VHDL之状态机学习笔记：转（鉴于状态机方面的问题太多，贴出此贴）
因为状态机的应用实在是太广泛了，例如各种存储器的控制，AD的控制外部器件的控制，也包括内部电路的控制，到了非学不可的地步了。
对于状态机的理论没有涉及太多，只有几点需要注意：
（1）moore和mealy的区别在于输出是否只和当前状态有关。
（2）状态机的两种基本操作：一是状态机内部状态的转换，另一是产生输出信号序列。
（3）状态机的分析可以从状态图入手，同样，状态机的设计也可以从状态图入手。
在集成电路设计时，通常可以将整个系统划分为两部分，一部分是数据单元，另一部分是控制单元。数据单元包含保存运算数据和运算结果的数据寄存器，也包括完成数据运算的组合逻辑。控制单元用来产生信号序列，以决定何时进行何种数据运算，控制单元要从数据单元得到条件信号，以决定继续进行那些数据运算。数据单元要产生输出信号，数据运算状态等有用信号。数据单元和控制单元中，有两个非常重要的信号，即复位信号和时钟信号。复位信号保证了系统初始状态的确定性，时钟信号则是时序系统工作的必要条件。状态机通常在复位信号到来的时候恢复到初始状态，每个时钟到来的时候内部状态发生变化。
正如上面的（3）提到的，设计状态机时一般先构造出状态图。构造状态图的一般方法是从一个比较容易描述的状态开始，通常初始态是一个很好开始的状态，也就是状态机复位以后开始的状态。在建立每个状态时最好都清楚的写出关于这个状态的文字描述，为硬件设计过程提供清晰的参考资料，也为最后完成的设计提供完整的设计文档。
下面给出一个用VHDL实现ADC0804控制器的完整设计过程。
首先根据ADC0804的时序图分析所有可能的状态，并且建立起来状态图。
时序图：
http://pic13.album.tom.com/album ... 4%6a%77%49%71%6d%74
4个状态如下：
idle: CS=0,WR=0,RD=1 启动AD0804开始转换
convert：CS=1,WR=1,RD=1,AD0804进行数据转换
read1: CS=1,WR=1,RD=1,INTR,转换结束，开始读
read2: CS=1,WR=1,RD=0,读取数据。
状态图：
http://pic13.album.tom.com/album ... 4%6a%77%4b%73%69%72
VHDL程序如下，所用的综合器是XST
--------------------------------------------------------------------------------
-- Design Name: skycanny
-- Module Name: ad_controller - Behavioral
-- Description: This VHDL design is created to implement a state machine
-- to control AD0804
--------------------------------------------------------------------------------
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entity ad_controller is
port(
reset : in std_logic;
clk : in std_logic;
intr : in std_logic;
data_i : in std_logic_vector(7 downto 0);
data_o : out std_logic_vector(7 downto 0);
cs : out std_logic;
wr : out std_logic;
rd : out std_logic
);
end ad_controller;
architecture Behavioral of ad_controller is
type state is (start, convert, read1, read2);
signal current_state, next_state : state;
signal data_r : std_logic_vector(7 downto 0);
signal read_data : std_logic;
begin
sync :process(reset,clk)
begin
if(reset = '0') then
current_state <= start;
elsif(clk'event and clk = '1') then
current_state <= next_state;
end if;
end process sync;
comb :process(current_state, intr)
begin
case current_state is
when start =>
next_state <= convert;
cs <= '0';
wr <= '0';
rd <= '1';
read_data <= '0';
when convert =>
if(intr = '0') then
next_state <= read1;
else
next_state <= convert;
end if;
cs <= '1';
wr <= '1';
rd <= '1';
read_data <= '0';
when read1 =>
next_state <= read2;
cs <= '0';
wr <= '1';
rd <= '0';
read_data <= '1';
when read2 =>
next_state <= start;
cs <= '1';
wr <= '1';
rd <= '1';
read_data <= '0';
when others =>
next_state <= start;
end case;
end process comb;
get_data: process(reset,clk)
begin
if(reset = '0') then
data_r <= X"00";
elsif(clk'event and clk = '1') then
if(read_data = '1') then
data_r <= data_i;
end if;
end if;
end process;
data_o <= data_r;
end Behavioral;
功能仿真图：
http://pic13.album.tom.com/album ... 4%6a%77%4b%75%6d%73
从仿真图可以看出，该控制器工作正常。
RTL原理图：
http://pic13.album.tom.com/album ... 4%6a%77%4b%73%69%72
总结：对于时序电路中用到的状态机，分析时序电路中间经历的状态可以很快得出状态机的整体结构，然后用VHDL实现就可以。另外ISE提供了StateCad，方便了状态机的设计，仿真等等。
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