第6章狀態(tài)機的設計

1、第第6章狀態(tài)機的設計章狀態(tài)機的設計第第6 6章章 狀態(tài)機的設計狀態(tài)機的設計一、狀態(tài)機概述一、狀態(tài)機概述1、狀態(tài)機的基本結(jié)構(gòu)和功能、狀態(tài)機的基本結(jié)構(gòu)和功能（1）基本結(jié)構(gòu)）基本結(jié)構(gòu)狀態(tài)狀態(tài)譯碼器譯碼器狀態(tài)狀態(tài)寄存器寄存器輸出輸出譯碼器譯碼器輸入輸入輸出輸出狀態(tài)狀態(tài)第第6章狀態(tài)機的設計章狀態(tài)機的設計第第6 6章章 狀態(tài)機的設計狀態(tài)機的設計（2）基本操作）基本操作 狀態(tài)機的內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)換：狀態(tài)機需要經(jīng)歷一系列的狀態(tài)機的內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)換：狀態(tài)機需要經(jīng)歷一系列的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，下一狀態(tài)由狀態(tài)譯碼器根據(jù)當前狀態(tài)和輸入狀態(tài)轉(zhuǎn)換，下一狀態(tài)由狀態(tài)譯碼器根據(jù)當前狀態(tài)和輸入信號決定。信號決定。 產(chǎn)生輸出信號序列：狀態(tài)機的輸出信號

2、由輸出譯碼產(chǎn)生輸出信號序列：狀態(tài)機的輸出信號由輸出譯碼器根據(jù)當前狀態(tài)和輸入信號來決定。器根據(jù)當前狀態(tài)和輸入信號來決定。第第6章狀態(tài)機的設計章狀態(tài)機的設計第第6 6章章 狀態(tài)機的設計狀態(tài)機的設計（3）狀態(tài)機的分類）狀態(tài)機的分類 狀態(tài)機在產(chǎn)生輸出的過程中，根據(jù)是否使用輸入信號狀態(tài)機在產(chǎn)生輸出的過程中，根據(jù)是否使用輸入信號可以將狀態(tài)機分為可以將狀態(tài)機分為Moore型狀態(tài)機和型狀態(tài)機和Mealy型狀態(tài)機。型狀態(tài)機。u Moore型狀態(tài)機的輸出信號僅與當前狀態(tài)有關(guān)，而型狀態(tài)機的輸出信號僅與當前狀態(tài)有關(guān)，而與狀態(tài)機的輸入信號無關(guān)；與狀態(tài)機的輸入信號無關(guān)；u 而而Mealy型狀態(tài)機的輸出信號不僅與狀態(tài)機的當

3、前型狀態(tài)機的輸出信號不僅與狀態(tài)機的當前狀態(tài)有關(guān)，而且還與狀態(tài)機的輸入信號有關(guān)。狀態(tài)有關(guān)，而且還與狀態(tài)機的輸入信號有關(guān)。第第6章狀態(tài)機的設計章狀態(tài)機的設計第第6 6章章 狀態(tài)機的設計狀態(tài)機的設計（4）狀態(tài)機的功能）狀態(tài)機的功能p CPU在實現(xiàn)控制功能的過程中，一般需要很多的操作在實現(xiàn)控制功能的過程中，一般需要很多的操作指令步和硬件操作單元；指令步和硬件操作單元；p 而在狀態(tài)機中，控制狀態(tài)存儲在多個觸發(fā)器中，表示而在狀態(tài)機中，控制狀態(tài)存儲在多個觸發(fā)器中，表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移和控制功能的代碼存儲在門級網(wǎng)絡中。狀態(tài)轉(zhuǎn)移和控制功能的代碼存儲在門級網(wǎng)絡中。p 狀態(tài)機邏輯十分適用于可編程邏輯器件。通過恰當?shù)臓顟B(tài)機邏

4、輯十分適用于可編程邏輯器件。通過恰當?shù)腣HDL描述和描述和EDA工具的綜合，一般可以生成性能優(yōu)良的工具的綜合，一般可以生成性能優(yōu)良的狀態(tài)機使其在運行時間、運行速度和占用資源等方面優(yōu)于狀態(tài)機使其在運行時間、運行速度和占用資源等方面優(yōu)于CPU實現(xiàn)的設計方案。實現(xiàn)的設計方案。第第6章狀態(tài)機的設計章狀態(tài)機的設計第第6 6章章 狀態(tài)機的設計狀態(tài)機的設計（5）狀態(tài)機與數(shù)字系統(tǒng)中控制單元的關(guān)系）狀態(tài)機與數(shù)字系統(tǒng)中控制單元的關(guān)系 狀態(tài)機的每一個狀態(tài)對應于控制單元的一個控制步；狀態(tài)機的每一個狀態(tài)對應于控制單元的一個控制步；狀態(tài)機中的次態(tài)和輸出對應于控制單元中與每一個控制狀態(tài)機中的次態(tài)和輸出對應于控制單元中與每一

5、個控制步有關(guān)的控制條件。步有關(guān)的控制條件。第第6章狀態(tài)機的設計章狀態(tài)機的設計第第6 6章章 狀態(tài)機的設計狀態(tài)機的設計2、狀態(tài)機的表示方法、狀態(tài)機的表示方法 狀態(tài)圖、狀態(tài)表和流程圖。狀態(tài)圖、狀態(tài)表和流程圖。（1）狀態(tài)圖表示方法）狀態(tài)圖表示方法state Estate Bstate Astate Cstate Din/outin/outin/outin/outin/outin/out第第6章狀態(tài)機的設計章狀態(tài)機的設計第第6 6章章 狀態(tài)機的設計狀態(tài)機的設計（2）Moore型狀態(tài)機和型狀態(tài)機和 Mealy型狀態(tài)機的表示方法型狀態(tài)機的表示方法state A00state B01state Astate

6、 BI1/01第第6章狀態(tài)機的設計章狀態(tài)機的設計第第6 6章章 狀態(tài)機的設計狀態(tài)機的設計（3）狀態(tài)圖的原則）狀態(tài)圖的原則 狀態(tài)圖中應該包括全部的狀態(tài)，包括狀態(tài)圖中應該包括全部的狀態(tài)，包括“空閑空閑”狀態(tài)；狀態(tài)； 脫離一個狀態(tài)的所有轉(zhuǎn)換的邏輯或值應該為真，這是脫離一個狀態(tài)的所有轉(zhuǎn)換的邏輯或值應該為真，這是檢驗進入一個狀態(tài)后能否跳出該狀態(tài)的一個簡單方法；檢驗進入一個狀態(tài)后能否跳出該狀態(tài)的一個簡單方法； 驗證脫離狀態(tài)的轉(zhuǎn)換的異或是否為真，這是保證在任驗證脫離狀態(tài)的轉(zhuǎn)換的異或是否為真，這是保證在任何時候不會同時激活兩個脫離狀態(tài)的轉(zhuǎn)換；何時候不會同時激活兩個脫離狀態(tài)的轉(zhuǎn)換； 如果一個狀態(tài)不是在每個過程發(fā)

7、生變化，則可以插入如果一個狀態(tài)不是在每個過程發(fā)生變化，則可以插入自身循環(huán)，換句話說，當控制器進入一個狀態(tài)且等待直到自身循環(huán)，換句話說，當控制器進入一個狀態(tài)且等待直到某一個條件發(fā)生時，可以插入一個適當?shù)淖陨硌h(huán)轉(zhuǎn)換。某一個條件發(fā)生時，可以插入一個適當?shù)淖陨硌h(huán)轉(zhuǎn)換。第第6章狀態(tài)機的設計章狀態(tài)機的設計第第6 6章章 狀態(tài)機的設計狀態(tài)機的設計3、狀態(tài)機的設計步驟、狀態(tài)機的設計步驟 （1）依據(jù)具體的設計原則，確定是采用）依據(jù)具體的設計原則，確定是采用Moore型狀態(tài)型狀態(tài)機還是機還是Mealy型狀態(tài)機；型狀態(tài)機； （2）分析設計要求，列出狀態(tài)機的所有狀態(tài)，并對每）分析設計要求，列出狀態(tài)機的所有狀態(tài)，并

8、對每一個狀態(tài)進行狀態(tài)編碼；一個狀態(tài)進行狀態(tài)編碼； （3）根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系和輸出函數(shù)畫出所要設計狀態(tài)）根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系和輸出函數(shù)畫出所要設計狀態(tài)機的狀態(tài)圖；機的狀態(tài)圖； （4）根據(jù)所畫的狀態(tài)圖，采用硬件描述語言對狀態(tài)機）根據(jù)所畫的狀態(tài)圖，采用硬件描述語言對狀態(tài)機進行描述。進行描述。 第第6章狀態(tài)機的設計章狀態(tài)機的設計第第6 6章章 狀態(tài)機的設計狀態(tài)機的設計二、二、Moore型狀態(tài)機的設計型狀態(tài)機的設計1、狀態(tài)機的建立過程、狀態(tài)機的建立過程 例：例： 設計一存儲控制器狀態(tài)機。設計一存儲控制器狀態(tài)機。（1）設計要求）設計要求（2）工作過程）工作過程（3）確定存儲控制器狀態(tài)機的狀態(tài)）確定存儲控制器狀態(tài)

9、機的狀態(tài)（4）畫出狀態(tài)圖）畫出狀態(tài)圖（5）狀態(tài)機的輸出邏輯）狀態(tài)機的輸出邏輯第第6章狀態(tài)機的設計章狀態(tài)機的設計第第6 6章章 狀態(tài)機的設計狀態(tài)機的設計二、二、Moore型狀態(tài)機的設計型狀態(tài)機的設計1、狀態(tài)機的建立過程、狀態(tài)機的建立過程（1）設計要求）設計要求 設計的存儲器控制器能夠根據(jù)微處理器的讀寫周期，設計的存儲器控制器能夠根據(jù)微處理器的讀寫周期，分別對存儲器輸出寫使能信號分別對存儲器輸出寫使能信號we和讀使能信號和讀使能信號oe。 微處理器的準備就緒準備信號微處理器的準備就緒準備信號ready、微處理器的讀、微處理器的讀寫信號寫信號read_write和時鐘信號和時鐘信號clk。第第6章狀

10、態(tài)機的設計章狀態(tài)機的設計第第6 6章章 狀態(tài)機的設計狀態(tài)機的設計二、二、Moore型狀態(tài)機的設計型狀態(tài)機的設計1、狀態(tài)機的建立過程、狀態(tài)機的建立過程（2）工作過程）工作過程u 當微處理器的當微處理器的ready有效或上電復位時，存儲器開始有效或上電復位時，存儲器開始工作，判斷工作，判斷read_write信號有效否確定當前讀寫。信號有效否確定當前讀寫。u 確定控制器的輸出確定控制器的輸出we和和oe哪者有效。哪者有效。u 當讀寫操作完成，微處理器的準備信號當讀寫操作完成，微處理器的準備信號ready標志本標志本次處理完成，使控制器回到空閑狀態(tài)。次處理完成，使控制器回到空閑狀態(tài)。第第6章狀態(tài)機的

11、設計章狀態(tài)機的設計第第6 6章章 狀態(tài)機的設計狀態(tài)機的設計二、二、Moore型狀態(tài)機的設計型狀態(tài)機的設計1、狀態(tài)機的建立過程、狀態(tài)機的建立過程（3）確定存儲控制器狀態(tài)機的狀態(tài)）確定存儲控制器狀態(tài)機的狀態(tài) 開始狀態(tài)（開始狀態(tài)（idle) 判斷狀態(tài)（判斷狀態(tài)（decision) 根據(jù)根據(jù)read_write判斷讀寫判斷讀寫 讀狀態(tài)讀狀態(tài) （read) 寫狀態(tài)寫狀態(tài) (write)（4）畫出狀態(tài)圖）畫出狀態(tài)圖（5）狀態(tài)機的輸出邏輯）狀態(tài)機的輸出邏輯第第6章狀態(tài)機的設計章狀態(tài)機的設計第第6 6章章 狀態(tài)機的設計狀態(tài)機的設計2、VHDL描述描述（1）所需要使用的語句）所需要使用的語句（2）用）用VHDL

12、語言描述的步驟語言描述的步驟 把所有的狀態(tài)均表達為把所有的狀態(tài)均表達為case-when結(jié)構(gòu)中的一條結(jié)構(gòu)中的一條case 語句，語句，而狀態(tài)的轉(zhuǎn)移則用而狀態(tài)的轉(zhuǎn)移則用if-then-else語句來實現(xiàn)。語句來實現(xiàn)。 利用枚舉的狀態(tài)類型定義信號；利用枚舉的狀態(tài)類型定義信號； type state_type is (idle,decision,read,write); singal present_state,next_state :state_type;第第6章狀態(tài)機的設計章狀態(tài)機的設計第第6 6章章 狀態(tài)機的設計狀態(tài)機的設計 建立狀態(tài)機進程：由于狀態(tài)機的次態(tài)是現(xiàn)態(tài)和輸入信號的函數(shù)，所以這建立狀

13、態(tài)機進程：由于狀態(tài)機的次態(tài)是現(xiàn)態(tài)和輸入信號的函數(shù)，所以這些現(xiàn)態(tài)和輸入信號都要作為進程的敏感信號。些現(xiàn)態(tài)和輸入信號都要作為進程的敏感信號。 process(present_state,ready,read_write) 通過進程定義狀態(tài)的轉(zhuǎn)移：在進程中使用通過進程定義狀態(tài)的轉(zhuǎn)移：在進程中使用case-when語句，因為空閑狀態(tài)語句，因為空閑狀態(tài)idle是狀態(tài)機狀態(tài)的起點和終點，因此需要把是狀態(tài)機狀態(tài)的起點和終點，因此需要把idle作為作為when之后的第一項，然之后的第一項，然后再列出狀態(tài)轉(zhuǎn)移到其他狀態(tài)的條件，從而完成狀態(tài)機的狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。后再列出狀態(tài)轉(zhuǎn)移到其他狀態(tài)的條件，從而完成狀態(tài)機的狀態(tài)的轉(zhuǎn)

14、移。 process(present_state,ready,read_write) begin case present_state is when idle=we=0;oe=0; if (ready=1) then next_state=decision; else next_state if(ready=1) then state=idle; else state= if(ready=1) then state=idle; else state=write; end if; end case; end if;end process;oe=1 when state=read else 1;

15、we if(ready=1) then state=decision; else state if(read_write=1) then state=read; else state we=0;oe=1; if(ready=1) then next_state=idle; else next_state= we=1;oe=0; if(ready=1) then next_state=idle; else next_state we=0;oe=0; if(ready=1) then next_state=decision; else next_state we=0;oe=0; if(read_w

16、rite=1) then next_state=read; else next_state=write; end if; 第第6章狀態(tài)機的設計章狀態(tài)機的設計第第6 6章章 狀態(tài)機的設計狀態(tài)機的設計（1）進程）進程2用來描述狀態(tài)寄存器用來描述狀態(tài)寄存器-描述狀態(tài)邏輯描述狀態(tài)邏輯process(clk)begin if(clkevent and clk=1) then present_state if(ready=1) then next_state=decision; else next_state if(read_write=1) then next_state=read; else next

17、_state if(ready=1) then next_state=idle; else next_state= if(ready=1) then next_state=idle; else next_state=write; end if; end case; end process;第第6章狀態(tài)機的設計章狀態(tài)機的設計第第6 6章章 狀態(tài)機的設計狀態(tài)機的設計5、三進程狀態(tài)機的設計方法、三進程狀態(tài)機的設計方法-描述狀態(tài)寄存器描述狀態(tài)寄存器process(clk)begin if(clkevent and clk=1) then present_statewe=0;oewe=0;oewe=0;

18、oewe=1;oe=0; end case; end process;end state_machine;第第6章狀態(tài)機的設計章狀態(tài)機的設計第第6 6章章 狀態(tài)機的設計狀態(tài)機的設計四、四、Moore型狀態(tài)機的信號輸出方式型狀態(tài)機的信號輸出方式1、同步的信號輸出方式、同步的信號輸出方式 就是將狀態(tài)機的輸出信號加載到一個寄存器中，該寄存就是將狀態(tài)機的輸出信號加載到一個寄存器中，該寄存器一般是由器一般是由D觸發(fā)器構(gòu)成的，它的時鐘信號就是狀態(tài)機的時觸發(fā)器構(gòu)成的，它的時鐘信號就是狀態(tài)機的時鐘信號。鐘信號。 VHDL描述時，只需要將狀態(tài)機輸出信號的賦值語句寫描述時，只需要將狀態(tài)機輸出信號的賦值語句寫到時鐘

19、進程里即可。到時鐘進程里即可。三、三、Moore型狀態(tài)機的復位型狀態(tài)機的復位1、同步復位、同步復位2、異步復位、異步復位第第6章狀態(tài)機的設計章狀態(tài)機的設計第第6 6章章 狀態(tài)機的設計狀態(tài)機的設計四、四、Moore型狀態(tài)機的信號輸出方式型狀態(tài)機的信號輸出方式1、同步的信號輸出方式、同步的信號輸出方式 就是將狀態(tài)機的輸出信號加載到一個寄存器中，該寄存就是將狀態(tài)機的輸出信號加載到一個寄存器中，該寄存器一般是由器一般是由D觸發(fā)器構(gòu)成的，它的時鐘信號就是狀態(tài)機的時觸發(fā)器構(gòu)成的，它的時鐘信號就是狀態(tài)機的時鐘信號。鐘信號。次態(tài)次態(tài)邏輯邏輯狀態(tài)狀態(tài)寄存器寄存器輸出輸出邏輯邏輯輸入輸入輸出輸出現(xiàn)態(tài)現(xiàn)態(tài)寄寄存存器

20、器復位信號復位信號時鐘信號時鐘信號次態(tài)次態(tài)同步的信號輸出方式的結(jié)構(gòu)框圖同步的信號輸出方式的結(jié)構(gòu)框圖第第6章狀態(tài)機的設計章狀態(tài)機的設計第第6 6章章 狀態(tài)機的設計狀態(tài)機的設計2、狀態(tài)直接輸出方式、狀態(tài)直接輸出方式 為了縮短輸出信號的時延和消除為了縮短輸出信號的時延和消除“毛刺毛刺”現(xiàn)象，將狀態(tài)現(xiàn)象，將狀態(tài)位本身作為信號直接輸出，相當于去掉了一般狀態(tài)機中的輸位本身作為信號直接輸出，相當于去掉了一般狀態(tài)機中的輸出邏輯電路。出邏輯電路。 VHDL描述時，重要的工作就是對狀態(tài)機進行編碼。描述時，重要的工作就是對狀態(tài)機進行編碼。次態(tài)次態(tài)邏輯邏輯狀態(tài)狀態(tài)寄存器寄存器輸入輸入輸出輸出現(xiàn)態(tài)現(xiàn)態(tài)復位信號復位信號時

21、鐘信號時鐘信號次態(tài)次態(tài)狀態(tài)直接輸出方式的結(jié)構(gòu)框圖狀態(tài)直接輸出方式的結(jié)構(gòu)框圖第第6章狀態(tài)機的設計章狀態(tài)機的設計第第6 6章章 狀態(tài)機的設計狀態(tài)機的設計3、并行譯碼輸出方式、并行譯碼輸出方式 為了減少輸出信號的傳輸延時，從而提高狀態(tài)機的速度。為了減少輸出信號的傳輸延時，從而提高狀態(tài)機的速度。在狀態(tài)位鎖存之前，先進行邏輯譯碼，即把狀態(tài)機的狀態(tài)一邊在狀態(tài)位鎖存之前，先進行邏輯譯碼，即把狀態(tài)機的狀態(tài)一邊送到狀態(tài)寄存器進行鎖存，一邊送到譯碼器進行譯碼輸出。送到狀態(tài)寄存器進行鎖存，一邊送到譯碼器進行譯碼輸出。次態(tài)次態(tài)邏輯邏輯狀態(tài)狀態(tài)寄存器寄存器輸出輸出邏輯邏輯輸入輸入輸出輸出現(xiàn)態(tài)現(xiàn)態(tài)輸出輸出寄存器寄存器復位

22、復位時鐘時鐘次態(tài)次態(tài)并行譯碼輸出方式的結(jié)構(gòu)框圖并行譯碼輸出方式的結(jié)構(gòu)框圖第第6章狀態(tài)機的設計章狀態(tài)機的設計第第6 6章章 狀態(tài)機的設計狀態(tài)機的設計5.7 5.7 空調(diào)控制系統(tǒng)狀態(tài)機的設計空調(diào)控制系統(tǒng)狀態(tài)機的設計端口說明：端口說明：Reset： 輸入，復位信號，高電平有效，復位期間系統(tǒng)進輸入，復位信號，高電平有效，復位期間系統(tǒng)進入初始狀態(tài)入初始狀態(tài)S0。Clk： 輸入，系統(tǒng)時鐘。輸入，系統(tǒng)時鐘。Test_H：輸入，檢測到溫度過高的輸入信號，高電平有效。：輸入，檢測到溫度過高的輸入信號，高電平有效。Test_L： 輸入，檢測到溫度過低的輸入信號，高電平有效。輸入，檢測到溫度過低的輸入信號，高電平有

23、效。To_hot： 輸出，升溫信號，高電平有效。輸出，升溫信號，高電平有效。To_cool：輸出，制冷信號，高電平有效。：輸出，制冷信號，高電平有效。第第6章狀態(tài)機的設計章狀態(tài)機的設計 library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; entity tc is port(reset,clk,test_H,test_L:in std_logic; to_hot,to_cool: out std_logic); end tc; architecture rtl of tc is type state is(s0,s1,s2); signal pre_s,next

24、_s:state; begin 5.7 5.7 空調(diào)控制系統(tǒng)狀態(tài)機的設計空調(diào)控制系統(tǒng)狀態(tài)機的設計process(reset,clk)begin if (reset=1) then pre_s=s0; elsif (clkevent and clk=1) then pre_s to_hot=0; to_cool=0; if(test_H=1 and test_L=0) then next_s=s2; elsif(test_H=0 and test_L=1) then next_s=s1; else next_s to_hot=1; to_cool=0; if(test_H=1 and test_

25、L=0) then next_s=s2; elsif(test_H=0 and test_L=1) then next_s=s1; else next_sto_hot=0; to_cool=1; if(test_H=1 and test_L=0) then next_s=s2; elsif(test_H=0 and test_L=1) then next_s=s1; else next_s=s0; end if; end case; end process; end rtl;第第6章狀態(tài)機的設計章狀態(tài)機的設計第第6 6章章 狀態(tài)機的設計狀態(tài)機的設計5.8 5.8 微波爐定時器芯片的設計微波爐定

26、時器芯片的設計一、功能描述一、功能描述 1.設定復位開關(guān)設定復位開關(guān) 2.設定啟動開關(guān)設定啟動開關(guān) 3.烹調(diào)時間設置控制信號烹調(diào)時間設置控制信號 4.顯示烹調(diào)時間的進行情況顯示烹調(diào)時間的進行情況 5.測試七段數(shù)碼管工作是否正常測試七段數(shù)碼管工作是否正常第第6章狀態(tài)機的設計章狀態(tài)機的設計第第6 6章章 狀態(tài)機的設計狀態(tài)機的設計min_msb微波爐定時器微波爐定時器clkresettestset_timeData15:0start_cookcookmin_lsbsec_msbsec_lsb第第6章狀態(tài)機的設計章狀態(tài)機的設計第第6 6章章 狀態(tài)機的設計狀態(tài)機的設計二、工作過程二、工作過程 1.上電后系統(tǒng)處于復位狀態(tài)上電后系統(tǒng)處于復位狀態(tài) 2.按按 set_time鍵設定烹調(diào)時間鍵設定烹調(diào)時間 3.系統(tǒng)自動回到復位狀態(tài)