基于proteus的状态机设计

状态机原理

理论上说&＃xff0c;任何一个需要周而复始的执行一系列任务&＃xff08;例如CPU中按顺序从存储器取出指令、再执行指令&＃xff09;的时序系统都可以用状态机&＃xff08;state machine&＃xff09;模型来描述。时序系统的运行周期可以描述为一个预定顺序的时间周期序列&＃xff0c;每个周期都对应状态机中一个指定的状态。状态机在每个周期中产生特定的操作&＃xff0c;完成相应的任务&＃xff1b;同时&＃xff0c;状态机由时钟驱动&＃xff0c;按照外部输入信号和当前状态的反馈&＃xff0c;在下一个周期到来之际进行预定的状态转移。
根据状态数目是否有限&＃xff0c;状态机可以分为有限状态机和无限状态机&＃xff1b;根据是否有一个公共的时钟控制&＃xff0c;状态机可以分为同步状态机和异步状态机。其中&＃xff0c;最常用的同步有限状态机又可以分为以下两种类型&＃xff1a;Moore状态机和Mealy状态机。

图1. 同步有限状态机示意图

Moore状态机的特征是其输出z(t)与输入x(t)无关&＃xff0c;只与当前状态s(t)有关。状态寄存器的当前状态s(t)为现态&＃xff0c;当前输入x(t)和现态s(t)共同输入组合逻辑C1后&＃xff0c;使状态机进入的下一个状态s(t&＃43;1)称为次态。在时钟clk的驱动下&＃xff0c;状态机不断进行s(t)→s(t&＃43;1)的状态转移。与Moore状态机相比&＃xff0c; Meanly状态机主要差异是&＃xff1a;其当前输出z(t)不仅与当前输入x(t)有关&＃xff0c;而且还与现态s(t)有关。上述状态机的核心是状态转移电路&＃xff0c;其主要有以下两种类型&＃xff1a;环形计数器和扭环计数器。

环形与扭环计数器

环形计数器是由D触发器构成的移位寄存器加上反馈电路闭环构成&＃xff0c;四位环形计数器的电路如下图2所示&＃xff1a;移位寄存器的低位触发器输出端接入相邻高位触发器输入端&＃xff0c;而反馈电路从最高位触发器的串行输出端接入&＃xff0c;其输出则连到最低位触发器的串行输入端。

图2. 环形计数器的时序逻辑电路

环形计数器不能自启动&＃xff0c;在开始运行前必须使能信号#START&＃61;0&＃xff0c;使得环形计数器的四位触发器输出[D3, D2, D1, D0]的状态初始化为0001&＃xff1b;然后&＃xff0c;在时钟CLK驱动下&＃xff0c;四位环形计数输出[D3, D2, D1, D0]按照以下顺序循环转换&＃xff1a;0001→0010→0100→1000→0001→…如下图3(左)所示。环形计数器的特征是&＃xff1a;n位环形计数器的状态数目N&＃61;n&＃xff0c;而且其输出[D3, D2, D1, D0]是单热点(one hot)编码&＃xff0c;即任何状态下只有一个Dx&＃61;1。所以&＃xff0c;环形计数器的输出Dx即是状态的节拍信号&＃xff0c;标志相应的状态。

图3. 环形计数器和 扭环计数器的状态图

扭环计数器的结构同环形计数器基本类似&＃xff08;2位扭环计数器的电路如下图4所示&＃xff09;&＃xff0c;只是其反馈电路略有差别&＃xff1a;扭环计数器的反馈电路是从最高位触发器的串行输出端接入&＃xff0c;经过反向后再连到最低位触发器的串行输入端。2位扭环计数器的状态图则如上图(右)所示&＃xff1a;扭环计数器的初始状态00&＃xff0c;在CLK时钟驱动下&＃xff0c;其输出[DB, DA]按照以下顺序转换&＃xff1a;00→01→11→10→00→…扭环计数器的优点是具有自启动特性&＃xff0c;无须初始化&＃xff1b;而且n位扭环计数器的状态数目N&＃61;2n&＃xff0c;比n位环形计数器的容量高一倍&＃xff0c;效率较高。但是扭环计数器的输出不是单热点(one hot)编码&＃xff0c;所以其2位触发器输出端须通过2-4译码器74LS139才能转换成状态的节拍信号&＃xff1a;S0→S1→S2→S3→S0→…

图4. 扭环计数器的时序逻辑电路

在上述扭环计数器构成的状态转移电路中&＃xff0c;状态机的下一个状态&＃xff08;次态&＃xff09;仅由当前状态&＃xff08;现态&＃xff09;决定。在一些更复杂的时序系统中&＃xff0c;状态机的次态不仅与现态有关&＃xff0c;而且还与当前输入有关&＃xff0c;例如下图5(右)所示的状态图中&＃xff0c;当前状态S0时&＃xff0c;若输入条件C0&＃61;0&＃xff0c;状态机保持在状态S0&＃xff1b;若输入条件C0&＃61;1&＃xff0c;则在时钟clk的驱动下&＃xff0c;状态机如常进行状态转移&＃xff1a;S0→S1。该状态图对应的扭环计数器电路如下图5(左)所示&＃xff0c;在反馈电路上增加了基于条件C0的判断逻辑。值得注意的是&＃xff0c;条件C0只在状态S0有效&＃xff0c;其它状态不起作用。

图5. 条件判断的扭环计数器

状态机示例——“交通灯”

图6所示是一个交通灯系统&＃xff0c;展示如何运用状态机原理来设计时序系统。交通灯的状态机总共有T1、T2和T3三个状态&＃xff0c;每个状态都有不同的亮灯模式和亮灯持续的时间&＃xff08;以倒计时的形式显示&＃xff09;&＃xff0c;如下图6(左)所示。该状态机没有输入&＃xff0c;其状态转移仅仅取决于当前的状态。在时钟clk(φ)驱动下&＃xff0c;状态机按照以下顺序循环转移&＃xff1a;T1→T2→T3→T1→…&＃xff0c;状态转移时序图如下图6(右)所示。

图6. 交通灯的状态图和状态转移的时序图

交通灯系统的电路如下图7所示&＃xff1a;环形的路口上有南北向的两组红黄绿LED灯和一对数码管&＃xff08;显示倒计时&＃xff09;&＃xff0c;路口左边是整个系统的核心&＃xff1a;时序发生器电路&＃xff1b;路口下方是一个由BUS总线连接的计数器电路。在上图6(左)中&＃xff0c;状态机在每个状态【Tx】中完成两个操作&＃xff1a;LED灯亮和显示倒计时。时序发生器产生节拍&＃xff5b;#T1, #T2, #T3&＃xff5d;&＃xff0c;直接控制红黄绿交通灯&＃xff1b;而计数器电路负责数码管的倒计时显示。

图7. 交通灯系统电路图

时序发生器电路如下图8(左)所示&＃xff1a;右边的状态转移电路是由两个D触发器组成的2位扭环计数器&＃xff0c;其反馈电路增加了限制&＃xff1a;若扭环计数器当前状态输出端为01&＃xff0c;则下一个状态输出端被强制修改为10&＃xff0c;即跳过状态11。因此&＃xff0c;扭环计数器输出经过2-4译码器后产生以下节拍序列&＃xff5b;#T1, #T2, #T3&＃xff5d;&＃xff1a;{0,1,1}→{1,0,1}→{1,1,0}→{0,1,1}→…状态图则如下图8(右)所示。状态转移电路左边是一个基于寄存器74LS175的状态寄存器电路。当加载信号#LOAD&＃61;0时刻&＃xff0c;其下降沿将把节拍序列&＃xff5b;#T1, #T2, #T3&＃xff5d;锁存&＃xff0c;输出信号{R,Y,G}控制红黄绿交通灯&＃xff1a;节拍 #T1和#T3分别反向生成信号G&＃xff08;绿灯亮&＃xff09;和R&＃xff08;红灯亮&＃xff09;&＃xff0c;节拍#T2则反向后和时钟信号CLOCK逻辑与生成信号Y&＃xff08;黄灯闪烁亮&＃xff09;。

图8. 交通灯时序发生器电路及其状态图

值得注意的是&＃xff0c;状态转移电路输出的节拍序列&＃xff5b;#T1, #T2, #T3&＃xff5d;实际上是红黄绿交通灯当前状态【Tx】的次态【Tx&＃43;1】&＃xff08;即下一个状态 &＃xff09;&＃xff0c;当加载信号#LOAD&＃61;0的下降沿时刻&＃xff0c;节拍序列&＃xff5b;#T1, #T2, #T3&＃xff5d;加载到状态寄存器&＃xff0c;生成交通灯新状态【Tx&＃43;1】。然后&＃xff0c;信号#LOAD&＃61;1加载完成之际&＃xff0c;其上升沿触发右边状态转移电路&＃xff0c;刷新节拍序列&＃xff5b;#T1, #T2, #T3&＃xff5d;为交通灯当前状态【Tx&＃43;1】的次态【Tx&＃43;2】&＃xff0c;等待下一次加载时刻&＃xff08;#LOAD&＃61;0&＃xff09;到来。

本文的内容节选自作者编撰的教材专著《基于Proteus的计算机系统实验教程——逻辑、组成原理、体系结构、微机接口》&＃xff08;机械工业出版社&＃xff09;&＃xff0c;更详细的内容可以直接在书中查阅。
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