9 Communicating State Machines

当一个问题太复杂，无法用单个有限状态机 (FSM) 表达时，我们可以将其拆分为多个更小、更简单的 FSM，这些 FSM 之间通过信号通信协同工作。这种方法称为 FSM 分解 (factoring FSMs)。

通信 FSM 的关键要点：

1. 分解复杂问题：将一个复杂的状态机分解为多个简单的 FSM。
2. 信号交互：一个 FSM 的输出作为另一个 FSM 的输入，两者通过信号进行通信。
3. 模块化设计：提高设计的可读性、可维护性和可扩展性。

9.1 A Light Flasher Example

本例展示了如何使用两个 FSM 来实现一个 闪光灯控制器 的设计。

功能描述

闪光灯控制器的功能规格如下：

1. 输入信号：

   • start：触发闪光序列的信号（高电平持续一个时钟周期）。

2. 输出信号：

   • light：灯的状态（开/关）。

3. 闪光序列逻辑：

   • 当 start 信号为高时，开始闪光序列。

   • 闪烁 3 次

     ：

     • 灯开 (on)：保持 6 个时钟周期。
     • 灯关 (off)：保持 4 个时钟周期。

   • 闪光序列完成后，light 保持关闭状态，等待下一个 start 信号。

直接实现的缺点

若直接使用单个 FSM 来实现该功能，可能需要多达 27 个状态：

• 1 个初始状态：等待输入 start。
• 3 × 6 = 18 个状态：分别对应 3 次“灯开 (on)”阶段，每次 6 个时钟周期。
• 2 × 4 = 8 个状态：分别对应 3 次“灯关 (off)”阶段，每次 4 个时钟周期。

这种实现虽然可以满足功能要求，但状态数量过多，设计复杂，难以维护。

分解 FSM 的解决方案

为简化设计，我们将复杂的闪光灯 FSM 拆分为两个更小的 FSM：

1. 主 FSM (Master FSM)
   • 负责管理闪光灯的逻辑：启动序列、控制灯的开/关、计数闪烁次数等。
   • 向 定时器 FSM 发送控制信号，如 timerLoad 和 timerSelect。
   • 接收定时器 FSM 的状态信号 timerDone。
2. 定时器 FSM (Timer FSM)
   • 负责实现定时功能：根据主 FSM 提供的计时值，生成定时完成信号 timerDone。
   • 计时完成后，将信号反馈给主 FSM，通知定时阶段结束。

FSM 之间的信号通信

信号交互关系：

• 主 FSM → 定时器 FSM：
  • timerLoad：触发定时器加载新计时值。
  • timerSelect：选择定时时间（6 或 4 个时钟周期）。
• 定时器 FSM → 主 FSM：
  • timerDone：通知定时完成。

分解 FSM 的结构图

图 9.1 展示了主 FSM 和定时器 FSM 之间的交互：

• 主 FSM (Master FSM)：
  • 接收输入信号 start。
  • 控制输出信号 light。
  • 控制定时器 FSM 的加载和计时。
• 定时器 FSM (Timer FSM)：
  • 接收主 FSM 的控制信号 timerLoad 和 timerSelect。
  • 输出定时完成信号 timerDone。

分解 FSM 的优势

1. 模块化设计：
   • 将复杂的 FSM 拆分为多个功能单一的子 FSM，每个 FSM 的功能明确且易于理解。
2. 减少状态数量：
   • 每个子 FSM 的状态数量大大减少，逻辑更简单，设计更清晰。
3. 提高复用性：
   • 定时器 FSM 可以复用于其他模块，实现定时功能。
4. 易于调试和维护：
   • 各子 FSM 独立实现，便于调试。
   • 如果设计需要修改，只需调整某个子 FSM，而不影响整体结构。

总结

通过将一个复杂的闪光灯控制器 FSM 拆分为 主 FSM 和 定时器 FSM，我们实现了更简洁、模块化的设计：

• 主 FSM：负责控制灯的开关逻辑和闪烁次数。
• 定时器 FSM：负责定时，通知主 FSM 计时完成。

这种方法不仅减少了状态数量，还提高了设计的可维护性和复用性。在实际设计中，分解复杂 FSM 是一种常用的设计策略，尤其适用于大型系统和复杂时序逻辑。