Mealy)状态机和摩尔(Moore)状态机。摩尔状态机的输出可是当
前状态的函数,而米立状态机的输出一般是当前状态和输入信号的函数。
对于这两类状态机,控拟定序都取决于当前状态和输入信号。大多数合用的状态机
都是同步的时序电路,由时钟信号触发进行状态的变换。时钟信号同全部的边沿触
发的状态存放器和输出存放器相连,使状态的改变发生在时钟的上升或下降沿。
在数字系统中.那些输出取决于过去的输入和当前的输入的部分都可以作为有限
状态机。有限状态机的全部“历史”都反响在当前状态上。当给FSM一个新的
输入时,它就会产生一个输出。输出由当前状态和输入共同决定,同时FSM也会转
移到下一个新状态,也是随着FSM的当前状态和输入而定。FSM中,其内部状态存
放在存放器中,下一状态的值由状态译码器中的一个组合逻辑——转移函数产生,
状态机的输出由另一个组合逻辑——输出函数产生。
建立有限状态机主要有两种方法:状态转移图(状态图)和状态转移表(状态表)。
它们是等价的,相互之间可以变换。
状态转移图以下列图,图中每个椭圆表示状态机的一个状态,而箭头表示状态之间
的一个变换,引起变换的输入信号及当前输出表示在变换箭头上。
摩尔状态机和米立状态机的表示方法不相同,摩尔状态机的状态译码输出写在状态
圈内,米立状态机的状态译码输出写在箭头旁,以下列图。
状态
输入
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