EDA應(yīng)用技術(shù) 第2版 課件 03-基于VHDL程序的狀態(tài)機描述課件

有限狀態(tài)機（finite-statemachine，縮寫：FSM）又稱有限狀態(tài)自動機，簡稱狀態(tài)機，是表示有限個狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移和動作等行為的數(shù)學模型。狀態(tài)機由狀態(tài)寄存器和組合邏輯電路構(gòu)成，能夠根據(jù)控制信號按照預(yù)先設(shè)定的狀態(tài)進行狀態(tài)轉(zhuǎn)移，協(xié)調(diào)相關(guān)信號動作，完成特定操作的控制。在VHDL程序設(shè)計的實用時序邏輯系統(tǒng)中，狀態(tài)機是應(yīng)用廣泛的電路模塊，其在運行速度的高效、執(zhí)行時間的確定性和高可靠性方面都顯現(xiàn)出強大的優(yōu)勢。項目6狀態(tài)機的VHDL程序描述1.狀態(tài)機狀態(tài)機是以描述控制特性為主的建模方法，它可以應(yīng)用于從系統(tǒng)分析到設(shè)計的所有階段。狀態(tài)機的基本操作有兩種：（1）狀態(tài)機內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)換狀態(tài)機內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)換操作使狀態(tài)機經(jīng)歷一系列狀態(tài)，下一狀態(tài)由狀態(tài)譯碼器根據(jù)當前狀態(tài)和輸入條件決定。（2）產(chǎn)生輸出信號序列產(chǎn)生輸出信號序列操作是根據(jù)當前狀態(tài)和輸入條件確定輸出信號，由輸出譯碼器輸出信號。典型的狀態(tài)機有兩種：Mealy狀態(tài)機和Moore狀態(tài)機。項目6狀態(tài)機的VHDL程序描述2.一般狀態(tài)機的VHDL程序描述一般狀態(tài)機的結(jié)構(gòu)如圖6.9所示，狀態(tài)機的VHDL程序描述通常用枚舉類數(shù)據(jù)類型來定義狀態(tài)機的狀態(tài)，使用多進程方式來描述狀態(tài)機的內(nèi)部邏輯。通常包括說明部分、主控時序進程、主控組合進程和輔助進程等。項目6狀態(tài)機的VHDL程序描述圖6.9一般狀態(tài)機的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)框圖（1）說明部分說明部分一般放在結(jié)構(gòu)體的architecture和begin之間，用枚舉型數(shù)據(jù)類型定義狀態(tài)機的狀態(tài)名。（2）主控時序進程主控時序進程是實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的進程。（3）主控組合進程主控組合進程的功能是狀態(tài)譯碼，向外部發(fā)出控制信號，確定下一狀態(tài)的走向。（4）輔助進程輔助進程用于配合狀態(tài)機工作的組合、時序進程或配合狀態(tài)機工作的其他時序進程。項目6狀態(tài)機的VHDL程序描述libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;useieee.std_logic_arith.all;entitys_machineisport(clk,reset:instd_logic;

state_inputs:in

std_logic_vector(0to1);

control_outputs:outstd_logic_vector(0to1));endentitys_machine;architecturebehaveofs_machineistypestatesis(S0,S1,S2,S3);--定義states為枚舉數(shù)據(jù)類型signalcurrent_state,next_state:states;beginP1:process(reset,clk)beginifreset='1'thencurrent_state<=S0;elsif

clk='1'andclk'eventthen--上升沿觸發(fā)current_state<=next_state;--當前態(tài)轉(zhuǎn)換為次態(tài)endif;endprocessP1;【例6.1】雙進程描述的狀態(tài)機項目6狀態(tài)機的VHDL程序描述進程P1為主控時序進程，在“clk”上升沿時，狀態(tài)機的狀態(tài)由當前態(tài)“current_state”向次態(tài)“next_state”轉(zhuǎn)變。P2:process(current_state,state_inputs)--主控組合進程begincasecurrent_stateiswhenS0=>control_outputs<="00";--輸出當前狀態(tài)的控制值ifstate_inputs="00"then--根據(jù)外部輸入的值確定次態(tài)的走向

next_state<=S0;else

next_state<=S1;endif;whenS1=>control_outputs<="01";ifstate_inputs="00"then

next_state<=S1;else

next_state<=S2;endif;whenS2=>control_outputs<="10";ifstate_inputs="11"then

next_state<=S2;else

next_state<=S3;endif;whenS3=>control_outputs<="11";ifstate_inputs="11"then

next_state<=S3;else

next_state<=S0;endif;endcase;endprocess;endarchitecturebehave;說明部分:使用type語句定義狀態(tài)機狀態(tài)進程P2為主控組合進程；根據(jù)當前狀態(tài)“current_state”與輸入信號“state_inputs”確定次態(tài)的狀態(tài)。進程間通過“current_state”、“next_state”信號傳遞信息。例6.1程序編譯后，在QuartusPrime20.1集成環(huán)境，選擇【Tool】菜單【NetlistViewers】選項【RTLViewer】命令，將產(chǎn)生例6.1描述的狀態(tài)機的寄存器傳輸級綜合效果圖，如圖6.10所示。項目6狀態(tài)機的VHDL程序描述圖6.10寄存器傳輸級綜合效果圖RTL例6.1程序編譯后，在QuartusPrime20.1集成環(huán)境，選擇【Tool】菜單【NetlistViewers】選項【StateMachineViewer】命令，將產(chǎn)生例6.1描述的狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，如圖6.11所示。項目6狀態(tài)機的VHDL程序描述圖6.11狀態(tài)機狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖例6.1程序的功能仿真結(jié)果，如圖6.12所示。項目6狀態(tài)機的VHDL程序描述圖6.12狀態(tài)機功能仿真圖從圖中可知，狀態(tài)的轉(zhuǎn)變與輸出值的改變，與輸入時鐘的上升沿同步，與輸入信號“state_inputs”不同步。在55ms處，輸入信號“state_inputs”由“01”變?yōu)椤?1”，但輸出與狀態(tài)并沒有發(fā)生改變（control_outputs=10），在70ms“clk”上升沿處，輸出狀態(tài)還是“10”態(tài)沒有發(fā)生改變。這是由于當前態(tài)是S2狀態(tài)，根據(jù)程序可知當前態(tài)是S2態(tài)，輸入信號“state_inputs”值為“11”時，狀態(tài)轉(zhuǎn)換是由S2態(tài)轉(zhuǎn)向S2態(tài)，因而，狀態(tài)沒有發(fā)生改變。3．Moore狀態(tài)機的VHDL程序描述Moore有限狀態(tài)機輸出只與當前狀態(tài)有關(guān)，與輸入信號的當前值無關(guān)，是嚴格的現(xiàn)態(tài)函數(shù)。Moore有限狀態(tài)機的典型結(jié)構(gòu)，如圖6.13所示。項目6狀態(tài)機的VHDL程序描述圖6.13Moore狀態(tài)機的典型結(jié)構(gòu)libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;useieee.std_logic_arith.all;entitymooreisport(clk,reset:instd_logic;

data_in:in

std_logic;

data_out:outstd_logic_vector(3downto0));endentitymoore;architecturebehaveofmooreistypestates_typeis(S0,S1,S2,S3);--定義states_type為枚舉數(shù)據(jù)類型signalstate:states_type;--聲明信號state為states_type數(shù)據(jù)類型Begin【例6.2】Moore狀態(tài)機的描述項目6狀態(tài)機的VHDL程序描述進程P1為主控時序進程，在“clk”上升沿時，狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。P1:process(reset,clk)--主控時序進程beginifreset='0'thenstate<=S0;elsif

clk='1'andclk'eventthen--上升沿觸發(fā)casestateiswhenS0=>ifdata_in='1'thenstate<=S1;endif;whenS1=>ifdata_in='0'thenstate<=S2;endif;whenS2=>ifdata_in='1'thenstate<=S3;endif;whenS3=>ifdata_in='0'thenstate<=S0;endif;endcase; endif;endprocessP1說明部分:使用type語句定義狀態(tài)機狀態(tài)P2:process(state)--主控組合進程begincasestateiswhenS0=>data_out<="0001";--輸出當前狀態(tài)的值whenS1=>data_out<="0010";whenS2=>data_out<="0100";whenS3=>data_out<="1000";endcase;endprocess;endarchitecturebehave;【例6.2】Moore狀態(tài)機的描述項目6狀態(tài)機的VHDL程序描述進程P2為主控組合邏輯進程例6.2程序編譯后，在QuartusPrime20.1集成環(huán)境，選擇【Tool】菜單【NetlistViewers】選項【StateMachineViewer】命令，將產(chǎn)生例6.2描述的狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，如圖6.14所示。圖6.14狀態(tài)機狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖項目6狀態(tài)機的VHDL程序描述由圖可知，狀態(tài)機在異步復(fù)位后進入S0態(tài)(state=S0)，在第30ns時clk上升沿處，state=S0，data_in=0(≠1)，狀態(tài)不變，保持處于S0態(tài)，輸出data_out=0001；在30ns~50ns的一個時鐘周期內(nèi)，一直保持輸出信號不變，雖然在40ns處，data_in變?yōu)?，但狀態(tài)并不改變，而是要到50ns時，clk上升沿處才發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)變(S0態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镾1態(tài))。說明了Moore狀態(tài)機在時鐘周期內(nèi)輸入信號發(fā)生變化，但輸出保持穩(wěn)定不變，屬于同步輸出狀態(tài)機。例6.2程序的功能仿真結(jié)果，如圖6.15所示。圖6.15Moore狀態(tài)機的仿真結(jié)果4．Mealy狀態(tài)機的VHDL程序描述Mealy狀態(tài)機的輸出是現(xiàn)態(tài)和所有輸入的函數(shù)，隨輸入變化而隨時發(fā)生變化，Mealy狀態(tài)機典型的結(jié)構(gòu)如圖6.16所示。從時序上看，Mealy狀態(tài)機屬于異步輸出狀態(tài)機，它不依賴于時鐘，狀態(tài)機的輸出在輸入發(fā)生變化后立即發(fā)生。項目6狀態(tài)機的VHDL程序描述圖6.16Mealy狀態(tài)機的典型結(jié)構(gòu)libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;useieee.std_logic_arith.all;entitymealyisport(clk,reset:instd_logic;

data_in:in

std_logic;

data_out:outstd_logic_vector(3downto0));endentitymealy;architecturebehaveofmealyistypestates_typeis(S0,S1,S2,S3);--定義states_type為枚舉數(shù)據(jù)類型signalstate:states_type;begin【例6.3】Mealy狀態(tài)機的描述項目6狀態(tài)機的VHDL程序描述P1:process(reset,clk)--主控時序進程beginifreset='0'thenstate<=S0;elsif

clk='1'andclk'eventthen--上升沿觸發(fā)casestateiswhenS0=>ifdata_in='1'then--根據(jù)外部輸入的值確定次態(tài)的走向state<=S1;endif;whenS1=>ifdata_in='0'thenstate<=S2;endif;whenS2=>ifdata_in='1'thenstate<=S3;endif;whenS3=>ifdata_in='0'thenstate<=S0;endif;endcase; endif;endprocessP1;說明部分:使用type語句定義狀態(tài)機狀態(tài)P2:process(state,data_in)--主控組合進程begi