《有限狀態(tài)機課程設(shè)計報告 EDASoda Machine 自動售貨機》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《有限狀態(tài)機課程設(shè)計報告 EDASoda Machine 自動售貨機（13頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、電子通信07級EDA課程實驗報告 1 有限狀態(tài)機 有限狀態(tài)機（Finite State Machine）是一種具有內(nèi)部記憶的抽象機器模型，是時序電路的一種，通過有限狀態(tài)機課實現(xiàn)高效率高可靠邏輯控制。 根據(jù)輸出與輸入關(guān)系、系統(tǒng)狀態(tài)的關(guān)系，有限狀態(tài)機又可以分為Moore型有限狀態(tài)機和Mealy型有限狀態(tài)機。Moore型狀態(tài)機的輸出信號只于當前的狀態(tài)有關(guān)；Mealy型狀態(tài)機是輸出信號不僅與當前的狀態(tài)有關(guān)，還與輸入信號有關(guān)。 Mealy機的示意圖如圖二所示： 圖二Mealy機的示意圖 Moore機的示意圖如圖三所示： 圖三 Moore機的示意圖 Moore型有限狀態(tài)機和Meal

2、y型有限狀態(tài)機的區(qū)別： ● 在Moore機中，輸出的時鐘活動沿到達后的幾個門電路的延遲時間之后即到達，并且在該時鐘周期的剩余時間內(nèi)保持不變，即使輸入在該時鐘周期內(nèi)發(fā)生變化，輸出值也保持不變。然而，因為輸出與當前的輸入無關(guān)，當前輸出產(chǎn)生的任何效果將延遲到下一個時鐘周期。Moore機的優(yōu)點是將輸出與輸入分隔開。 ● 在Mealy機中，因為輸出是輸入的函數(shù)，如果輸入改變，則輸出可以在下一個時鐘周期的中間發(fā)生改變。這使得Mealy機比Moore機，對輸入變化的響應(yīng)要早一個時鐘周期，一旦輸入信號或狀態(tài)發(fā)生變化，輸出信號隨著輸入信號變化。 ● 實現(xiàn)同樣功能，Moore機要比Mealy機需要更多

3、的狀態(tài)。 通過分析本次實驗，利用Mealy機更加容易理解，并且使用Moore會使用更多的狀態(tài)，所以本次實驗使用Mealy型有限狀態(tài)機。 2 Soda Machine機的設(shè)計 2.1 Soda Machine機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 Soda Machine機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖四所示。 圖四Soda Machine機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 圖中共有10個狀態(tài)，為ST0—ST9。在狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中00代表無輸入，11代表輸入Q(25c)，10代表輸入D(10c), 01代表輸入N(5c)。在輸出中000代表無輸出，001代表輸出DN(5C),010代表輸出的DD(10C),100代表輸出DC(1 can

4、)。 ST0是初始態(tài)。當沒有硬幣投入時，狀態(tài)機始終保持STO狀態(tài)不變。當投入5分（即01）時，狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)到ST1狀態(tài)，無輸出（即000）；當投入10分時（即10），跳轉(zhuǎn)到S2狀態(tài)，無輸出（即000）；當投入25分時（即11）跳轉(zhuǎn)到S5狀態(tài)，無輸出（即000）。 ST1是有投入5分后的狀態(tài)。當沒有硬幣投入時，狀態(tài)機始終保持ST1狀態(tài)不變, 無輸出（即000）；當投入5分（即01）時，狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)到ST2狀態(tài)，無輸出（即000）；當投入10分（即10）時，跳轉(zhuǎn)到ST3狀態(tài), 無輸出（即000）；當投入25分（即11）時，跳轉(zhuǎn)到ST0狀態(tài),輸出一瓶飲料（即100）。 ST2是投入10分后的狀態(tài)。

5、當沒有硬幣投入時，狀態(tài)機始終保持ST2狀態(tài)不變, 無輸出（即000）;當投入5分（即01）時，狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)到ST3狀態(tài)，無輸出（即000）；當投入10分（即10）時，跳轉(zhuǎn)到ST4狀態(tài), 無輸出（即000）；當投入25分（即11）時，跳轉(zhuǎn)到ST6狀態(tài),輸出一瓶飲料（即100）,在下一個時鐘到來ST6再跳轉(zhuǎn)到ST0,輸出5分（即001）。這樣可保證每個時鐘只輸出一個（飲料或10分或5分）。 ST3是投入15分后的狀態(tài)。當沒有硬幣投入時，狀態(tài)機始終保持ST3狀態(tài)不變, 無輸出（即000）;當投入5分（即01）時，狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)到ST4狀態(tài)，無輸出（即000）；當投入10分（即10）時，跳轉(zhuǎn)到ST5狀態(tài),

6、 無輸出（即000）；當投入25分（即11）時，跳轉(zhuǎn)到ST7狀態(tài),輸出一瓶飲料（即100）,在下一個時鐘到來ST7再跳轉(zhuǎn)到ST0,輸出10分（即010）。輸出正確，同樣可保證每個時鐘只輸出一個（飲料或10分或5分）。 ST4是投入20分后的狀態(tài)。當沒有硬幣投入時，狀態(tài)機始終保持ST4狀態(tài)不變, 無輸出（即000）;當投入5分（即01）時，狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)到ST5狀態(tài)，無輸出（即000）；當投入10分（即10）時，跳轉(zhuǎn)到ST0狀態(tài), 輸出一瓶飲料（即100）；當投入25分（即11）時，跳轉(zhuǎn)到ST8狀態(tài),輸出一瓶飲料（即100）,在下一個時鐘到來ST8再跳轉(zhuǎn)到ST6,輸出10分（即010），在下一個時

7、鐘到來ST6再跳轉(zhuǎn)到ST0,輸出10分（即001）。輸出正確，同樣可保證每個時鐘只輸出一個（飲料或10分或5分）。 ST5是投入25分后的狀態(tài)。當沒有硬幣投入時，狀態(tài)機始終保持ST3狀態(tài)不變, 無輸出（即000）;當投入5分（即01）時，狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)到ST0狀態(tài)，輸出一瓶飲料（即100）；當投入10分（即10）時，跳轉(zhuǎn)到ST6狀態(tài), 輸出一瓶飲料（即100），在下一個時鐘到來ST6再跳轉(zhuǎn)到ST0,輸出5分（即001）；當投入25分（即11）時，跳轉(zhuǎn)到ST9狀態(tài),輸出一瓶飲料（即100）,在下一個時鐘到來ST9再跳轉(zhuǎn)到ST7,輸出10分（即010），在下一個時鐘到來ST7再跳轉(zhuǎn)到ST0,輸出10

8、分（即010）。輸出正確，同樣可保證每個時鐘只輸出一個（飲料或10分或5分）。 2.2 Soda Machine機的狀態(tài)分配與編碼 2.2.1狀態(tài)編碼方式 在狀態(tài)機的設(shè)計中，對狀態(tài)編碼有多種，常用編碼的方式有：有限狀態(tài)機中常用的編碼主要有二進制編碼、格雷碼和One-Hot編碼。 表1 二進制編碼、格雷碼和One-Hot編碼的比較 比較 二進制編碼 格雷碼編碼 一位熱碼編碼 觸發(fā)器數(shù)量 少 少 多 時序條件 一般 好 最好 非法狀態(tài) 少 少 多 譯碼電路 復雜 復雜 簡單 下面是對這三種編碼方式的仿真。 2.2.2 一位熱碼編碼方式 由一位

9、熱碼編碼形成的RTL如圖五所示。 圖五 一位熱碼編碼形成的RTL 2.2.2 二進制編碼方式 二進制編碼代碼為： SIGNAL CURRENT_STATE,NEXT_STATE:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0 ); CONSTANT ST0:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0 ):="0000"; CONSTANT ST1:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0 ):="0001"; CONSTANT ST2:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0 ):="0010"; CONSTANT ST3:S

10、TD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0 ):="0011"; CONSTANT ST4:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0 ):="0100"; CONSTANT ST5:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0 ):="0101"; CONSTANT ST6:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0 ):="0110"; CONSTANT ST7:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0 ):="0111"; CONSTANT ST8:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0 ):="1000

11、"; CONSTANT ST9:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0 ):="1001"; 由二進制碼形成的RTL如圖六所示。 圖六 二進制碼形成的RTL 2.2.3 格雷碼編碼方式 格雷碼編碼代碼為： SIGNAL CURRENT_STATE,NEXT_STATE:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0 ); CONSTANT ST0:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0 ):="0000"; CONSTANT ST1:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0 ):="0001"; CONSTANT S

12、T2:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0 ):="0011"; CONSTANT ST3:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0 ):="0010"; CONSTANT ST4:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0 ):="0110"; CONSTANT ST5:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0 ):="0111"; CONSTANT ST6:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0 ):="0101"; CONSTANT ST7:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0 ):="

13、0100"; CONSTANT ST8:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0 ):="1100"; CONSTANT ST9:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0 ):="1101"; 由格雷碼形成的RTL如圖七所示： 圖七格雷碼形成的RTL 從以上3個圖可知：采用一位熱碼編碼，雖然這種方法的用的的觸發(fā)器不是最少，但是可以使次態(tài)邏輯變得簡單，由于一般的可編程器件，觸發(fā)器的比率高于組合邏輯，所以采用一位熱碼編碼的系統(tǒng)占用的資源反而少于采用最少觸發(fā)器的系統(tǒng)。因此采用一位熱碼編碼的編碼方式。 2.2.4 對輸入信號編碼 兩位二進制數(shù)對輸入信號進

14、行編碼的RTL如圖八所示，及00代表無輸入，01代表輸入為5分，10代表輸入10分，11代表輸入25分。 圖八 兩位二進制數(shù)對輸入信號進行編碼的RTL 三位二進制數(shù)對輸入信號進行編碼的RTL如圖所示，及000代表無輸入，001代表輸入為5分，010代表輸入10分，100代表輸入25分。 圖九 三位二進制數(shù)對輸入信號進行編碼的RTL 從上面的兩個RTL圖中可以看出，用兩位二進制數(shù)對輸入信號進行編碼電路簡單，并且完全避免的輸入的非法狀態(tài)，所以使用兩位二進制數(shù)對輸入信號進行編碼。 2.3 Soda Machine機狀態(tài)最少化 狀態(tài)最少化采用的方法一般是手動法，只有當兩個狀態(tài)在相同

15、的輸入條件下，有相同的次態(tài)和輸出，那么這兩個狀態(tài)就可以合并，狀態(tài)最少化是基于觀察完成的。 2.3.1 Soda Machine機狀態(tài)轉(zhuǎn)換及輸出表 根據(jù)圖寫出狀態(tài)轉(zhuǎn)換及輸出表，見表2。 表2 Soda Machine機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換及輸出表 現(xiàn)態(tài) 相應(yīng)轉(zhuǎn)移條件下的次態(tài) 輸出 狀態(tài)名稱 25美分 10美分 5美分 0美分 飲料 10美分 5美分 ST0 ST5 ST2 ST1 ST0 0 0 0 ST1 ST0 ST3 ST2 ST1 0 0 0 ST2 ST6 ST4 ST3 ST2 0 0 0 ST3 ST7 ST

16、5 ST4 ST3 0 0 0 ST4 ST8 ST0 ST5 ST4 0 0 0 ST5 ST11 ST10 ST0 ST5 0 0 0 ST6 沒有輸入，次態(tài)為ST0 0 0 1 ST7 沒有輸入，次態(tài)為ST0 0 1 0 ST8 沒有輸入，次態(tài)為ST9 0 1 0 ST9 沒有輸入，次態(tài)為ST0 0 1 0 ST10 沒有輸入，次態(tài)為ST0 0 0 1 ST11 沒有輸入，次態(tài)為ST12 0 1 0 ST12 沒有輸入，次態(tài)為ST0 0 1 0 注：ST2跳轉(zhuǎn)到ST6的過程中

17、，輸出一瓶飲料；ST3跳轉(zhuǎn)到ST7的過程中，輸出一瓶飲料；ST4跳轉(zhuǎn)到ST8的過程中，輸出一瓶飲料；ST5跳轉(zhuǎn)到ST6的過程中，輸出一瓶飲料；ST5跳轉(zhuǎn)到ST9的過程中，輸出一瓶飲料。 2.3.2 Soda Machine機的狀態(tài)合并 根據(jù)上面的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表及輸出表，基于觀察，發(fā)現(xiàn)st6、st10的次態(tài)轉(zhuǎn)移和輸出完全相同，st7、st9、st12的次態(tài)轉(zhuǎn)移和輸出完全相同，因此可以將這幾個狀態(tài)進行合并，見表3。 表3 合并狀態(tài)st6和st10為st6,合并狀態(tài)st7,st9、st12為st7 現(xiàn)態(tài) 相應(yīng)轉(zhuǎn)移條件下的次態(tài) 輸出 狀態(tài)名稱 25美分 10美分 5美分 0美分

18、 飲料 10美分 5美分 ST0 ST5 ST2 ST1 ST0 0 0 0 ST1 ST0 ST3 ST2 ST1 0 0 0 ST2 ST6 ST4 ST3 ST2 0 0 0 ST3 ST7 ST5 ST4 ST3 0 0 0 ST4 ST8 ST0 ST5 ST4 0 0 0 ST5 ST9 ST6 ST0 ST5 0 0 0 ST6 沒有輸入，次態(tài)為ST0 0 0 1 ST7 沒有輸入，次態(tài)為ST0 0 1 0 2.4 Soda Machine機的VHDL語言

19、 2.4.1 實體設(shè)計 ENTITY Soda IS PORT (CLK ,RESET:IN STD_LOGIC;--時鐘、復位信號 STATE_INPUTS:IN STD_LOGIC_VECTOR (0 TO 1);--輸入信號 COMB_OUTPUTS:OUT STD_LOGIC_VECTOR (0 TO 2));--輸出信號 END Soda; 2.4.2 結(jié)構(gòu)體設(shè)計（部分代碼） TYPE STATES IS (ST0,ST1,ST2,ST3,ST4,ST5,ST6,ST7,ST8,ST9);--定義數(shù)據(jù)類型 SIGNAL CURR

20、ENT_STATE,NEXT_STATE:STATES;--將現(xiàn)態(tài)和次態(tài)定義為新的數(shù)據(jù)類型 REG:PROCESS(CLK,RESET) BEGIN IF RESET='1'THEN CURRENT_STATE<=ST0; ELSIF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN CURRENT_STATE<=NEXT_STATE; END IF; END PROCESS; COM:PROCESS(CURRENT_STATE,STATE_INPUTS) VARIABLE

21、COMB_OUTPUTS2:STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 2); BEGIN CASE CURRENT_STATE IS WHEN ST0=> IF STATE_INPUTS="00" THEN NEXT_STATE<=ST0;COMB_OUTPUTS2:="000"; ELSIF STATE_INPUTS="01" THEN NEXT_STATE<=ST1;COMB_O

22、UTPUTS2:="000"; ELSIF STATE_INPUTS="10" THEN NEXT_STATE<=ST2;COMB_OUTPUTS2:="000"; ELSE NEXT_STATE<=ST5;COMB_OUTPUTS2:="000"; END IF; 2.5 Soda Machine機的RTL描述 Soda Machine的RTL描述如圖十所示。 圖十Soda Machine的RTL描述 2.6 Soda Machine在Quartus II中形成

23、的狀態(tài)轉(zhuǎn)圖 Soda Machine在Quartus II中形成的狀態(tài)轉(zhuǎn)圖如圖十一所示。 圖十一 Soda Machine在Quartus II中形成的狀態(tài)轉(zhuǎn)圖 2.7 Soda Machine的時序仿真 Soda Machine的時序仿真圖如圖十二所示： 圖十二 Soda Machine的時序仿真圖 時序邏輯說明：復位信號后，狀態(tài)為ST0；連續(xù)來兩個時鐘，每次輸入25分，第四個時鐘輸出一瓶飲料，第五個時鐘輸出10分，第六個時鐘輸出10分。符合邏輯設(shè)計要求。 Soda Machine的時序仿真圖如圖十三所示： 圖十三Soda Machine的時序仿真圖 時序邏輯說明：復位信號后，狀態(tài)為ST0；第兩個時鐘，輸入25分，第三個時鐘輸入10分，即共輸入35分，第四個時鐘輸出一瓶飲料，第五個時鐘輸出5分。每個時鐘輸出一個，符合邏輯設(shè)計要求。 3 結(jié)束語 通過本次實驗，對EDA技術(shù)和VHDL語言有了更深的了解和認識,會利用Quartus II對設(shè)計電路進行功能仿真、時序仿真和優(yōu)化,掌握了設(shè)計有限狀態(tài)機的方法。 13