可编程逻辑器件（EDA）：第7章 VHDL有限状态机设计-ST

1、EDAEDA技术实用教程技术实用教程第第7 7章章 VHDL有限状态机设计有限状态机设计 17.1 VHDL7.1 VHDL状态机的一般形式状态机的一般形式 7.1.1 为什么要使用为什么要使用状态机状态机 （1）高效的顺序控制模型）高效的顺序控制模型（2）容易利用现成的）容易利用现成的EDA优化工具优化工具（3）性能稳定性能稳定（避免竞争冒险）（避免竞争冒险）（4）设计实现效率高）设计实现效率高（5）高速性能高速性能（时钟周期）（时钟周期）（6）高可靠性能）高可靠性能27.1 VHDL7.1 VHDL状态机的一般形式状态机的一般形式 7.1.2 一般有限状态机的结构一般有限状态机的结构 1.

2、 说明部分说明部分说明部分中使用说明部分中使用TYPE语句（枚举数据类型）定义新的数据类型语句（枚举数据类型）定义新的数据类型枚举元素通常使用状态机的状态名来定义枚举元素通常使用状态机的状态名来定义状态变量（现态和次态）应定义为信号状态变量（现态和次态）应定义为信号状态变量的数据类型定义为新定义的枚举数据类型状态变量的数据类型定义为新定义的枚举数据类型3一般的有限状态机结构包括说明部分、主控时序进程、主控组合一般的有限状态机结构包括说明部分、主控时序进程、主控组合进程、辅助进程等进程、辅助进程等结构体结构体/说明语句说明语句6.4 LPM 6.4 LPM 随机存储器的设置和调用随机存储器的设置

3、和调用 6.4.5 数据类型定义语句数据类型定义语句 枚举型数据类型定义枚举型数据类型定义 47.1 VHDL7.1 VHDL状态机的一般形式状态机的一般形式 7.1.2 一般有限状态机的结构一般有限状态机的结构 2. 主控时序进程主控时序进程 主控时序进程是负责状态机运行和状态转换（时钟驱动）的过程主控时序进程是负责状态机运行和状态转换（时钟驱动）的过程状态机中必须包括一个对工作时钟信号敏感的进程状态机中必须包括一个对工作时钟信号敏感的进程状态机随外部时钟信号，以同步时序方式工作状态机随外部时钟信号，以同步时序方式工作状态机向下一个状态转换的实现仅取决于时钟信号状态机向下一个状态转换的实现仅

4、取决于时钟信号主控时序进程只是负责将次态信号主控时序进程只是负责将次态信号next_state内容送入现态信号内容送入现态信号current_state中，不负责内容的具体形式中，不负责内容的具体形式主控时序进程主控时序进程 = 时钟驱动的状态机驱动源时钟驱动的状态机驱动源57.1 VHDL7.1 VHDL状态机的一般形式状态机的一般形式 7.1.2 一般有限状态机的结构一般有限状态机的结构 3. 主控组合进程主控组合进程 主控组合进程主控组合进程也称为状态译码进程，其主要任务是也称为状态译码进程，其主要任务是根据输入的控制信根据输入的控制信号和当前状态的状态值来确定下一状态取值及对外输出内容

5、号和当前状态的状态值来确定下一状态取值及对外输出内容状态机的输入控制信号包括来自状态机外部的信号和来自状态机内状态机的输入控制信号包括来自状态机外部的信号和来自状态机内部其他非主控的组合或时序进程信号部其他非主控的组合或时序进程信号4. 辅助进程：用于配合状态机工作的组合进程或时序进程辅助进程：用于配合状态机工作的组合进程或时序进程 67.1 VHDL7.1 VHDL状态机的一般形式状态机的一般形式 7.1.2 一般有限状态机的结构一般有限状态机的结构 主控组合进程（主控组合进程（COM）：根据输入的控制信号和当前状态的）：根据输入的控制信号和当前状态的状态值来确定下一状态取值及对外输出内容状

6、态值来确定下一状态取值及对外输出内容7主控时序进程（主控时序进程（REG）只是负责将次态信号）只是负责将次态信号next_state内容内容送入现态信号送入现态信号current_state中，不负责内容的具体形式中，不负责内容的具体形式7.1 VHDL7.1 VHDL状态机的一般形式状态机的一般形式 87.1.2 一般有限状态机的结构一般有限状态机的结构 双进程状态机示例：双进程状态机示例：7.1 VHDL7.1 VHDL状态机的一般形式状态机的一般形式 97.1 VHDL7.1 VHDL状态机的一般形式状态机的一般形式 7.1.2 一般有限状态机的结构一般有限状态机的结构 107.1 VH

7、DL7.1 VHDL状态机的一般形式状态机的一般形式 7.1.3 状态机设计初始控制与表述状态机设计初始控制与表述 （1）打开）打开“状态机萃取状态机萃取”开关开关 （2）状态图观察）状态图观察 综合器将确认输入设计是否为状态机并加以优化综合器将确认输入设计是否为状态机并加以优化Quartus II Tools Netlist Viewers State Machine Viewer117.2 Moore7.2 Moore型有限状态机的设计型有限状态机的设计 状态机按照信号输出方式可分为：状态机按照信号输出方式可分为：Moore型和型和Mealy型状态机型状态机相同点：相同点：工作时序方式均属

8、于同步时序工作时序方式均属于同步时序 状态转变与时钟同步状态转变与时钟同步不同点：不同点：Moore型属于同步输出状态机，型属于同步输出状态机，Mealy型属于异步输出状态机型属于异步输出状态机Mealy型状态机的输出是当前状态和所有输入信号的函数，其输出型状态机的输出是当前状态和所有输入信号的函数，其输出是在输入变化后立即发生的，不依赖时钟的同步是在输入变化后立即发生的，不依赖时钟的同步Moore型状态机的输出在输入发生变化时还要等待时钟的到来才会型状态机的输出在输入发生变化时还要等待时钟的到来才会输出结果输出结果 Moore型比型比Mealy型状态机多等待一个时钟周期型状态机多等待一个时钟

9、周期 127.2 Moore7.2 Moore型有限状态机的设计型有限状态机的设计 13Moore型状态机型状态机7.2 Moore7.2 Moore型有限状态机的设计型有限状态机的设计 7.2.1 ADC采样控制设计及多进程结构状态机采样控制设计及多进程结构状态机 147.2 Moore7.2 Moore型有限状态机的设计型有限状态机的设计 7.2.1 ADC采样控制设计及多进程结构状态机采样控制设计及多进程结构状态机 157.2 Moore7.2 Moore型有限状态机的设计型有限状态机的设计 7.2.1 ADC采样控制设计及多进程结构状态机采样控制设计及多进程结构状态机 接下页接下页 1

10、67.2 Moore7.2 Moore型有限状态机的设计型有限状态机的设计 7.2.1 ADC采样控制设计及多进程结构状态机采样控制设计及多进程结构状态机 接上页接上页1718状态转换状态转换控制信号控制信号7.2 Moore7.2 Moore型有限状态机的设计型有限状态机的设计 7.2.1 ADC采样控制设计及多进程结构状态机采样控制设计及多进程结构状态机 197.2 Moore7.2 Moore型有限状态机的设计型有限状态机的设计 7.2.2 序列检测器之状态机设计序列检测器之状态机设计 接下页接下页序列检测器将连续收到一组串行二进制码，并将其与预置码比较，相同序列检测器将连续收到一组串行

11、二进制码，并将其与预置码比较，相同则输出则输出1，不同则输出，不同则输出0，并返回初始状态。，并返回初始状态。207.2 Moore7.2 Moore型有限状态机的设计型有限状态机的设计 7.2.2 序列检测器之状态机设计序列检测器之状态机设计 接上页接上页217.2 Moore7.2 Moore型有限状态机的设计型有限状态机的设计 7.2.2 序列检测器之状态机设计序列检测器之状态机设计 227.3 Mealy7.3 Mealy型有限状态机的设计型有限状态机的设计 接下页接下页Mealy型状态机型状态机的输出是当前状态和所有输入信号的函数，的输出是当前状态和所有输入信号的函数，其输出是其输出

12、是在在输入变化后立即发生的，输入变化后立即发生的，不依赖时钟的同步不依赖时钟的同步23双进程双进程Mealy状态机示例状态机示例7.3 Mealy7.3 Mealy型有限状态机的设计型有限状态机的设计 接上页接上页247.3 Mealy7.3 Mealy型有限状态机的设计型有限状态机的设计 257.3 Mealy7.3 Mealy型有限状态机的设计型有限状态机的设计 减少进程间通信能够有效地减少输出毛刺减少进程间通信能够有效地减少输出毛刺 单进程结构的单进程结构的Mealy状态机状态机267.3 Mealy7.3 Mealy型有限状态机的设计型有限状态机的设计 277.3 Mealy7.3 M

13、ealy型有限状态机的设计型有限状态机的设计 28Moore型属于同步输出状态机，型属于同步输出状态机，Mealy型属于异步输出状态机型属于异步输出状态机输出与时钟同步输出与时钟同步 不确定为不确定为Moore型状态机型状态机7.3 Mealy7.3 Mealy型有限状态机的设计型有限状态机的设计 基于单进程的基于单进程的Mealy状态机的序列检测器：状态机的序列检测器：297.3 Mealy7.3 Mealy型有限状态机的设计型有限状态机的设计 30MooreMoore型与型与MealyMealy型状态机分析型状态机分析状态机按照信号输出方式可分为：状态机按照信号输出方式可分为：Moore型

14、和型和Mealy型状态机型状态机相同点：相同点：工作时序方式均属于同步时序工作时序方式均属于同步时序 状态转变与时钟同步状态转变与时钟同步不同点：不同点：Moore型属于同步输出状态机，型属于同步输出状态机，Mealy型属于异步输出状态机型属于异步输出状态机Mealy型状态机的输出是当前状态和所有输入信号的函数，其输出型状态机的输出是当前状态和所有输入信号的函数，其输出是在输入变化后立即发生的，不依赖时钟的同步是在输入变化后立即发生的，不依赖时钟的同步Moore型状态机的输出在输入发生变化时还要等待时钟的到来才会型状态机的输出在输入发生变化时还要等待时钟的到来才会输出结果输出结果 Moore型

15、比型比Mealy型状态机多等待一个时钟周期型状态机多等待一个时钟周期 31MooreMoore型与型与MealyMealy型状态机分析型状态机分析32MooreMoore型与型与MealyMealy型状态机分析型状态机分析Moore型比型比Mealy型状态机多等待一个时钟周期型状态机多等待一个时钟周期在相同工作内容的前提下在相同工作内容的前提下在相同进程数量的前提下在相同进程数量的前提下输入变化必导致状态转换，状态转换必导致输出变化的条件下输入变化必导致状态转换，状态转换必导致输出变化的条件下Moore型型Mealy型型33MooreMoore型与型与MealyMealy型状态机分析型状态机分

16、析 在实际的状态机设计中，设计人员不需要刻意区分在实际的状态机设计中，设计人员不需要刻意区分Moore型状态型状态和和Mealy型状态机之间的差异。型状态机之间的差异。 只要满足状态机设计的规则和状态机运行的条件，采用任何一种只要满足状态机设计的规则和状态机运行的条件，采用任何一种状态机都可以实现，并且设计人员可以在实际的设计过程中形成状态机都可以实现，并且设计人员可以在实际的设计过程中形成自己独特的状态机设计风格。自己独特的状态机设计风格。34Moore型和型和Mealy型状态机的本质区别：型状态机的本质区别：Moore型状态机的输出只与当前状态（现态）直接相关型状态机的输出只与当前状态（现态）直接相关Mealy型状态机的输出与当前状态（现态