第3讲 状态机1

序列检测器

实验目的：用状态机设计一个序列检测器，实现对序列10010的检测。

状态转换图如下：

图1 序列检测器的状态转换图

对于以上状态图作出如下说明：

（1）各箭头上方的数字表示状态跳转条件及相应的输出结果。如：S0—>S1上的1/0表示当输入的数据为1时，由状态S0跳转到状态S1，并且输出为0，表示还未检测到（或未检测完）数据流10010。同理，当完整地检测到10010时就输出1。

（2）从S0~S5共有六种状态，在设计程序的时候，通常是采用3bit数据类型表示即可，但是，为了适应高速数字电路的应用需求，扩大数据信号的时间窗（时间窗由建立时间和保持时间构成），避免出现不稳定的中间态，故此六种状态采用6bit的数据类型表示。

（3）下面描述一下状态跳转的过程：

S0为起始状态（或默认状态），当第一个bit到来的时候，判断其是否为1，若为1则跳转到S1状态，并输出0作为标志信号，表示序列检测尚未完成；若为0则保持当前状态不变，同时输出标志信号0。

若当前状态为S1，当前输入的bit为0，则状态机跳转到S2状态，并输出标志信号0；若当前输入的bit为1，则保持当前状态不变。

若当前状态为S2，当前输入的bit为0，则状态机跳转到S3状态，并输出标志信号0；若当前输入的bit为1，则状态机跳转到S1状态，并输出标志信号0。

若当前状态为S3，当前输入的bit为1，则状态机跳转到S4状态，并输出标志信号0；若当前输入的bit为0，则状态机跳转到S0状态，并输出标志信号0。

若当前状态为S4，当前输入的bit为0，则状态机跳转到S5状态，并输出标志信号1，检测到一个完整的“10010”序列；若当前输入的bit为1，则状态机跳转到S1状态，并输出标志信号0。

若当前状态为S5，当前输入的bit为0，则状态机跳转到S3状态，并输出标志信号0；若当前输入的bit为1，则状态机跳转到S1状态，并输出标志信号0。

除上述跳转过程外，各状态均需加上一条复位跳转路径，即：当复位信号rst_n当来的时候，任何状态都跳转到S0状态，输出0作为标志信号。

按照上面的状态跳转图写状态机，控制状态跳转和信号输出，程序代码如下截图所示：

接下来是写testbench，代码如下：

以上testbench的目的：

（1）产生频率为50MHz的时钟信号和复位信号；

（2）产生测试需要的比特流序列，该序列为11100011010010100101100100100010，将它们送给序列检测器予以检测。

Quartus综合所得的状态转换图如下图所示：

图2 Quartus综合所得的状态转换图

对比图2和图1可知，综合后所得的状态转换图与设计要求中的状态转换图一致，转换条件相同。下面，可以直接看仿真结果，仿真结果如图3所示：

图3 仿真结果截图