狀態(tài)機(jī)的寫法

有限狀態(tài)機(jī)FSM思想廣泛應(yīng)用于硬件控制電路設(shè)計(jì)，也是軟件上常用的一種處理方法（軟件上稱為FMM有限消息機(jī)）。它把復(fù)雜的控制邏輯分解成有限個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，在每個(gè)狀態(tài)上判斷事件，變連續(xù)處理為離散數(shù)字處理，符合計(jì)算機(jī)的工作特點(diǎn)。

有限狀態(tài)機(jī)的工作原理如圖所示，發(fā)生事件（event）后，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)（cur_state），決定執(zhí)行的動(dòng)作（action），并設(shè)置下一個(gè)狀態(tài)號(hào)（nxt_state）。

圖 ?有限狀態(tài)機(jī)工作原理

下圖為一個(gè)狀態(tài)機(jī)實(shí)例的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，它的含義是：

在s0狀態(tài)，如果發(fā)生e0事件，那么就執(zhí)行a0動(dòng)作，并保持狀態(tài)不變；

如果發(fā)生e1事件，那么就執(zhí)行a1動(dòng)作，并將狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s1態(tài)；

如果發(fā)生e2事件，那么就執(zhí)行a2動(dòng)作，并將狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s2態(tài)；

在s1狀態(tài)，如果發(fā)生e2事件，那么就執(zhí)行a2動(dòng)作，并將狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s2態(tài)；

在s2狀態(tài)，如果發(fā)生e0事件，那么就執(zhí)行a0動(dòng)作，并將狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s0態(tài)。

圖0一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)實(shí)例

有限狀態(tài)機(jī)不僅能夠用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖表示，還可以用二維的表格代表。一般將當(dāng)前狀態(tài)號(hào)寫在橫行上，將事件寫在縱列上，如表1所示。其中“--”表示空（不執(zhí)行動(dòng)作，也不進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移），“an/sn”表示執(zhí)行動(dòng)作an，同時(shí)將下一狀態(tài)設(shè)置為sn。下表和圖0表示的含義是完全相同的。

表 ? 圖2狀態(tài)機(jī)實(shí)例的二維表格表示（動(dòng)作/下一狀態(tài)）

時(shí)序邏輯電路的數(shù)學(xué)模型是有限狀態(tài)機(jī)（FiniteStateMachine）。時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)通常用觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)，狀態(tài)機(jī)越復(fù)雜，設(shè)計(jì)過程也越復(fù)雜。利用MSI（Medium-ScaleIntegration）也可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜狀態(tài)機(jī)，雖然設(shè)計(jì)過程比利用觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)要復(fù)雜，但電路相對(duì)簡單。在數(shù)字邏輯系統(tǒng)中，計(jì)數(shù)器是基本部件之一。集成計(jì)數(shù)器芯片類型很多，文中主要討論使用MSI同步計(jì)數(shù)器74LS161進(jìn)行復(fù)雜狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)。

74LS161功能介紹

74LS161的引腳排列和邏輯功能如圖1所示。各引出端的邏輯功能如下。1腳為清零端/RD，低電平有效。2腳為時(shí)鐘脈沖輸入端CP，上升沿有效（CP↑）。3~6腳為數(shù)據(jù)輸入端A0~A3，可預(yù)置任意四位二進(jìn)制數(shù)。7腳和10腳分別為計(jì)數(shù)控制端EP和ET，當(dāng)其中有一腳為低電平時(shí)計(jì)數(shù)器保持狀態(tài)不變，當(dāng)均為高電平時(shí)為計(jì)數(shù)狀態(tài)。9腳為同步并行置數(shù)控制端/LD，低電平有效。11~14腳為數(shù)據(jù)輸出端QQ30~。15腳為進(jìn)位輸出端RCO，高電平有效。

圖1 ? 四位同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS161

（a）引線排列圖；（b）邏輯功能圖

設(shè)計(jì)過程

計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換一般為順序轉(zhuǎn)換，電路也很成熟，例如S1→S2、S4→S5等。在實(shí)現(xiàn)模M的計(jì)數(shù)器時(shí)，一般也是利用連續(xù)狀態(tài)進(jìn)行順序轉(zhuǎn)換。但如要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜狀態(tài)機(jī)，則需要充分了解計(jì)數(shù)器的特性，利用置零端和置數(shù)端，完成非順序狀態(tài)轉(zhuǎn)換，例如S1→S0、S4→S6等，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜狀態(tài)機(jī)。下面討論對(duì)計(jì)數(shù)器74LS161的功能進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)非順序狀態(tài)轉(zhuǎn)換（圖2）。計(jì)數(shù)器狀態(tài)與符號(hào)的對(duì)照見表1.

表1 ?計(jì)數(shù)器狀態(tài)與符號(hào)的對(duì)照表

圖2中，74LS161（0）片和74LS161（1）片的初始狀態(tài)均設(shè)為0，兩片在CP脈沖到來時(shí)同時(shí)開始計(jì)數(shù)，當(dāng)（1）片循環(huán)至狀態(tài)S4時(shí)，會(huì)給（0）片一個(gè)置位信號(hào)，當(dāng)?shù)?個(gè)CP脈沖到來時(shí)，（0）片被置位狀態(tài)S7.之后，一直到第9個(gè)CP脈沖到來前，由于（1）片Q2端始終為1，故（0）片始終保持狀態(tài)S7.當(dāng)?shù)?個(gè)CP脈沖到來時(shí)，（1）片和（0）片的狀態(tài)分別為S9和S8，此時(shí)，（1）片得到（0）片Q3端的置位信號(hào)，當(dāng)下一個(gè)CP脈沖到來時(shí)，（1）片和（0）片的狀態(tài)分別為S4和S9.在第10個(gè)CP脈沖作用下，（1）片和（0）片的狀態(tài)分別為S4和S9.在第11個(gè)CP脈沖作用下，（1）片和（0）片的狀態(tài)分別為S4和S7，如此往復(fù)。這樣，兩片74LS161（1）片和（0）片并行輸出狀態(tài)變化為01000111→01010111→01100111→01110111→10000111→10011000→01001001→01000111，7種狀態(tài)非順序的轉(zhuǎn)換。

圖2 ?非順序狀態(tài)轉(zhuǎn)換電路

如實(shí)現(xiàn)非順序更多狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，就需要使用更多MSI芯片，圖3為使用三個(gè)74LS161芯片實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜狀態(tài)機(jī)。在圖3中，三個(gè)芯片的初始狀態(tài)均設(shè)為0，并且在CP脈沖到來時(shí)同時(shí)開始計(jì)數(shù)，當(dāng)?shù)?個(gè)CP脈沖到來后，實(shí)現(xiàn)有效狀態(tài)循環(huán)000001001001→000001001010→000001001011→000001001100→000001001101→000001001110→000001001111→000001000000→000001010001→000001100010→000001110011→000010000100→000110010101→001010100110→001110110111→010011000111→000011011000→000001001001，為17種非順序狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。可見，實(shí)現(xiàn)越復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)，轉(zhuǎn)換的非順序狀態(tài)越多，電路越復(fù)雜。

圖3 ?復(fù)雜狀態(tài)機(jī)電路圖

可能出現(xiàn)的問題

在實(shí)際的電路中，由于使用多個(gè)集成電路，可能會(huì)出現(xiàn)置0不可靠的情況，這是由多個(gè)觸發(fā)器的負(fù)載不同，置0時(shí)間也不完全相同引起的，此時(shí)需要在以上電路設(shè)計(jì)中做一些改進(jìn)。另外，MSI與負(fù)載門電路的連接等問題，可以通過增加上拉電阻、接地電阻及電平轉(zhuǎn)換等措施解決。