一周掌握 FPGA VHDL Day 4

2020-12-30 14:53:22 浏览数 (1)
大侠好，欢迎来到FPGA技术江湖，江湖偌大，相见即是缘分。大侠可以关注FPGA技术江湖，在“闯荡江湖”、"行侠仗义"栏里获取其他感兴趣的资源，或者一起煮酒言欢。

今天给大侠带来的是一周掌握 FPGA VHDL Day 4，今天开启第四天，带来状态机在VHDL中的实现。下面咱们废话就不多说了，一起来看看吧。每日十分钟，坚持下去，量变成质变。

VHDL语言

四、状态机在VHDL中的实现

4.1 Moore 状态机的VHDL描述

输出仅取决于其所处的状态。

代码语言：javascript复制
LIBRARY IEEE；USE IEEE.Std_ Logic_1164.ALL；ENTITY Moore IS
PORT
（ Reset, Clock, DIN ：IN Std_Logic；
DOUT：OUT Std_Logic_Vetor(2 DOWNTO 0))； 
END；
ARCHITECTURE Mooremachine OF Moore IS
TYPE State_type IS (S0，S1，S2，S3)；－－定义State_type为枚举型数据类型 SIGNAL State：State_type；BEGIN
Change_State: PROCESS (Reset, Clock) －－时序逻辑进程
BEGIN
IF Reset=‘1’ THEN 
State<=S0；
代码语言：javascript复制
ELSEIF rising_edge(Clock) THEN
    CASE State IS
        WHEN S0=〉IF DIN=‘1’ THEN State<=S1；END IF；
        WHEN S1=〉IF DIN=‘1’ THEN State<=S2；END IF；
        WHEN S2=〉IF DIN=‘1’ THEN State<=S3；END IF；
        WHEN S3=〉IF DIN=‘1’ THEN State<=S0；
    ELSE State<=S1；
    END IF ；
    END CASE；
    END IF；
END PROCESS；
－－定义输出进程，组合逻辑
    Output_Process：
    PROCESS（State） BEGIN
        CASE State IS 
            WHEN S0=>DOUT <=“001”；
            WHEN S1=>DOUT <=“011”；
            WHEN S2=>DOUT <=“101”；
            WHEN S3=>DOUT <=“111”；
        END CASE；
    END PROCESS；
END；

仿真波形图：

时钟同步Moore状态机结构图：

代码语言：javascript复制
LIBRARY IEEE；USE IEEE.Std_ Logic_1164.ALL；ENTITY Moore IS
PORT
（ Reset,Clock, DIN ：in Std_Logic；
DOUT：out Std_Logic_Vetor(2 DOWNTO 0) )；
END；
ARCHITECTURE Mooremachine OF Moore IS
TYPE State_type IS (S0，S1，S2，S3)；
SIGNAL PresentState, NextState ：State_type；－－定义状态转换信号
  BEGIN
    State_Reg: PROCESS (Reset, Clock) －－状态寄存器 
      BEGIN
        IF Reset=‘1’ THEN －－异步复位 
          PresentState<=S0；
          ELSEIF rising_edge(Clock) THEN
          PresentState<=NextState；－－时钟上升沿，转换至下一状态
        END IF；
END PROCESS；
代码语言：javascript复制
Change_State:PROCESS (PresentState，DIN) －－组合逻辑进程
BEGIN
CASE Present State IS 
WHEN S0=〉if DIN=‘1’ then NextState<=S1；
else NextState<=S0；
end if；
DOUT <=“001”；
WHEN S1=〉if DIN=‘1’ then NextState<=S2；
else NextState<=S1；
end if ；
DOUT <=“011”；
WHEN S2=〉if DIN=‘1’ then NextState<=S3；else NextState<=S2；
end if ；DOUT <=“101”；
WHEN S3=〉if DIN=‘1’ then NextState<=S0；
else NextState<=S1；
end if ；DOUT <=“111”；
END CASE；
END PROCESS；
END；

仿真波形图：

4.2 Mealy 状态机的VHDL描述

输出由当前状态与输入共同决定。

代码语言：javascript复制
LIBRARY IEEE；
USE IEEE.Std_ Logic_1164.ALL；
ENTITY MealyMachine IS
PORT
（ Reset ,Clock,DIN：IN Std_Logic；
DOUT：OUT Std_Logic_Vetor(2 DOWNTO 0)
)；
END；
ARCHITECTURE Statemachine OF MealyMachine IS
TYPE State_type IS (S0，S1，S2，S3)；
SIGNAL State：State_type；
BEGIN
Change_State: PROCESS (Reset，Clock)
BEGIN
IF Reset=‘1’ THEN 
State<=S0；
ELSIF rising_edge(Clock) THEN
CASE State IS
WHEN S0=〉IF DIN=‘1’ THEN State<=S1；END IF； 
WHEN S1=〉IF DIN=‘1’ THEN State<=S2；END IF； 
WHEN S2=〉IF DIN=‘1’ THEN State<=S3；END IF； 
WHEN S3=〉IF DIN=‘1’ THEN State<=S0；
ELSE State<=S1; END IF ； 
END CASE； 
END IF； 
END 
PROCESS；Output_Process：PROCESS（State，DIN）
BEGIN
CASE State IS 
WHEN S0=>IF DIN=‘0’ THEN DOUT <=“000”；
ELSE DOUT<=“001”；END IF；WHEN S1=>IF DIN=‘0’ THEN DOUT <=“010”；
ELSE DOUT<=“011”；END IF；WHEN S2=> IF DIN=‘0’ THEN DOUT <=“100”；
ELSE DOUT<=“101”；END IF；WHEN S3=> IF DIN=‘0’ THEN DOUT <=“110”；
ELSE DOUT<=“111”；END IF；
END CASE；
END PROCESS；
END；

仿真波形图：

4.3 状态机的容错设计

主要针对未定义状态（剩余状态）

  • 单独设计一个状态(ERROR)，用以处理状态机出错的情况， 用 WHEN OTHERS=>State<=Error； 使状态机从未定义的状态跳转到处理出错情况的状态；
  • 直接回复到其他已设定的状态。

4.4 状态机设计与寄存器

  • 对于所有可能的输入条件，当进程中的输出信号如果没有被完 全地与之对应指定，此信号将自动被指定，即在未列出的条件下 保持原值，这意味着引入了寄存器。
  • 在状态机中，如果存在一个或更多的状态没有被明确指定转换方式，或者对于状态机中的状态值没有规定所有的输出值，就可能引入寄存器。

Day 4 就到这里，Day 5 继续开始常用电路的VHDL程序。

END

后续会持续更新，带来Vivado、 ISE、Quartus II 、candence等安装相关设计教程，学习资源、项目资源、好文推荐等，希望大侠持续关注。

大侠们，江湖偌大，继续闯荡，愿一切安好，有缘再见！

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