狀態(tài)機的寫法

有限狀態(tài)機FSM思想廣泛應用于硬件控制電路設計，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）。它把復雜的控制邏輯分解成有限個穩(wěn)定狀態(tài)，在每個狀態(tài)上判斷事件，變連續(xù)處理為離散數(shù)字處理，符合計算機的工作特點。

有限狀態(tài)機的工作原理如圖所示，發(fā)生事件（event）后，根據(jù)當前狀態(tài)（cur_state），決定執(zhí)行的動作（action），并設置下一個狀態(tài)號（nxt_state）。

圖 ?有限狀態(tài)機工作原理

下圖為一個狀態(tài)機實例的狀態(tài)轉移圖，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動作，并將狀態(tài)轉移到s1態(tài)；

如果發(fā)生e2事件，那么就執(zhí)行a2動作，并將狀態(tài)轉移到s2態(tài)；

在s1狀態(tài)，如果發(fā)生e2事件，那么就執(zhí)行a2動作，并將狀態(tài)轉移到s2態(tài)；

在s2狀態(tài)，如果發(fā)生e0事件，那么就執(zhí)行a0動作，并將狀態(tài)轉移到s0態(tài)。

圖0一個有限狀態(tài)機實例

有限狀態(tài)機不僅能夠用狀態(tài)轉移圖表示，還可以用二維的表格代表。一般將當前狀態(tài)號寫在橫行上，將事件寫在縱列上，如表1所示。其中“--”表示空（不執(zhí)行動作，也不進行狀態(tài)轉移），“an/sn”表示執(zhí)行動作an，同時將下一狀態(tài)設置為sn。下表和圖0表示的含義是完全相同的。

表 ? 圖2狀態(tài)機實例的二維表格表示（動作/下一狀態(tài)）

時序邏輯電路的數(shù)學模型是有限狀態(tài)機（FiniteStateMachine）。時序邏輯電路的設計通常用觸發(fā)器來實現(xiàn)，狀態(tài)機越復雜，設計過程也越復雜。利用MSI（Medium-ScaleIntegration）也可以實現(xiàn)復雜狀態(tài)機，雖然設計過程比利用觸發(fā)器實現(xiàn)要復雜，但電路相對簡單。在數(shù)字邏輯系統(tǒng)中，計數(shù)器是基本部件之一。集成計數(shù)器芯片類型很多，文中主要討論使用MSI同步計數(shù)器74LS161進行復雜狀態(tài)機的設計。

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，可預置任意四位二進制數(shù)。7腳和10腳分別為計數(shù)控制端EP和ET，當其中有一腳為低電平時計數(shù)器保持狀態(tài)不變，當均為高電平時為計數(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腳為進位輸出端RCO，高電平有效。

圖1 ? 四位同步二進制計數(shù)器74LS161

（a）引線排列圖；（b）邏輯功能圖

設計過程

計數(shù)器的狀態(tài)轉換一般為順序轉換，電路也很成熟，例如S1→S2、S4→S5等。在實現(xiàn)模M的計數(shù)器時，一般也是利用連續(xù)狀態(tài)進行順序轉換。但如要實現(xiàn)復雜狀態(tài)機，則需要充分了解計數(shù)器的特性，利用置零端和置數(shù)端，完成非順序狀態(tài)轉換，例如S1→S0、S4→S6等，從而實現(xiàn)復雜狀態(tài)機。下面討論對計數(shù)器74LS161的功能進行擴展，實現(xiàn)非順序狀態(tài)轉換（圖2）。計數(shù)器狀態(tài)與符號的對照見表1.

表1 ?計數(shù)器狀態(tài)與符號的對照表

圖2中，74LS161（0）片和74LS161（1）片的初始狀態(tài)均設為0，兩片在CP脈沖到來時同時開始計數(shù)，當（1）片循環(huán)至狀態(tài)S4時，會給（0）片一個置位信號，當?shù)?個CP脈沖到來時，（0）片被置位狀態(tài)S7.之后，一直到第9個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?shù)?個CP脈沖到來時，（1）片和（0）片的狀態(tài)分別為S9和S8，此時，（1）片得到（0）片Q3端的置位信號，當下一個CP脈沖到來時，（1）片和（0）片的狀態(tài)分別為S4和S9.在第10個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。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)非順序的轉換。

圖2 ?非順序狀態(tài)轉換電路

如實現(xiàn)非順序更多狀態(tài)的轉換，就需要使用更多MSI芯片，圖3為使用三個74LS161芯片實現(xiàn)的復雜狀態(tài)機。在圖3中，三個芯片的初始狀態(tài)均設為0，并且在CP脈沖到來時同時開始計數(shù)，當?shù)?個CP脈沖到來后，實現(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)的轉換?？梢姡瑢崿F(xiàn)越復雜的狀態(tài)機，轉換的非順序狀態(tài)越多，電路越復雜。

圖3 ?復雜狀態(tài)機電路圖

可能出現(xiàn)的問題

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