有限状态机设计例程

3.3.2　有限状态机设计例程

例1 设计实现一个序列信号检测器，当连续接收到一组“110”后输出为“1”，其他情况下输出为“0”。

第一步：明确设计对象的外部特征

·输入信号有：

接收到的序列信号d＿in；

时钟信号clk。

·输出信号有：

检测结果f。

第二步：根据设计对象的操作控制步来确定有限状态机的状态：

·初始状态为S0

·接收到1个‘1’的状态为S1

·连续接收到2个或2个以上‘1’的状态为S2

·接收到“110”的状态为S3

第三步：根据设计对象的工作过程画出有限状态机的状态转移图，如图3－18。

图3－18　序列信号检测器的状态转移图

1.三进程描述方式

进程1：描述次态逻辑，即描述出各个状态之间的转移情况

进程2：描述状态寄存器，实现时钟控制下次态到现态转换

进程3：描述输出逻辑，描述各个状态下的输出信号情况

2.双进程描述方式

将以上三进程中的任意两个进程合并为一个，即可变成双进程方式；但将P1和P3合并为一个进程P13，而P2保留的方式最好，原因是这样用两个进程将组合逻辑和时序逻辑分开，便于测试。

可见，双进程描述方式比三进程源代码要短一些，这样会使模拟的过程加快，但对综合结果无影响。

3.单进程描述方式

由于以上描述的状态机的输出信号是由组合电路发出的，所以在一些特定情况下难免出现毛刺现象，如果这些输出被用于作为时钟信号，极易产生错误的操作，这是需要尽力避免的。单进程Moore状态机比较容易构成能避免出现毛刺现象的状态机。

4.本例仿真波形

本例的仿真波形如图3－19所示。

图3－19　序列信号检测器的仿真波形图

例2　设计实现一个存储控制器，该控制器能够根据微处理器的读周期或写周期，分别对存储器输出写使能信号和读使能信号，详细工作过程如下：当微处理器发出“就绪”信号时，存储控制器开始工作：在下一个时钟周期到来时判断本次工作是读还是写——如果微处理器发过来的读写信号为高电平，本次操作为读操作，存储控制器输出有效读使能信号；如果读写信号为低电平，本次操作为写操作，存储控制器输出有效写使能信号。当读或写操作完成后微处理器发出“就绪”信号标志本次处理任务完成，并使存储控制器回到空闲状态。

第一步：明确设计对象的外部特征，画出结构框图如图3－20。

图3－20　存储控制器的结构框图

·输入信号有：

微处理器发来的就绪信号ready；

微处理器发来的读写信号read＿write；

时钟信号clk；

·输出信号有：

写使能信号we；

读使能信号oe；

第二步：根据设计对象的操作控制步来确定有限状态机的状态：

·设空闲状态为idle；

·“就绪”信号有效后的下一个时钟周期转入的状态为decision；

·读写信号为高电平后转入的读状态为read；

·读写信号为低电平后转入的写状态为write。

第三步：根据设计对象的工作过程画出有限状态机的状态转移图如图3－21。

图3－21　存储控制器的状态转移图

状态转移图是非常重要的概念，它表明了有限状态机的状态和转移条件，是进行VHDL描述的关键。本例状态转移图的另一种画法如图3－22，其中包含了输出逻辑。

图3－22　存储控制器的状态转移图的另一种画法

1.三进程描述方式

2.双进程描述方式

3.单进程描述方式

4.本例仿真波形

本例的仿真波形如图3－23所示。

图3－23　存储控制器的仿真波形

例3 设计一个自动售货机的逻辑电路，此机器投币口一次只能投一个一元或五角的硬币，累计投入一元五角后机器自动给出一瓶饮料，投入两元后给出一瓶饮料的同时找回一枚五角硬币。

分析：

（1）设A和B为输入，Y和Z为输出；意义如下：

·投入一元则A＝‘1’，否则A＝‘0’；

·投入五角则B＝‘1’，否则B＝‘0’；

·给出饮料则Y＝‘1’，否则Y＝‘0’；

·找钱五角则Z＝‘1’，否则Z＝‘0’；

（2）自动售货机有三个状态：

·S0：未投币时状态

·S1：投入五角时状态

·S2：投入一元时状态

（3）状态转移图如图3－24所示。

图3－24　自动售货机的状态转移图

1.VHDL描述

2.仿真波形

本例的仿真波形如图3－25所示。

图3－25　自动售货机的仿真波形

例4 设计一个灯光控制器电路，使红黄绿三色灯在时钟的控制下，按图3－26所示顺序转换，并且能够自启动。

图3－26　灯光控制电路的状态转移图

1.VHDL描述

LIBRARY IEEE；

2.仿真波形

本例的仿真波形如图3－27所示。

图3－27　灯光控制电路的仿真波形