《有限状态机》PPT课件

EDA技术实用教程,第8章,有限状态机,什么是状态机？,状态机不仅仅是一种时序电路设计工具，它更是一种思想方法,状态机简介:时序电路的输出(outputs)不仅与周围环境接收到的输入值(inputs)有关，而且与过去的结果（即存储元件中现在的状态）有关。,什么是状态机？,简单一点，通俗一点，就是一组状态，各个状态之间，依据一定的条件，（如输入一个1或者是0）存在一定的转换，（从状态X转换到状态Y）,什么是状态机？,为什么要使用状态机？,控制灵活,结构模式相对简单,性能良好的同步时序逻辑,什么是有限状态机？,FSM（FiniteStateMachine）有限状态机一旦定义，那么它在每一个状态对每一个消息的反应都固定了。无限状态机就是一个给定的储存状态的库，不过可以储存所有你想要的状态。也就是说状态可以改变。,时序进程,组合进程,有限状态机的一般结构,组合逻辑进程,【例8-1】moduleFSM_EXP(clk,reset,state_inputs,comb_outputs);inputclk,reset;input0:1state_inputs;output3:0comb_outputs;reg3:0comb_outputs;parameters0=0,s1=1,s2=2,s3=3,s4=4;reg4:0c_st,next_state;always(posedgeclk,negedgereset)beginif(!reset)c_st=s0;elsec_st=next_state;end,always(c_st,state_inputs)begincase(c_st)s0:begincomb_outputs=5;if(state_inputs=2b00)next_state=s0;elsenext_state=s1;ends1:begincomb_outputs=8;if(state_inputs=2b01)next_state=s1;elsenext_state=s2;ends2:begincomb_outputs=12;if(state_inputs=2b10)next_state=s0;elsenext_state=s3;ends3:begincomb_outputs=14;if(state_inputs=2b11)next_state=s3;elsenext_state=s4;ends4:begincomb_outputs=9;next_state=s0;enddefault:next_state=s0;endcaseendendmodule,定义状态机,时序逻辑进程,由c_state将当前状态值带出此进程，进入COM,输出仅为当前状态的函数,输入发生变化时，必须到下一时钟，输出才发生变化.,MooreFSM,仿真波形,使用Verilog描述状态机需要注意的问题,建议使用case语句来描述状态机模型在有缺省状态时，要写上case语句的最后一个分支：default为状态机设置同步或异步复位,两段式FSM描述方法虽然有很多好处，但是它有一个明显的弱点就是其输出一般使用组合逻辑描述，而组合逻辑易产生毛刺等不稳定因素，并且在FPGA/CPLD等逻辑器件中过多的组合逻辑会影响实现的速率（这点与ASIC设计不同）。所以在两段式FSM描述方法中，如果时序允许插入一个额外的时钟节拍，则尽量在在后级电路对FSM的组合逻辑输出用寄存器寄存一个节拍，则可以有效地消除毛刺。但是很多情况下，设计并不允许额外的节拍插入（Latency），此时，解决之道就是采用3段式FSM描述方法。三段式描述方法与两段式描述方法相比，关键在于使用同步时序逻辑寄存FSM的输出。,一段式描述方法将状态转移判断的组合逻辑和状态寄存器转移的时序逻辑混写在同一个always模块中，不符合将时序和组合逻辑分开描述的CodingStyle（代码风格），而且在描述当前状态时要考虑下个状态的输出，整个代码不清晰，不利于维护修改，并且不利于附加约束，不利于综合器和布局布线器对设计的优化。,两段式写法是推荐的FSM描述方法之一，在此我们仔细讨论一下代码结构。两段式FSM的核心就是：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。,moduleFSM_EXP(clk,reset,state_inputs,comb_outputs);inputclk,reset;input0:1state_inputs;output3:0comb_outputs;reg3:0comb_outputs;parameters0=0,s1=1,s2=2,s3=3,s4=4;reg4:0c_st,next_state;always(posedgeclk,negedgereset)beginif(!reset)c_st=s0;elsec_st=next_state;endalways(c_st,state_inputs)begincase(c_st)s0:begincomb_outputs=5;if(state_inputs=2b00)next_state=s0;elsenext_state=s1;ends1:begincomb_outputs=8;if(state_inputs=2b01)next_state=s1;elsenext_state=s2;ends2:begincomb_outputs=12;if(state_inputs=2b10)next_state=s0;elsenext_state=s3;ends3:begincomb_outputs=14;if(state_inputs=2b11)next_state=s3;elsenext_state=s4;ends4:begincomb_outputs=9;next_state=s0;enddefault:next_state=s0;endcaseendendmodule,moduleFSM_EXP(clk,reset,state_inputs,comb_outputs);inputclk,reset;input0:1state_inputs;output3:0comb_outputs;reg3:0comb_outputs;parameters0=0,s1=1,s2=2,s3=3,s4=4;reg4:0next_state;always(posedgeclk,negedgereset)beginif(!reset)next_state=s0;elsecase(next_state)s0:begincomb_outputs=5;if(state_inputs=2b00)next_state=s0;elsenext_state=s1;ends1:begincomb_outputs=8;if(state_inputs=2b01)next_state=s1;elsenext_state=s2;ends2:begincomb_outputs=12;if(state_inputs=2b10)next_state=s0;elsenext_state=s3;ends3:begincomb_outputs=14;if(state_inputs=2b11)next_state=s3;elsenext_state=s4;ends4:begincomb_outputs=9;next_state=s0;enddefault:next_state=s0;endcaseendendmodule,那么怎样采用三段式描述方法？,有限状态机,MOORE机,MEALY机,MooreFSM,OutputIsaFunctionofaPresentStateOnly,输出仅为当前状态的函数,输入发生变化时，必须到下一时钟，输出才发生变化,Y=FQ,MealyFSM,OutputIsaFunctionofaPresentStateandInputs,输出与当前状态及输入皆有关系,Y=FX,Q,modulemealy1(clk,din1,din2,rst,q);inputclk,din1,din2,rst;output4:0q;reg4:0q;reg4:0pst;parameterst0=0,st1=1,st2=2,st3=3,st4=4;always(posedgeclkorposedgerst)beginif(rst)pst=st0;elsebegincase(pst)st0:if(din1=1b1)pst=st1;elsepst=st0;st1:if(din1=1b1)pst=st2;elsepst=st1;st2:if(din1=1b1)pst=st3;elsepst=st2;st3:if(din1=1b1)pst=st4;elsepst=st3;st4:if(din1=1b0)pst=st0;elsepst=st4;default:pst=st0;endcaseendendalways(pstordin2)begincase(pst)st0:if(din2=1b1)q=5h10;elseq=5h0a;st1:if(din2=1b0)q=5h17;elseq=5h14;st2:if(din2=1b1)q=5h15;elseq=5h13;st3:if(din2=1b0)q=5h1b;elseq=5h09;st4:if(din2=1b1)q=5h1d;elseq=5h0d;default:q=5h0;endcaseendendmodule,当输入信号或状态发生变化，输出信号即刻发生变化。,modulemealy2(clk,din1,din2,rst,q);inputclk,din1,din2,rst;output4:0q;reg4:0q;reg4:0pst;parameterst0=0,st1=1,st2=2,st3=3,st4=4;always(posedgeclkorposedgerst)beginif(rst)pst=st0;elsebegincase(pst)st0:beginbeginif(din2=1b1)q=5h10;elseq=5h0a;endbeginif(din1=1b1)pst=st1;elsepst=st0;endendst1:beginbeginif(din2=1b0)q=5h17;elseq=5h14;endbeginif(din1=1b1)pst=st2;elsepst=st1;endendst2:beginbeginif(din2=1b1)q=5h15;elseq=5h13;endbeginif(din1=1b1)pst=st3;elsepst=st2;endendst3:beginbeginif(din2=1b1)q=5h1b;elseq=5h09;endbeginif(din1=1b1)pst=st4;elsepst=st3;endendst4:beginbeginif(din2=1b1)q=5h1d;elseq=5h0d;endbeginif(din1=1b1)pst=st0;elsepst=st4;endenddefault:beginpst=st0;q=5h0;endendcaseendendendmodule,modulemealy1(clk,din1,din2,rst,q);inputclk,din1,din2,rst;output4:0q;reg4:0q;reg4:0pst;parameterst0=0,st1=1,st2=2,st3=3,st4=4;always(posedgeclkorposedgerst)beginif(rst)pst=st0;elsebegincase(pst)st0:if(din1=1b1)pst=st1;elsepst=st0;st1:if(din1=1b1)pst=st2;elsepst=st1;st2:if(din1=1b1)pst=st3;elsepst=st2;st3:if(din1=1b1)pst=st4;elsepst=st3;st4:if(din1=1b0)pst=st0;elsepst=st4;default:pst=st0;endcaseendendalways(pstordin2)begincase(pst)st0:if(din2=1b1)q=5h10;elseq=5h0a;st1:if(din2=1b0)q=5h17;elseq=5h14;st2:if(din2=1b1)q=5h15;elseq=5h13;st3:if(din2=1b0)q=5h1b;elseq=5h09;st4:if(din2=1b1)q=5h1d;elseq=5h0d;default:q=5h0;endcaseendendmodule,例位于十字路口的交通灯，在A方向和B方向各有红、黄、绿三盏灯，每10秒变换一次。变换顺序如下表：,实验5简易交通灯设计,交通灯的全部状态及输出：,S0010100,S1001100,S3100001,S2100010,modulejtd(clk,rst,out);inputclk,rst;output5:0out;parameters0=0,s1=1,s2=2,s3=3;reg5:0c_state,next_state,out;always(posedgeclk,posedgerst)beginif(rst)c_state=s0;elsec_state=next_state;endalways(c_state)begincase(c_state)s0:beginnext_state=s1;out=6b010100;ends1:beginnext_state=s2;out=6b0011