EDA课件儿8章节.ppt

第8讲　有限状态机设计 §8.1 有限状态机的优点及转移图描述8.1.1 有限状态机的优点　　有限状态机可以描述和实现大部分时序逻辑系统。用VHDL可以设计不同表达方式和不同实用功能的有限状态机，这些有限状态机的VHDL描述都具有相对固定的语句和程序表达方式。 与基于VHDL的其他设计方案或者与使用CPU编制程序的解决方案相比，有限状态机都有其难以超越的优越性。  　　(1) 有限状态机是纯硬件数字系统中的顺序控制电路，具有纯硬件电路的速度和软件控制的灵活性。　　(2) 由于有限状态机的结构模式相对简单，设计方案相对固定，特别是可以定义符号化枚举类型的状态，这一切都为VHDL综合器尽可能发挥其强大的优化功能提供了有利条件。而且，性能良好的综合器都具备许多可控或自动的专门用于优　化有限状态机的功能。　　(3) 有限状态机容易构成性能良好的同步时序逻辑模块，这对于解决大规模逻辑电路设计中令人深感棘手的竞争冒险现象无疑是一个上佳的选择。为了消除电路中的毛刺现象，在有限状态机设计中有多种设计方案可供选择。 　　(4) 与VHDL的其他描述方式相比，有限状态机的VHDL表述丰富多样，程序层次分明，结构清晰，易读易懂，在排错、修改和模块移植方面也有其独到之处。　　(5) 在高速运算和控制方面，有限状态机更有其巨大的优势。由于在VHDL中，一个有限状态机可以由多个进程构成，一个结构体中可以包含多个有限状态机，而一个单独的有限状态机(或多个并行运行的有限状态机)以顺序方式所能完成的运算和控制方面的工作与一个CPU的功能类似。因此，一个设计实体的功能便类似于一个含有并行运行的多CPU的高性能系统的功能。 　　应用VHDL设计有限状态机的具体步骤如下：　　(1) 根据系统要求确定状态数量、状态转移的条件和各状态输出信号的赋值，并画出状态转移图。　　(2) 按照状态转移图编写有限状态机的VHDL设计程序。　　(3) 利用EDA工具对有限状态机的功能进行仿真验证。 §8.1.2 有限状态机的转移图描述　　根据输出与输入、系统状态的关系，有限状态机又可分为Moore型有限状态机和Mealy型有限状态机。 Moore型有限状态机是指输出仅与系统状态有关，与输入信号无关的状态机。优点是将输入和输出分隔开。Mealy型有限状态机是指输出与系统状态和输入均有关系的有限状态机。 通常采用转移图对有限状态机的功能进行描述。 　　 转移图是一种有向图，由圆表示有限状态机的状态，有向曲线表示系统的状态转移过程，有向线段的起点表示初始的状态，终点表示转移后的状态。 对于Mealy型有限状态机在有向曲线段上的字符表示系统的输入和输出，用“/”分隔。 对于Moore型有限状态机，通常在状态后标出输出值，用“/”分隔，输入信号仍然在有向线段上标注。 　该有限状态机只有一位输入、一位输出，两个状态A1和A2，左侧绘制的指向A1的箭头表示系统的初始状态为A1；在A1的上方，绘制一个起点和终点都在A1上的有向曲线，以及曲线上的标注“1/0”表示，当状态为A1，输入信号为1时，有限状态机的状态不变，输出为0；由A1指向A2的标注为“0/1”的箭头表示，当系统状态为A1，输入为0时，系统状态变为A2，且输出为1。同理，由转移图可知，当系统处于A2状态时，输入为1时状态不变，输出为1；当输入为0时，状态变为A1，输出为0。对于比较复杂的有限状态机，在有向箭头的标识上还可以添加字符说明。 　　图8.2所示的Moore型有限状态机只有一位输入、一位输出，两个状态A1和A2，左侧绘制的指向A1的箭头表示系统的初始状态为A1；标注“A1/1”表示处于状态A1时，输出为1；同理“A2/0”表示处于状态A2时，系统输出为0；在状态A1上方绘制的起点和终点均在A1上的有向曲线，以及曲线上的标注“1”表示，当状态为A1，输入信号为1时，有限状态机的状态不变；由A1指向A2的标注为“0”的箭头表示，当状态为A1，输入为0时，有限状态机的状态变为A2。当有限状态机处于A2状态时，如果输入为1，有限状态机的状态就会变为A1。 　　对于这种输出在{0，1}二值区间的Moore型有限状态机，一般称之为有限状态自动机，对于有限状态自动机还有另一种转移图的表示方法，即用双圆环表示输出为1的状态，并称之为接受状态。使用这种转移图画法后，图8.2所示的有限状态机可绘制为如图8.3所示的转移图。　　图8.3所示的有限状态自动机的转移图中状态A1为接受状态，用双圆环表示。 §8.2 有限状态机的VHDL描述用VHDL设计的有限状态机有多种形式：从有限状态机的信号输出方