状态机

发表于 2011-10-12 10:38

　关于状态机的一个极度确切的描述是它是一个有向图形，由一组节点和一组相应的转移函数组成。状态机通过响应一系列事件而“运行”。每个事件都在属于“当前” 节点的转移函数的控制范围内，其中函数的范围是节点的一个子集。函数返回“下一个”（也许是同一个）节点。这些节点中至少有一个必须是终态。当到达终态，状态机停止。
　　包含一组状态集（states）、一个起始状态（start state）、一组输入符号集（alphabet）、一个映射输入符号和当前状态到下一状态的转换函数（transition function）的计算模型。当输入符号串，模型随即进入起始状态。它要改变到新的状态，依赖于转换函数。在有限状态机中，会有有许多变量，例如，状态机有很多与动作（actions）转换(Mealy机)或状态（摩尔机）关联的动作，多重起始状态，基于没有输入符号的转换，或者指定符号和状态（非定有限状态机）的多个转换，指派给接收状态（识别者）的一个或多个状态，等等。
　　传统应用程序的控制流程基本是顺序的：遵循事先设定的逻辑，从头到尾地执行。很少有事件能改变标准执行流程；而且这些事件主要涉及异常情况。“命令行实用程序”是这种传统应用程序的典型例子。
　　另一类应用程序由外部发生的事件来驱动——换言之，事件在应用程序之外生成，无法由应用程序或程序员来控制。具体需要执行的代码取决于接收到的事件，或者它相对于其他事件的抵达时间。所以，控制流程既不能是顺序的，也不能是事先设定好的，因为它要依赖于外部事件。事件驱动的GUI应用程序是这种应用程序的典型例子，它们由命令和选择（也就是用户造成的事件）来驱动。
　　Web应用程序由提交的表单和用户请求的网页来驱动，它们也可划归到上述类别。但是，GUI应用程序对于接收到的事件仍有一定程度的控制，因为这些事件要依赖于向用户显示的窗口和控件，而窗口和控件是由程序员控制的。Web应用程序则不然，因为一旦用户采取不在预料之中的操作（比如使用浏览器的历史记录、手工输入链接以及模拟一次表单提交等等），就很容易打乱设计好的应用程序逻辑。
　　显然，必须采取不同的技术来处理这些情况。它能处理任何顺序的事件，并能提供有意义的响应——即使这些事件发生的顺序和预计的不同。有限状态机正是为了满足这方面的要求而设计的。
　　有限状态机是一种概念性机器，它能采取某种操作来响应一个外部事件。具体采取的操作不仅能取决于接收到的事件，还能取决于各个事件的相对发生顺序。之所以能做到这一点，是因为机器能跟踪一个内部状态，它会在收到事件后进行更新。为一个事件而响应的行动不仅取决于事件本身，还取决于机器的内部状态。另外，采取的行动还会决定并更新机器的状态。这样一来，任何逻辑都可建模成一系列事件/状态组合。
　　[1]状态机可归纳为4个要素，即现态、条件、动作、次态。这样的归纳，主要是出于对状态机的内在因果关系的考虑。“现态”和“条件”是因，“动作”和“次态”是果。详解如下：
　　①现态：是指当前所处的状态。
　　②条件：又称为“事件”，当一个条件被满足，将会触发一个动作，或者执行一次状态的迁移。
　　③动作：条件满足后执行的动作。动作执行完毕后，可以迁移到新的状态，也可以仍旧保持原状态。动作不是必需的，当条件满足后，也可以不执行任何动作，直接迁移到新状态。
　　④次态：条件满足后要迁往的新状态。“次态”是相对于“现态”而言的，“次态”一旦被激活，就转变成新的“现态”了。

发表于 2011-10-12 10:39

　状态机简写为FSM(Finite State Machine),主要分为2大类：第一类，若输出只和状态有关而与输入无关，则称为Moore状态机：第二类，输出不仅和状态有关而且和输入有关系，则称为Melay状态机。要特别注意的是，因为Melay状态机和输入有关，输出会受到输入的干扰，所以可能会产生毛刺（Gitch）现象，使用时应当注意。事实上现在市面上有很多EDA工具可以很方便的将采用状态图的描述转换成可以综合的VHDL程序代码。

发表于 2011-10-12 10:39

Moore状态机
　　其Moore状态图如图1所示。　　S0/0S1/1S3/0S2/100110011 　　其中S0/0所代表的意思为现在是状态S0且输出为0，状态图最主要是将每个状态都给予一个编号，详细描述如下：　　1）在某状态时，列出所有的输出条件。　　2）在某状态时，当输入信号是什么则会跳至哪一个状态。　　3）在某状态时，当输入信号是什么则会维持原状态不变。　　可以将图1的Moore状态机写成状态表如表1. 　　表1 Moore状态表　　状态次态输出
X=0 X=1
S0 S0 S1 0
S1 S1 S2 1
S2 S3 S0 0
S3 S0 S3 0

　　状态表主要描述它与状态图的关系，再设计状态机电路是，需要先定义状态机的变量，定义状态机的变量时使用枚举类型来定义，如下范例所示：　　Type State is (S0,S1,S2,S3) 　　接下来，状态会被加以编码。其状态编码方式如下：　　（1）时序编码（Sequential）　　将每个状态以二进制来做编码。　　（2）格雷码 (Gray) 　　也是将四个State以二进制来编码，不过不同的是每次编码只会差一个位，其主要缺点是状态改变是要依序改变才可以，若状态不是依序是，则Gray编码不适用。　　（3）独热码（One hot）　　独热码状态编码的特色为每一个状态均有自己的触发器，所以若有N个状态就也存在有N个触发器，在任一时刻只会有一组状态编码，缺点是会产生较大的电路，但是相对的使用独热码状态编码对帧错相当有帮助。　　三种格式之状态编码如表2所示。　　状态时序编码 Gray编码 One hot编码
S0 00 00 0001
S1 01 01 0010
S2 10 11 0100
S3 11 10 1000
　　从状态编码表可以看出时序编码和Gray编码均是用二个位来做编码，而以独热码作为编码方式则编码位增加至四个位，所以电路比其他两种编码方式都大一些。　　所以可以使用属性来定义编码方式，若要编码成独热码编码，则可加上：　　Type State is (S0,S1,S2,S3); 　　Attribute encoding of state; 　　Type is “0001 0010 0100 1000”; 　　在设计状态机时，通常使用进程语句来描述状态机，其中进程语句又可以分为三种方式：　　n 一个进程　　利用一个进程来描述状态的转换及输出信号的定义。　　n 两个进程　　一个为时序电路主要负责状态变量的更新，此进程为同步电路，而另一个进程语句主要是描述下次态变量和输出的更新。　　n 三个进程　　第一个进程主要负责状态变量的更新，第二个进程语句负责描述次态变量，而最后一个则是负责输出信号的更新。　　有了以上的初步观念，可以设计图1四个状态的Moore状态机。

发表于 2011-10-12 14:20

顶起来。

[Actel FPGA] 状态机

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