状态机思想

状态机思想在电话控制IC设计中的应用
博客介绍了状态机的思想,包括状态及状态转换的基本概念。以设计普通电话控制IC为例,阐述了电话在不同操作下的状态,如发呆、摘机、被叫等,并用通式表达状态转换,即当前状态到下一状态。

状态机(state machine)的思想

状态(当前状态和下一状态)以及状态转换,是状态机的基本概念。
比如现在要设计一个简单的普通电话控制IC,那么首先要考虑的就是这块
device有几个状态呢?根据我们的常识就可以知道,如果电话静静躺在那
里它是什么都不干的,叫它发呆idle如何?如果用户摘机了,小键盘控制
器就要准备检测键盘了,这又算一个状态吧?(当然这里还可以分不拨号
挂机、拍簧、正常拨号等等情况,又要分别处理)。如果这时候本机是被
叫呢?那么就要做应答处理。如果正常拨号了,就要将所拨的号送往发送
端口,然后等待交换机将相应的信令送回来,比如震铃音、对方摘机、对
方挂机,也就是对交换的信令作相应处理。那么用状态(state)就可以描
述为:(呵呵,简单表述一下吧,只为说明"状态"的概念,详细的状态可
查电信手册)
摘机 完毕
idle=====>scanKey====>process====>idle;(复杂的状态还可以有子状态)
被叫 完毕
idle=====>Ring=====>process====>idle;


驱动信号
总得说来,用通式可以表达为:current state===========>next state;

### FPGA状态机编程实现方法 #### 使用Verilog实现FPGA状态机 在Verilog中,可以通过定义有限状态机(FSM)来实现复杂的功能逻辑。以下是基于二段式结构的状态机设计方法: 1. **状态编码** 首先需要定义状态变量及其对应的编码方式。常见的编码方式包括独热码(One-Hot)、二进制编码等。例如,在一个三状态的简单状态机中可以这样定义状态枚举型变量[^2]: ```verilog typedef enum logic [1:0] {IDLE, READ, WRITE} state_t; ``` 2. **当前状态寄存器** 定义一个寄存器用于存储当前状态,并通过组合逻辑计算下一状态。 ```verilog state_t current_state, next_state; always_ff @(posedge clk or negedge reset_n) begin if (!reset_n) current_state <= IDLE; // 复位到初始状态 else current_state <= next_state; // 更新状态 end ``` 3. **状态转移逻辑** 组合逻辑部分负责根据输入信号决定下一个状态。 ```verilog always_comb begin case (current_state) IDLE: if (start_signal) next_state = READ; else next_state = IDLE; READ: if (data_ready) next_state = WRITE; else next_state = READ; WRITE: next_state = IDLE; default: next_state = IDLE; endcase end ``` 4. **输出解码逻辑** 输出由当前状态驱动,通常也采用组合逻辑完成。 ```verilog always_comb begin case (current_state) IDLE: output_signal = 0; READ: output_signal = read_data(); WRITE: output_signal = write_data(); default: output_signal = 0; endcase end ``` --- #### 使用VHDL实现FPGA状态机 同样地,在VHDL中也可以利用类似的两阶段法构建状态机模型。 1. **状态类型声明** 声明一个状态类型的枚举数据类型并初始化各个可能的状态值。 ```vhdl type STATE_TYPE is (IDLE, READ, WRITE); signal CURRENT_STATE : STATE_TYPE := IDLE; signal NEXT_STATE : STATE_TYPE; ``` 2. **同步过程:更新当前状态** 利用进程语句创建时序逻辑模块以保存当前状态至触发沿到来为止。 ```vhdl process(clk, reset_n) begin if reset_n = '0' then CURRENT_STATE <= IDLE; elsif rising_edge(clk) then CURRENT_STATE <= NEXT_STATE; end if; end process; ``` 3. **组合逻辑:确定下一次跳转目标** 结合外部条件判断设定新的目标位置。 ```vhdl process(CURRENT_STATE, start_signal, data_ready) begin case CURRENT_STATE is when IDLE => if(start_signal = '1') then NEXT_STATE <= READ; else NEXT_STATE <= IDLE; end if; when READ => if(data_ready = '1') then NEXT_STATE <= WRITE; else NEXT_STATE <= READ; end if; when WRITE => NEXT_STATE <= IDLE; end case; end process; ``` 4. **输出映射处理** 将内部状态转换成实际硬件接口所需的控制命令或者数据流形式。 ```vhdl process(CURRENT_STATE) begin case CURRENT_STATE is when IDLE => OUTPUT_SIGNAL <= '0'; when READ => OUTPUT_SIGNAL <= READ_DATA; when WRITE => OUTPUT_SIGNAL <= WRITE_DATA; end case; end process; ``` --- ### 总结 无论是使用Verilog还是VHDL编写FPGA上的状态机程序,都遵循着相似的设计原则——即分离状态迁移路径与具体动作执行这两部分内容以便于调试分析以及后期扩展改进工作开展顺利进行下去[^1]。
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