ch08 VHDL有限状态机设计

FPGA设计与VHDL实现VHDL有限状态机设计第八章英特尔FPGA中国创新中心系列丛书普通高等教育”十三五”规划教材01有限状态机有限状态机有限状态机的描述根据输出信号产生方法的不同，状态机可以分为两类：米里型(Mealy)和摩尔型(Moore)。摩尔型状态机的输出只是当前状态的函数，米里型状态机的输出则是当前状态和当前输入的函数。米里型状态机的输出是在输入变化后立即变化的，不依赖时钟信号的同步，摩尔型状态机的输入发生变化时还需要等待时钟的到来，必须等状态发生变化时才导致输出的变化，因此比米里型状态机要多等待个时钟周期。1有限状态机有限状态机的描述实用的状态机一般都设计为同步时序方式，它在时钟信号的触发下，完成各个状态之间的转换，并产生相应的输出。状态机有三种表示方法：状态图(StateDiagram)、状态表(StateTable)和流程图，这三种表示方法是等价的，相互之间可以转换。1有限状态机枚举数据类型计数器是一种较为特殊的状态机，其各个状态的编码一般是设定的，或者称为直接编码形式。在VHDL中，为了便于阅读、编译和优化，可采用文字符号来表征状态机中的状态，将状态的数据类型定义为枚举类型。202有限状态机的描述方式有限状态机的描述方式三进程表述方式"101"序列检测器的状态转换图，共有4个状态：s0、s1、s2、s3,分别用几种方式对其描述。首先介绍三进程描述方式。1有限状态机的描述方式三进程表述方式1有限状态机的描述方式三进程表述方式1有限状态机的描述方式三进程表述方式1有限状态机的描述方式双进程表述方式2有限状态机的描述方式双进程表述方式2有限状态机的描述方式双进程表述方式2有限状态机的描述方式双进程表述方式2有限状态机的描述方式单进程表述方式也可以采用单进程描述方式，将有限状态机的现态、次态和输出逻辑(CS+NS+OL)放在一个进程中进行描述。3有限状态机的描述方式单进程表述方式303状态编码状态编码常用的编码方式常用的编码方式有顺序编码、格雷编码和一位热码编码等。采用One-Hot编码，虽然多用了触发器，但可以有效节省和简化译码电路。对于FPGA器件来说，采用1位热码编码可以有效提高电路的速度和可靠性，也有利于提高器件资源的利用率。因此，对于FPGA器件，建议采用该编码方式。1状态编码用ATTRIBUTE指定编码方式可以采用ATTRIBUTE语句来指定编码方式，比如下面的语句使用ATTRIBUTE语句将state信号的编码方式定义为gray方式。采用ATTRIBUTE语句定义的编码方式包括：2状态编码用ATTRIBUTE指定编码方式多数的综合软件可以设置编码方式，如在QuartusPrime软件中，选择菜单Assignments--­Settings,在出现的页面的Category栏中选CompilerSettings选项，单击AdvancedSettings(Synthesis)..按钮，在出现的对话框的StateMachineProcessing栏中选择需要的编码方式，可选的编码方式有Auto、Gray、Johnson、MinimalBits、One-Hot、Sequential、User-Encoded等几种。2状态编码用常量进行编码在采用符号化的状态定义的状态机设计中，综合器在综合时，会自动为每个状态进行编码，为每个状态选择一组二进制码字。例8.10采用One-Hot编码方式对例8.5的"101"序列检侧器进行了改写，程序中采用了常数定义的形式直接对sO~s3四个状态做了One-Hot编码。3状态编码用常量进行编码3状态编码用常量进行编码304有限状态机设计要点有限状态机设计要点起始状态的选择和复位1.起始状态的选择起始状态是指电路复位后所处的状态，选择一个合理的起始状态将使整个系统简洁、高效。状态机般都应设计为同步方式，并由一个时钟信号来触发。实用的状态机都应该设计为由唯一时钟边沿触发的同步运行方式。时钟信号和复位信号对每于个有限状态机来说都是很重要的。1有限状态机设计要点起始状态的选择和复位2.有限状态机的同步复位实用的状态机都应该有复位信号。和其他时序逻辑电路一样，有限状态机的复位有同步复位和异步复位两种。1有限状态机设计要点起始状态的选择和复位3.有限状态机的异步复位如果只需要在上电和系统错误时进行复位操作，那么采用异步复位方式要比同步复位方式好。这样做的主要原因是：同步复位方式占用较多的额外资源，而异步复位可以消除引入额外寄存器的可能性；而且带有异步复位信号的VHDL语言描述十分简单，只需在描述状态寄存器的进程中引入异步复位信号即可。1有限状态机设计要点多余状态的处理在状态机设计中，通常会出现大量的多余状态，比如采用n位状态编码，则总的状态数为2",因此经常会出现多余状态，或称为无效状态、非法状态等。尤其是采用One-Hot编码后，会出现较多的无效状态。205有限状态机应用实例有限状态机应用实例用有限状态机控制流水灯采用有限状态机设计彩灯控制器，控制4个LED灯实现如下的演示花型：•从右至左逐个亮；全灭。•从左至右逐个亮；全灭。•循环执行上述过程。1有限状态机应用实例用有限状态机控制A/D采样限状态机很适于控制AJD芯片读取采样数据。ADC0809是8位AID转换器，片内有8路模拟开关，可控制8个模拟