利用74LS161實現複雜狀態機

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利用74LS161實現複雜狀態機

發表於 2018-01-18 09:00:02

狀態機的寫法

有限狀態機FSM思想廣泛應用於硬體控制電路設計，也是軟體上常用的一種處理方法（軟體上稱為FMM有限消息機）。它把複雜的控制邏輯分解成有限個穩定狀態，在每個狀態上判斷事件，變連續處理為離散數字處理，符合計算機的工作特點。

有限狀態機的工作原理如圖所示，發生事件（event）後，根據當前狀態（cur_state），決定執行的動作（action），並設置下一個狀態號（nxt_state）。

圖  有限狀態機工作原理

下圖為一個狀態機實例的狀態轉移圖，它的含義是：

在s0狀態，如果發生e0事件，那麼就執行a0動作，並保持狀態不變；

如果發生e1事件，那麼就執行a1動作，並將狀態轉移到s1態；

如果發生e2事件，那麼就執行a2動作，並將狀態轉移到s2態；

在s1狀態，如果發生e2事件，那麼就執行a2動作，並將狀態轉移到s2態；

在s2狀態，如果發生e0事件，那麼就執行a0動作，並將狀態轉移到s0態。

圖0一個有限狀態機實例

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

表   圖2狀態機實例的二維表格表示（動作/下一狀態）

時序邏輯電路的數學模型是有限狀態機（FiniteStateMachine）。時序邏輯電路的設計通常用觸發器來實現，狀態機越複雜，設計過程也越複雜。利用MSI（Medium-ScaleIntegration）也可以實現複雜狀態機，雖然設計過程比利用觸發器實現要複雜，但電路相對簡單。在數字邏輯系統中，計數器是基本部件之一。集成計數器晶片類型很多，文中主要討論使用MSI同步計數器74LS161進行複雜狀態機的設計。

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腳為時鐘脈衝輸入端CP，上升沿有效（CP↑）。3~6腳為數據輸入端A0~A3，可預置任意四位二進位數。7腳和10腳分別為計數控制端EP和ET，當其中有一腳為低電平時計數器保持狀態不變，當均為高電平時為計數狀態。9腳為同步並行置數控制端/LD，低電平有效。11~14腳為數據輸出端QQ30~。15腳為進位輸出端RCO，高電平有效。

圖1   四位同步二進位計數器74LS161

（a）引線排列圖；（b）邏輯功能圖

設計過程

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

表1  計數器狀態與符號的對照表

圖2中，74LS161（0）片和74LS161（1）片的初始狀態均設為0，兩片在CP脈衝到來時同時開始計數，當（1）片循環至狀態S4時，會給（0）片一個置位信號，當第5個CP脈衝到來時，（0）片被置位狀態S7.之後，一直到第9個CP脈衝到來前，由於（1）片Q2端始終為1，故（0）片始終保持狀態S7.當第9個CP脈衝到來時，（1）片和（0）片的狀態分別為S9和S8，此時，（1）片得到（0）片Q3端的置位信號，當下一個CP脈衝到來時，（1）片和（0）片的狀態分別為S4和S9.在第10個CP脈衝作用下，（1）片和（0）片的狀態分別為S4和S9.在第11個CP脈衝作用下，（1）片和（0）片的狀態分別為S4和S7，如此往復。這樣，兩片74LS161（1）片和（0）片並行輸出狀態變化為01000111→01010111→01100111→01110111→10000111→10011000→01001001→01000111，7種狀態非順序的轉換。

圖2  非順序狀態轉換電路

如實現非順序更多狀態的轉換，就需要使用更多MSI晶片，圖3為使用三個74LS161晶片實現的複雜狀態機。在圖3中，三個晶片的初始狀態均設為0，並且在CP脈衝到來時同時開始計數，當第7個CP脈衝到來後，實現有效狀態循環000001001001→000001001010→000001001011→000001001100→000001001101→000001001110→000001001111→000001000000→000001010001→000001100010→000001110011→000010000100→000110010101→001010100110→001110110111→010011000111→000011011000→000001001001，為17種非順序狀態的轉換。可見，實現越複雜的狀態機，轉換的非順序狀態越多，電路越複雜。

圖3  複雜狀態機電路圖

可能出現的問題

在實際的電路中，由於使用多個集成電路，可能會出現置0不可靠的情況，這是由多個觸發器的負載不同，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。

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