FPGA实验：基于状态机的序列信号'1101'检测

"实验五 状态机实验-序列信号检测.pdf" 在本次实验中，我们将深入理解和应用状态机的概念，特别是Moore状态机和Mealy状态机，以实现一个能够检测特定序列“1101”的电路。这个实验旨在增强对状态机设计方法的掌握，并通过实践来熟悉FPGA开发环境。 Moore状态机是一种常见类型的状态机，其输出仅仅取决于当前状态，而不受当前输入的影响。这种特性使得Moore状态机在设计时，输出行为与输入信号的时序无关。图5-1展示了Moore状态机的基本结构，它由一系列状态和状态之间的转移构成。在Moore状态机的设计中，我们关注的是如何根据输入序列来改变状态，以及如何根据当前状态产生相应的输出。 以序列检测器为例，当检测到输入序列“1101”时，输出信号dout应置为1，其他情况输出为0。图5-2描绘了Moore状态机检测“1101”序列的状态转换图。这里，状态S0作为初始状态，若在S4状态下接收到输入1，将回到S2；若输入为0，则回到S0，重新开始检测。 Verilog是一种硬件描述语言，常用于FPGA设计。在给定的Verilog程序中，我们定义了5个状态（S0到S4）以及一个状态寄存器present_state和next_state来存储当前状态和下一次要转换到的状态。程序中的两个always块分别处理状态寄存器的更新（同步于时钟上升沿或清除信号clr）和状态转移逻辑。在状态转移模块中，根据present_state的值和输入din，计算出next_state的值。 实验需要用到的设备包括美国Digilent公司的Basys3 FPGA开发板、装有Vivado 2017.4的计算机以及USB连接线。Vivado是一款强大的集成开发环境，可用于设计、仿真、综合和编程FPGA项目。 通过本实验，学生不仅能够理解状态机的基本原理，还能实际操作FPGA硬件，将理论知识转化为实际工程应用。此外，实验过程中的设计、仿真和验证环节也能锻炼学生的逻辑思维能力和问题解决能力。 总结起来，这个实验涵盖了以下关键知识点： 1. Moore状态机和Mealy状态机的区别和应用。 2. Verilog语言在状态机设计中的应用。 3. FPGA开发环境的使用，包括Vivado软件和Basys3开发板。 4. 序列检测器的实现，特别是在状态转换图上的逻辑设计。 5. 数字电路中的状态寄存器和组合逻辑模块的设计。 通过这个实验，学生将能够深入理解状态机在数字系统设计中的重要性，并具备独立设计和实现状态机的能力。