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Sistemas Embutidos – Versão Modificada 1.1 Finite State Machines.

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Apresentação em tema: "Sistemas Embutidos – Versão Modificada 1.1 Finite State Machines."— Transcrição da apresentação:

1 Sistemas Embutidos – Versão Modificada 1.1 Finite State Machines

2 Sistemas Embutidos – Versão Modificada 1.2 Máquinas de Estados Finitos e Autômatos São uma Forma Muito Usada para Representar Sistemas que Possuem Memorização de Estados, não sendo Portanto Meramente Combinacionais. Podem ser usados para Representar: Protocolos em Redes Comportamento de Circuitos Eletrônicos Comportamento de Programas de Computador Comportamento de um Processo de Fabricação O Contrôle de Um Processo Físico Analógico de Uma forma Geral: PROCESSO Entrada Analógica Saída Analógica Realimentação Somador/ Comparador Num Sistema Analógico a Relação entre Saída e Entrada Pode Ser Representada por Equações Diferenciais e Integrais Variáveis Assumem Valôres Contínuos no Tempo

3 Sistemas Embutidos – Versão Modificada 1.3 Lógica Combinacional e Lógica Sequencial Lógica Combinacional A saída depende apenas de uma combinação lógica dos valores de entrada. A saída não precisa esperar nenhum clock para ser gerada. Saídas são geradas um tempo pequeno (atraso da lógica) após as entradas mudarem. Lógica Sequencial É a que faz uso de registros (memória) A saída pode depender apenas dos estados dos flip-flops ou da combinação dos estados e das entradas. Denomina-se ESTADO da lógica sequencial ao conjunto de 1s e 0s armazenados nos flip-flops (memória) da lógica O relógio demarca o momento em que os estados mudam. A B C D S T U S T DQ C DQ C A B C D CK

4 Sistemas Embutidos – Versão Modificada 1.4 Autômatos – Variáveis Assumem Valores Discretos no Tempo Representação: A- Diagrama de Transição A- Tabela de Transição PRÓXIMO ESTADOSAÍDAS (z) ESTADO ATUAL ENTRADAS x, y ENTRADAS x, y E0 E2E0E10001 E3E1 E21000 E30??0 E4E30?0? E4 E0E2E4?11? E0 E1 E2 E3 E4 10/0 00/0 11/1 01/0 10/0 00/1 00/0 11/0 01/110/1 00/0 10/0 Reset Saída (z) Entradas(x, y) Estado 01/0

5 Sistemas Embutidos – Versão Modificada 1.5 Autômatos Determinísticos e Não Determinísticos Autômato Finito Determinístico (AFD) Um Conjunto Q de Elementos Denominados Estados Um conjunto finito I denominado alfabeto de entrada Uma função F de mapeamento de Q X I em Q Um estado inicial q0 em Q Um Conjunto (não vazio) de Estados Terminais Z Autômato Finito Não Determinístico (AFND) Um Conjunto Q de Elementos Determinados Estados Um Conjunto finito I denominado alfabeto de entrada Uma função F de mapeamento de Q x I em subconjuntos de Q Um conjunto de estados iniciais em Q Um conjunto (não vazio) de estados terminais Z contido em Q NOTA: Um AFND pode estar em vários estados simultaneamente (paralelismo – vários caminhos podem ser percorridos ao mesmo tempo para chegar ao resultado final)

6 Sistemas Embutidos – Versão Modificada 1.6 Mealy and Moore Machines Flip Flops Output Combinatorial Logic Next State Combinatorial Logic Moore Machine Inputs Outputs Flip Flops Output Combinatorial Logic Next State Combinatorial Logic Mealy Machine Inputs Outputs Clock

7 Sistemas Embutidos – Versão Modificada 1.7 Mealy Machine and C Encoding Inputs A, B Flip Flops Output Logic Next State Logic Outputs Out1, Out2 Ck Q I State = Initial_State; While (1) { // Loop forever Switch (State) { case 0: // Initial_State = 0 { if (A==0 && B==1) { State = 3; Out2 = 1; // depends on inputs & // present state } else { State = 4; Out2 = 0; } break; } case 1: // Second State { } A B State 0State 1State 2 OUT2 CK Inputs

8 Sistemas Embutidos – Versão Modificada 1.8 Moore Machine and C Encoding Inputs A, B Flip Flops Output Logic Next State Logic Outputs Out1, Out2 Ck Q I State = Initial_State; While (1) { // Loop forever Switch (State) { case 0: // Initial_State = 0 { Out1 = 0; // depends on state only Out2 = 1; // depends on state only if (A==0 && B==1) { State = 3; } else { State = 4; } break; } case 1: // Second State { Out2 = 0; Out1 = 1; } State 0State 1State 2 OUT2 CK A B Inputs

9 Sistemas Embutidos – Versão Modificada 1.9 Mealy Finite State Machine S0/0 1/0 0/0 S1/0 0/0 1/1 S2/1 1/0 0/0 reset Mealy and Moore Representation for VHDL Description

10 Sistemas Embutidos – Versão Modificada 1.10 VHDL Description of a FSM next_state_transition: process (present_state, In) begin next_state <= present_state; Mealy <= '0'; // JUST A SIGNAL NAME Moore <= '0'; // JUST A SIGNAL NAME case (present_state) is when S0 => if (In='1') then next_state <= S1; else next_state <= S0; end if; when S1 => if (In='0') then next_state <= S2; else Mealy <= '1'; next_state <= S1; end if; when S2 => Moore <= '1'; if (In='1') then next_state <= S2; else next_state <= S0; end if; end case; end process; entity sm is port ( clk, In, reset : in std_logic; Mealy : out std_logic; Moore : out std_logic ); end sm; architecture behavior of sm is type states is (S0,S1,S2); signal present_state, next_state : states;begin state_register: process (clk) begin if (clk'event and clk='1') then if (reset = '1') then present_state <= S1; else present_state <= next_state; end if; end process;

11 Sistemas Embutidos – Versão Modificada 1.11 Máquina de Mealy B- Tabela de Transição E0 E1 E2 E3 E4 0/1 1/1 0/1 1/0 0/1 0/0 1/0 Reset 1/0 0/0 A- Exemplo: Est. Próx. Estado/Saída Atual Entrada (x) E x=0x=1 E0E0/1E2/0 E1E3/1E1/1 E2E1/0E4/1 E3E0/0E2/0 E4E1/1E3/0

12 Sistemas Embutidos – Versão Modificada 1.12 Máquina de Moore B- Tabela de Transição E0/1 E1/0E2/1 E3/0 E4/ Reset 1 0 A- Exemplo: Est. Próx. Estado Saída (y) Atual Entrada (x) y = F (E) E x=0x=1 E0E0E2 1 E1E3E1 0 E2E1E4 1 E3E0E2 0 E4E1E

13 Sistemas Embutidos – Versão Modificada 1.13 Algumas Características de Máquinas Não Determinísticas (simplificando inicialmente) Os estados são equivalentes a variáveis booleanas em um programa Sua construção é mais intuitiva que a determinística A atribuição de estados é simples, normalmente associados com as saídas. Normalmente não se usa codificação de estados. As equações são extraídas diretamente do diagrama, sem tabelas ou mapas Máquinas não determinísticas são ineficientes para sequências de contagem pois usam mais flip-flops que máquinas determinísticas com codificação de estados.

14 Sistemas Embutidos – Versão Modificada 1.14 Geração das Equações de Estado Em Máquinas Determinísticas Atribui-se a Codificação dos Estados Mapeiam-se os Estados e Eventos em uma Tabela Verdade Simplifica-se com o Mapa de Karnaugh (ou programa específico) Em Máquinas Não Determinísticas: Cada estado é representado por um bit (One Hot Encoding) Cada termo produto é o produto do evento com o estado origem O estado é ativado pelo ou dos produtos que chegam a ele O estado é desativado pelos produtos que efetivamente o abandonam. Na verdade, um estado é desativado pela ativação de um estado gerado a partir dele. Portanto, não é necessário especificar as equações para desativar estados.

15 Sistemas Embutidos – Versão Modificada 1.15 Mealy x Moore Mealy Machine: Output is specified based on transitions, that is, this type of machine model should be used when the output signals must change almost simultaneously (combinational delay logic only) with the input signals and not only with state transitions. The designer has to recognize the need for this type of behavior. There can be glitches on output signals because input signals are allowed to change at any time. Mealy machines typically have fewer states. Because it can associate outputs with transitions, a Mealy machine can often generate the same output sequence in fewer states than a Moore machine. Moore Machine: output is specified based on states only. This means that output signals will vary only just after clock transitions and not at any moment. This minimizes the possibilities of glitches on output signals. The two are equivalent, one can be constructed from the other

16 Sistemas Embutidos – Versão Modificada 1.16 Moore/Mealy More States in Moore Than in Behavioral Equivalent Mealy Mealy Usually pulse output (during transition) Moore Usually level output (during state)

17 Sistemas Embutidos – Versão Modificada 1.17 State Encoding Binary Coded State n flip-flops used to store 2 n states Most efficient Need to account for unused states The number of flip-flops is reduced by enconding states (e.g: 3 flip-flops -> 8 states) One-Hot Encoding Requires one flip-flop (one bit) for each state (uses more flip-flops than the minimum required) There is no need for state decoding logic The flip-flop that stores the state can also be used as an output signal. Very good encoding for simple FSMs. Maps well to FPGAs since each CLB contains a FF 3 bits – 8 states 000 – S0 001 – S1 010 – S2 011 – S3 100 – S4 101 – S5 110 – S6 111 – S7 One bit for each state 001 – state – state – state 3

18 Sistemas Embutidos – Versão Modificada 1.18 Washing Machine Control Panel Molho 10Enxaguar LIGADA OPERANDO RESET INICIAR AGAAEA TAMC Entradas (de Sensores e Botões de Contrôle): RESET – Botão Reset – Reinicia Programa M10 – Especifica Molho 10 minutos INIC – Botão Iniciar após escolher Molho ou Enxaguar ENX – Enxaguar TA – Tampa_Aberta CC – Cesto_Cheio CV – Cesto_Vazio Sinais de Saída : LED Ligada LED Operando LED M10 – Molho 10 LED - Enxaguando LED AG - Agitando LED AA – Abre_Água LED EA – Esvazia_Água LED TA – Tampa_Aberta LED MC – Motor_Centrifugar


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