跟李凡老师学FPGA之D04：有限状态机设计（20160426课堂笔记）

跟李凡老师学FPGA之D04：有限状态机设计（20160426课堂笔记）

用笨笔头整理课堂笔记，用以备忘，温故而知新。
整理文稿的细节处未能一一体现李凡老师的讲课精髓和独特风采，有待下一步补充完善。
感谢李凡老师博大精深的学识、孜孜不倦的教诲，并敬请李凡老师原谅本人拙劣的课堂笔记。

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        今天我们会结合有限状态机的设计呢，完成我们下板的练习。
        昨天我们做了下板的练习，还差一个，就是键盘去抖。
        今天我们会用状态机来写键盘去抖。
        同样的，今天的课程开始之前，我们将昨天的练习做一个总结，做一个分享。
        昨天很多同学都已经完成了。
        做得都很好，而且还加入了自己的想法，自己的元素。
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        还是这样，完成的同学做个电子举手。
        出现有些问题的同学，我会帮你解决。
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        （同学练习分享）

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        （同学练习分享）

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        （同学练习分享）

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        （同学练习分享）

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        （点评同学练习）
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        （点评同学练习）
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        （点评同学练习）
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        我们昨天做了按键驱动，有的时候跳1，有的时候跳3，有的时候跳很多个字。
        有毛刺嘛，我们今天就解决这个毛刺的问题。
        毛刺的问题，显然我们会用状态机来解决。
        现在我们就来开始讨论状态机。

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        我说的这个状态及的理论呢，是一个非常复杂非常庞大，是发展最全面、理论体系发展最充分的，应用也是最广泛的一个方面。
        虽说我们只有一天的时间，我们不指望、也并不要求我们面面俱到，我们同学全部掌握。
        因为是入门嘛，介绍嘛，我当然会介绍得多一些，全面一些。
        那么这么多、这么全面，没有必要一天全部掌握。
        有限状态机称之为Finite State Machine，它是描述各种复杂的时序行为的一种机制，一种方法。
        有限状态机的理论在数字电路的时候，就得到了长足的发展。
        而引入EDA以后呢，更是几乎是做了革命性的变化。

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        昨天我说到了，有康华光、阎石的这个教材，我们国家的这个教材是几十年不变的，但是国外发展得非常快，理论体系。
        当然我们注意到，尤其康华光有它的再版，再版他也不断地更新了它的内容，尽量跟上国际的最前沿的理论的发展的实际。
        我们看到有限状态机，它的基础的背景是有限自动机，延伸出的理论模型，我会向大家介绍，我们后续的课程会介绍。
        今天打算就只是说一个名词，包括它的Sequential Machine序列机，以及它的Linear Sequential Machine线性序列机，算法机，以及由状态机和实际的电路构成的解决电路的模型，称之为FSMD、LSMD、ASMD等等。
        有一种说法就是，以后我们会看到状态机是解决复杂时序控制，时序电路里里面的一个重要的解决方案，或者说唯一的、我们在理论体系里面提供了完整支持的一个方案。
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        其它的，如果你脱离了状态机，你来写一个复杂的逻辑，那么你可能就是散打了，就是自由作业了。
        个人有个人的流派不同，但是呢也有可能写的好的，也可能写不好。
        状态机理论体系里面已经提供了充分的支持，按照状态机的理论来写的话，我们现在的工具，EDA的工具，它可以支持，否则不一定支持。
        因为是写一段电路，这段电路，你的独立的一些想法，独特的一些想法，好的方面发展它就是核心技术，就是专利，就是竞争力。
        不好的方面发展，保守一点说，那么你的思想很可能是前人已经走过的弯路。
        我们将不仅是前人走过的路，而且是前人走过的弯路。这种可能性更大。
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        为什么呢？
        因为在这个领域里面，前人的工作量已经非常巨大了，能够做出来的，能够看到是正确的，就是那么几条线。
        如果你没有走到那几条线上，那么你走到错误的路线上的可能性，就非常之大。
        因为正确的东西是收敛的。
        一个正确的方向，正确的处理问题、解决问题的理论体系，不同的研究者他往往可以得到相同的结果。
        但是错误却是发散的。
        不同的研究者他的错误是各种各样的错误，不一样的错误。
        所以说我们要注意到这一点，如果我们不引用状态机的理论，来写我们的逻辑，可不可以写呢？
        不是不可以写，是可以写，但是发生错误，是弯路的可能性，是非常之大，这个理由在什么地方？

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        就是我刚才说的，正确的东西是收敛的，这条路已经有很多很多人走过了，最后走到有限状态机这条路上，这不是偶然，这是必然。
        现在我们来说一下什么是有限状态机。
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        向我们昨天解决的这个bin2bcd，它是不是状态机呢？
        它不是，从严格意义上来说呢，它是一个自动机，FA，它是一个有限自动机，它是自动处理的，它是用硬件逻辑自动地处理输入和输出的关系。
        有限状态机呢，通常而言的话呢，就是一种实际解决问题的一种方案，我们马上就把它展开来。
        可是现在EDA的应用里面强调这一点，就是CPU也是解决问题的方案，嵌入式的CPU的架构。
        那么有限状态机跟CPU的区别在什么地方呢？
        或者说我们建模的时候，我们如何来写有限状态机呢？
        我们是不是把有限状态机写成一个类似CPU那样的结构呢？
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        这一点现在的EDA的发展的方向，国内稍微慢一点，也在跟进，基本上口径一致，状态机不是CPU。
        千万不要把状态机写成CPU，虽然状态机可以写成CPU，但是它绝不是CPU，也绝不应该把它写成CPU。
        当然，要说到这种通用的嵌入式的架构，那么CPU仍然是无可比拟的。
        好，我们现在来讨论什么是FSM。
        FSM，Finite State Machine，有限状态机。
        首先看到这个名词，我们有没有什么想法，为什么要用Finite来修饰它，不会是无限的吗？
        我们来说一个故事，有限状态机究竟是谁提出来的？
        是谁发展的？
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        大家都知道，我们现在用苹果手机，苹果手机的Logo，咬了一口的一个黑苹果。
        如果大家看过类似的电影，乔布斯的电影，或者是模仿游戏，大家都知道，阿兰图灵。
        对，状态机的首先提出者，是阿兰图灵。
        阿兰图灵在提出他的这个图灵机的思想的时候，他就引入了有限状态机。
        所以有限状态机呢，它跟计算机体系，称之为现代数理逻辑。
        跟计算机的架构，计算机的研发是紧密相关的。
        图灵当时就想到这么一件事情，如果这台机器没有故障，永远不停电，永远运行，那么在这种情况之下呢，它的描述，它的输出跟时间轴的关系。
        我们来看一看，举个例子。
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        那些比较深奥的数学模型我们就忽略了。
        我们就引用一个时期的例子，来说明为什么阿兰图灵称之为有限状态机。
        如果我们有一个计数器，计数器我们都已经很熟悉了。
        计数器端口有时钟，有复位，有对应的输出。
        这次呢，我们做成一个2个bit的输出，1:0的输出。
        那么这个输出对应时钟轴的关系是什么？
        如果这是一个函数，用函数的方式来描述它，我们会怎么描述呢？

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        这个q的输出，一定是这个函数counter的输出值。
        那么，这个函数，它引入的是谁呢？
        引入我们的，如果是站在逻辑的角度上，时钟和复位是引入的管脚。
        但是如果是站在数学的角度上，阿兰图灵他说，如果这个counter计数器没有故障，我们忽略它的故障，永远有电，那么在时间轴上，纵轴是它的输出值，横轴是时间轴。
        我们知道，在这个计数器置位以后，一定会在时钟作用下面，会反转。