引言
在数字电路设计领域，状态机是一种常用的时序逻辑电路，它能够根据输入信号和内部状态的变化，按照一定的顺序进行状态转换。摩尔状态机和米利状态机是两种常见的状态机设计，它们在技术原理和应用上存在显著差异。本文将深入解析这两种状态机的原理，并探讨它们在应用中的不同。
摩尔状态机原理
概述
摩尔状态机（Moore Machine）以输出信号作为状态变量的函数，输出在时钟上升沿改变。其特点是输出只依赖于当前的状态，而与输入信号无关。
工作原理
- 状态编码：将系统的所有可能状态进行编码，通常使用二进制编码。
- 状态表：列出所有状态转换以及相应的输出。
- 触发器：使用D触发器或JK触发器实现状态的存储。
- 逻辑电路：根据状态表设计逻辑电路，实现状态转换。
例子
module moore_state_machine(
input clk, // 时钟信号
input rst, // 复位信号
input x, // 输入信号
output reg y // 输出信号
);
reg [1:0] state; // 状态寄存器
// 状态转换表
always @(posedge clk or posedge rst) begin
if (rst)
state <= 2'b00;
else
case (state)
2'b00: if (x) state <= 2'b01;
else state <= 2'b10;
2'b01: state <= 2'b10;
2'b10: state <= 2'b00;
endcase
end
// 输出逻辑
always @(state) begin
case (state)
2'b00: y <= 1'b0;
2'b01: y <= 1'b1;
2'b10: y <= 1'b0;
endcase
end
endmodule
米利状态机原理
概述
米利状态机（Mealy Machine）以输出信号作为状态变量的函数以及输入信号的函数，输出在时钟沿或边沿改变。
工作原理
- 状态编码：与摩尔状态机类似，对状态进行编码。
- 状态表：列出所有状态转换以及相应的输出。
- 触发器：同样使用D触发器或JK触发器实现状态的存储。
- 逻辑电路：根据状态表设计逻辑电路，实现状态转换和输出。
例子
module mealy_state_machine(
input clk, // 时钟信号
input rst, // 复位信号
input x, // 输入信号
output reg y // 输出信号
);
reg [1:0] state; // 状态寄存器
// 状态转换表
always @(posedge clk or posedge rst) begin
if (rst)
state <= 2'b00;
else
case (state)
2'b00: if (x) state <= 2'b01;
else state <= 2'b10;
2'b01: state <= 2'b10;
2'b10: state <= 2'b00;
endcase
end
// 输出逻辑
always @(state or x) begin
case (state)
2'b00: y <= 1'b0;
2'b01: y <= 1'b1;
2'b10: y <= x;
endcase
end
endmodule
应用差异
输出变化
- 摩尔状态机：输出只与当前状态有关，不依赖于输入信号。
- 米利状态机：输出不仅与当前状态有关，还与输入信号有关。
效率
- 摩尔状态机：通常需要更多的触发器和逻辑门，但输出变化较少，可能更稳定。
- 米利状态机：可能需要更少的触发器和逻辑门，但输出变化可能更多，可能更复杂。
应用场景
- 摩尔状态机：适用于输出变化不频繁且稳定性要求高的场合，如计数器、时钟发生器等。
- 米利状态机：适用于输出变化频繁且输入信号对输出影响较大的场合，如序列检测器、数据压缩器等。
结论
摩尔状态机和米利状态机是两种常用的状态机设计，它们在技术原理和应用上存在显著差异。了解这两种状态机的特点和应用场景对于数字电路设计具有重要意义。通过本文的解析，希望读者能够对这两种状态机有更深入的理解。