第五章 VHDL状态机.ppt

第五章 VHDL状态机 电子信息工程学院 董素鸽 主要内容 5.1 状态机概述 什么是状态机？ 时序电路分析：驱动方程，状态方程，输出方程，状态转换表，状态转换图。 时序电路设计？（思考） 状态机就是在有效状态内，在时钟的驱动下，通过给定初始状态，能够自动完成状态间的循环和相应状态的输出的时序逻辑电路。 状态机分为状态译码部分：根据输入以及系统当前的状态，由状态方程来决定下一状态的状态码。状态输出部分：根据当前的状态码决定电路的当前输出。状态转换部分：将下一状态转变为当前状态。 状态机如何工作 状态机的VHDL结构 状态译码，状态输出，状态转换 双进程结构，时序进程REG完成状态转换，即把下一状态转换为当前状态，组合进程COM完成当前状态下的状态译码和状态输出。 与状态机相关的语法语句 类型定义语句 已定义数据类型：BIT,STD_LOGIC,BOOLEAN…… 用户自己定义新的数据类型：枚举，数组，记录，时间，实数等 如何自定义数据类型？ TYPE 数据类型名 IS 数据类型定义； TYPE 数据类型名 IS 数据类型定义 OF 基本数据类型； 自定义数据类型 Type week is (sun,mon,tue,wed,thu,fri,sat); Type st1 is array (0 to 15) of std_logic; Std_logic_vector(0 to 15) Type m_state is (st0,st1,st2,st3,st4,st5); Signal present_state,next_state : m_state; 枚举数据类型是使用文字符号来表示一组实际的二进制数。枚举类型的文字元素在综合器中使用一组二进制数值来表示的，具体数值由综合器来完成，用户不需介入。 自定义数据类型 子类型SUBTYPE 子类型是由TYPE所定义一的原数据类型的一个子集。满足原数据类型的所有约束条件，只是确定了数据范围。 SUBTYPE 子类型名 IS 基本数据类型 RANGE 约束范围 SUBTYPE digits IS INTEGER RANGE 0 to 9; NATURAL POSITIVE 状态机有哪几种？ Moore状态机 输出只取决于系统当前的状态，而与系统的输入无关 Mealy状态机 输出不仅取决于当前的状态，还取决于系统当前的输入。 状态机的优势 1.控制灵活 2.利于综合器的优化 3.能够良好的避免毛刺 4.程序结构清晰，层析分明 5.在高速运算和控制方面优势明显 6.可靠性高 状态机实例 用VHDL语言描述状态机的一般模式（结构）： 1.说明部分：定义状态机使用的枚举数据类型 2.主控时序进程：在时钟的驱动下进行状态转换。 3.主控组合进程：根据当前状态完成状态译码和状态输出，并将状态译码反馈给主控时序进程，将状态输出给系统输出。 4.辅助进程：完成一些辅助算法。 例 5-1 例5-1状态机的时序图 5.2 Moore状态机 Moore状态机概念 输出只取决于系统当前的状态，而与系统的输入无关 多进程Moore状态机实例 多进程Moore状态机 （以A/D转换控制器为实例） 用状态机实现A/D控制器的好处：速度快 用CPU或单片机：编程简单，控制灵活，但周期长，速度慢 A/D控制器，区别于A/D转换器。A/D控制器来控制A/D转换器的工作。控制A/D转换器的数据读入，转换开始，转换完毕数据的读取等工作。 多进程Moore状态机实例 ADC0809控制器 0809控制器 状态转换图 程序实例： 例5-2 例5-2 程序解析 COM,REG,LATCH1三个进程 COM：状态译码和状态输出 REG：状态转换 LATCH1：转换数据锁存 输入输出信号作用解析： ALE：模拟信号通道地址锁存（为‘1’时读入待转换的模拟信号） START：A/D转换启动信号 LOCK：数据锁存进程锁存数据信号，为‘1’时锁存 OE：数据输出有效信号，为‘1’时输出转换好的数据 EOC：0809转换状态信号，为‘0’时表示正在进行A/D转换，为‘1’时表示转换完毕，可以输出。 ADDA：模拟信号进入通道选择信号，为‘0’时选通道0，为‘1’时选通道1 Q：0809A/D转换后的数字输出数据，交给控制器锁存并输出 ADC0809控制器时序分析 st0,st1,st2,st3,st4 例5-3 程序解析 在例5-2中，COM进程完成了状态译码和状态输出两个任务。此进程可以拆分为两个进程，来分别完成状态译码和状态输出工作 例5-3 COM1完成状态译码 COM2完成状态输出 程序最终结果与例5-2无任何差别，只是在结构上更加