学习笔记——状态机

2024-02-14 14:50:46

一、定义

状态机是有限状态自动机的简称，是现实事物运行规则抽象而成的一种数学模型
将电路的全部工作方式，分成几个场景，这些场景的工作方式明显不同，然后将这些场景通过数学模型表示出来

二、分类

1、摩尔Moore状态机

输出只和状态有关而与输入无关
状态表

2、米莉Mealy状态机

输出不仅和状态有关而且和输入有关系
状态表

三、简单举例

人有三个状态健康，感冒，康复中。
触发的条件有淋雨(t1)，吃药(t2)，打针(t3)，休息(t4)。
所以状态机就是
健康-> (t4) ->健康;
健康-> (t1) ->感冒;
感冒-> (t2) ->康复中;
感冒-> (t3) ->健康;
康复中- (t45->健康，等等。
就是这样状态在不同的条件下跳转到自己或不同状态的图。简单的讲就是状态转换图，如果学过模电的话，对于状态转换图应该比较熟悉。状态转换图如下所示：

上图所示代表，我们现有四个状态，在S0状态下我收到00那么我就跳转到S1状态，如果在S1状态下我收到10那么我们就跳转到S2。如果在S2状态如果收到10就跳转到S0，如果收到00那么就跳转到S3。

四、结构

1、状态寄存器

记忆当前状态机所处的状态——就是我当前是什么状态我就写什么状态，00就表示S1状态，01就表示S2状态。

2、产生下一状态的组合逻辑

根据输入信号和当前状态决定下一状态

3、输出逻辑

当前状态和输入信号决定当前状态的输出

五、标准

1.状态机要安全。
要求我们的状态机要完备不能进入死循环，特别是不能进入非预知的状态。
2.状态机的设计要满足面积和速度的要求。
要求设计简洁、高效的状态机。
3.状态机的设计要清晰易懂，易维护。

六、四大概念

1、 State 状态

一个状态机至少要包含两个状态。例如自动门，有 open 和 closed 两个状态。

2、 Event 事件

事件就是执行某个操作的触发条件或者口令。对于自动门，“按下开门按钮”就是一个事件。

3、 Action 动作

事件发生以后要执行动作。例如事件是“按开门按钮”，动作是“开门”。编程的时候，一个 Action 一般就对应一个函数。

4、 Transition 变换

也就是从一个状态变化为另一个状态。例如“开门过程”就是一个变换。

七、三段式状态机

三段式状态机一般包含以下三段:当前状态、下一状态和输出。

一个always模块采用同步时序的方式描述状态转移

//第一个进程，同步时序always模块，格式化描述次态寄存器迁移到现态寄
存器
always @ (posedge clk or negedge rst_ n)begin
   if(!rst_ n)begin
      current state <= IDLE:
end
else begin
   current state <= next state; //注意，使用的是非阻塞赋值
  end
end

第二个always采用组合逻辑的方式判断状态转移条件，描述状态转移规律。

//第二个进程，组合逻辑always模块，描述状态转移条件判断
always @ (*)begin //电平触发
   case(current_ state)begin
     S1:begin
       if...begin
         next_ state= S2; //阻 塞赋值
       else begin
         next_ state= S1;
       end
    end
    S2:begin
      if...begin
      ......
      default : begin //状态机要完 备
         next state= IDLE;
      end
     endcase
end

其它always模块使用同步时序电路来设计每一个状态的输出。

//第三个进程，同步时序always模块，格式化描述寄存器输出
always @ (posedge clk or negedge rst_ n) begin
   If(!rst_ n)begin
   ...//初始化
   end
   else if(current_ state==S1)begin
        out1<= 1'b1; //注意 是非阻塞逻辑
   end
   else begin
       out1 <='"b0;
   end
end

注意事项

1.三段always模块中，第一个和第三个always模块是同步时序always，用非阻塞赋值(“<=”);第二个always模块是组合逻辑always模块，用阻塞赋值(“=”)。关于阻塞赋值的含义可查阅资料https://www.cnblogs.com/clover-toeic/p/3755360.html
2.第二部分为组合逻辑always模块，对于always的敏感列表必须采用always@ (*)的方式。
3.第二部分，组合逻辑always模块，里面判断条件一定要包含所有情况!可以用else保证包含完全。
4.需要注意:第二部分case中的条件应该为当前态( current state)。
5.三段式并不是一定要写为3个always块，如果输出更多，就不止3段了。

参考链接

https://www.bilibili.com/video/BV1Mt411i7C8?from=search&seid=3358500003755694759

https://blog.csdn.net/wordwarwordwar/article/details/78509445

https://zhuanlan.zhihu.com/p/47434856

https://baike.so.com/doc/1495045-1580947.html

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