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第七章有限状态机
引言
有限状态机及其设计技术是实用数字系统设计中的重要组成部分,也是实现高效率和高可靠逻辑控制的重要途径。尽管到目前为止,有限状态机的设计理论并没有增加多少新的内容,然而面对先进的EDA工具、日益发展的大规模集成电路设计技术和强大的Verilog HDL等硬件描述语言,有限状态机在其具体的设计技术和实现方法上又有了许多新的内容。
本章基于实用的目的,重点介绍用Verilog HDL设计不同类型有限状态机的方法。
基于状态机的设计
状态机可以认为是组合逻辑和寄存器逻辑的特殊组合,它一般包括两个部分:组合逻辑部分和寄存器部分。
寄存器用于存储状态。
组合电路用于状态译码和产生输出信号。
实用的状态机一般都设计为同步时序电路,它在时钟信号的触发下,完成各个状态之间的转移。
有限状态机克服了纯硬件数字系统顺序方式控制不灵活的缺点。
状态机的结构模式相对简单。
状态机容易构成性能良好的同步时序逻辑模块。
状态机的Verilog HDL表述丰富多样,层次分明、结构清晰。
在高速运算和控制方面,状态机更有其巨大的优势。
就可靠性而言,状态机的优势也是十分明显的。
为什么要使用状态机
状态机的分类
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。
状态机具体属于哪一类,其实并不重要,重要的是设计者如何把握输出的结构,使它能满足设计的整体目标,包括定时的准确性和灵活性。
说明
有限状态机较适合设计数字系统的控制模块,是许多数字电路的核心。
有限状态机的概念在软件工程中也很有用。例如:
一个电脑游戏可有许多种操作模式—例如:初始化模式、正常模式及终止模式—有限状态机除了可以跟踪游戏的全部状态外,还可以跟踪这些模式。同时还可以控制游戏中玩家的对手和游戏对象。
例如,我们可以做一部跟踪玩家角色状态的有限状态机。角色可能有如下状态:
状态0:活着
状态1:奄奄一息
状态2:死亡
续
基于这些状态,游戏中的控制逻辑可执行不同的事情。
如果玩家角色处于状态0,逻辑将允许角色移动、开火等等。
然而,如果角色处于状态1,游戏逻辑将显示死亡顺序,角色就不能再移动或开火了。
最后,当状态切换到状态2时,游戏逻辑将仔细检查它使用什么样的顺序才能使玩家角色活过来。
续
当然,还存在将玩家角色从一种状态向另一种状态转移的逻辑。
如果玩家角色处于状态0,进入状态1的唯一办法就是以某种方式被击中或其它。
一旦玩家角色处于状态1,一段时间后,角色会自动进入状态2。
因此,我们明白了状态变化就是游戏环境—输入和有限状态机自身的结果,意思是说下一状态在某种方式上基于当前的状态。
续
上面我们讲的例子是游戏对象所提供的一个有限状态机比较典型的例子。
总之,一个有限状态机可能有很多的状态,复杂的规则控制状态变化,这些状态变化我们称为状态转移。
另外,一个状态可以有输出。例如:在我们的状态模型的实例中,死亡状态可能有一个输出,用信号通知声音系统播放一次惨叫声。