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如何在FPGA中实现状态机

发布时间:2019-06-12 09:28 来源:未知 编辑:admin

  常常用于执行基于序列和控制的行动,比如实现一个简单的通信协议。对于设计人员来说,满足这些行动和序列要求的最佳方法则是使用在某个特定的时间点只处于一种状态。但在一系列触发器的触发下,将在不同状态间进行转换。

  理论上讲,状态机可以分为Moore状态机和Mealy状态机两大类。它们之间的差异仅在于如何生成状态机的输出。Moore状态机的输出仅为当前 状态的函数。典型的例子就是计数器。而Mealy状态机的输出是当前状态和输入的函数。典型的例子就是Richards控制器。

  当需要定义一个状态机时,首先要绘制一张状态图。状态图可用来显示状态、状态间的转换和状态机的输出。图1显示了Moore状态机的状态图(左)和Mealy状态机的状态图(右)。

  如果您要在物理组件中实现这些状态图(工程师在FPGA问世之前就是这么做的),首先就得生成当前状态和后续状态表,然后生成实现状态机所需的逻辑。不过由于我们将使用FPGA来实现设计,因此我们可以直接从状态转换图开始工作。

  虽然有许多状态机是使用图1所示的状态图方法进行设计的,但另外还有一种描述状态机行为的方法,这就是算法状态图法。ASM图(图2)在外观上更加接近软件工程流程图。它由三个基本部分构成:

  一些工程师认为,如果使用VHDL等硬件描述语言,则采用ASM格式进行描述的状态机更易于映射到实现方案中。

  图2,用于图1所示的状态机(Moore状态机(左),Mealy状态机(右))的算法状态图。

  实现Moore状态机还是Mealy状态机,取决于状态机需要实现的功能,以及特定的反应次数要求。两种状态机之间的最大差别在于状态机如何对输入 做出反应。在输入和设置的适当输出之间,Moore状态机一般有一个时钟周期的延迟。这就意味着Moore状态机无法对输入变化立即做出反应,这点在图3 中可以清楚地看到。而Mealy状态机则能够立即对输入做出反应,这通常意味着:实现相同的函数,Mealy状态机比Moore状态机需要更少的状态。 Mealy状态机的不足之处就是在与另一个状态机进行通信时,如果输出出乎意料地严重依赖于其它事件的序列或时序,就可能会发生紊乱情况。

  图3,截屏显示了Moore状态机(上)和Mealy状态机(下)输出的仿真结果。

  当然,并非只能使用单纯的Moore状态机或Mealy状态机,也可以将这两种状态机混合使用,从而更有效地实现所需的函数。比如说,用于接收RS232串行数据的状态机就可以是混合机。

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