基于proteus的状态机设计

状态机原理

理论上说，任何一个需要周而复始的执行一系列任务（例如CPU中按顺序从存储器取出指令、再执行指令）的时序系统都可以用状态机（state machine）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，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，完成相应的任务；同时，状态机由时钟驱动，按照外部输入信号和当前状态的反馈，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，状态机可以分为有限状态机和无限状态机；根据是否有一个公共的时钟控制，状态机可以分为同步状态机和异步状态机。其中，最常用的同步有限状态机又可以分为以下两种类型：Moore状态机和Mealy状态机。

图1. 同步有限状态机示意图

图1  

Moore状态机的特征是其输出z(t)与输入x(t)无关，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，当前输入x(t)和现态s(t)共同输入组合逻辑C1后，使状态机进入的下一个状态s(t+1)称为次态。在时钟clk的驱动下，状态机不断进行s(t)→s(t+1)的状态转移。与Moore状态机相比， Meanly状态机主要差异是：其当前输出z(t)不仅与当前输入x(t)有关，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，其主要有以下两种类型：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，四位环形计数器的电路如下图2所示：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，而反馈电路从最高位触发器的串行输出端接入，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

图2  

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

图3. 环形计数器和 扭环计数器的状态图

图3 

扭环计数器的结构同环形计数器基本类似（2位扭环计数器的电路如下图4所示），只是其反馈电路略有差别：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，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：扭环计数器的初始状态00，在CLK时钟驱动下，其输出[DB, DA]按照以下顺序转换：00→01→11→10→00→…扭环计数器的优点是具有自启动特性，无须初始化；而且n位扭环计数器的状态数目N=2n，比n位环形计数器的容量高一倍，效率较高。但是扭环计数器的输出不是单热点(one hot)编码，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：S0→S1→S2→S3→S0→…

图4. 扭环计数器的时序逻辑电路

图4  

在上述扭环计数器构成的状态转移电路中，状态机的下一个状态（次态）仅由当前状态（现态）决定。在一些更复杂的时序系统中，状态机的次态不仅与现态有关，而且还与当前输入有关，例如下图5(右)所示的状态图中，当前状态S0时，若输入条件C0=0，状态机保持在状态S0；若输入条件C0=1，则在时钟clk的驱动下，状态机如常进行状态转移：S0→S1。该状态图对应的扭环计数器电路如下图5(左)所示，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，条件C0只在状态S0有效，其它状态不起作用。

图5. 条件判断的扭环计数器

图5 

状态机示例——“交通灯”

图6所示是一个交通灯系统，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，每个状态都有不同的亮灯模式和亮灯持续的时间（以倒计时的形式显示），如下图6(左)所示。该状态机没有输入，其状态转移仅仅取决于当前的状态。在时钟clk(φ)驱动下，状态机按照以下顺序循环转移：T1→T2→T3→T1→…，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

图6  

交通灯系统的电路如下图7所示：环形的路口上有南北向的两组红黄绿LED灯和一对数码管（显示倒计时），路口左边是整个系统的核心：时序发生器电路；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，状态机在每个状态【Tx】中完成两个操作：LED灯亮和显示倒计时。时序发生器产生节拍｛#T1, #T2, #T3｝，直接控制红黄绿交通灯；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

图7  

时序发生器电路如下图8(左)所示：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，其反馈电路增加了限制：若扭环计数器当前状态输出端为01，则下一个状态输出端被强制修改为10，即跳过状态11。因此，扭环计数器输出经过2-4译码器后产生以下节拍序列｛#T1, #T2, #T3｝：{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=0时刻，其下降沿将把节拍序列｛#T1, #T2, #T3｝锁存，输出信号{R,Y,G}控制红黄绿交通灯：节拍 #T1和#T3分别反向生成信号G（绿灯亮）和R（红灯亮），节拍#T2则反向后和时钟信号CLOCK逻辑与生成信号Y（黄灯闪烁亮）。

图8. 交通灯时序发生器电路及其状态图

图8  

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

参考资料

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》（机械工业出版社），更详细的内容可以直接在书中查阅。
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本书详细描述了在proteus虚拟仿真环境中，从逻辑电路开始，一步一步构造运算器、存储器、控制器，最终用三种CPU体系架构（微程序、硬布线、流水线）实现了一个8位的CPU。并且，这个CPU不仅可以做逻辑、算术运算，拥有循环、分支、堆栈等程序结构，还可以完整实现对8086所有外设的控制，即替代8086完整实现了传统《微机原理》里讲到的所有外设实验。
本书的全部proteus工程文件，PPT，实验视频以及配套的两种形式课程设计（纯汇编、硬件改动）的资料都放在 百度网盘，提取密码：34ad
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作者：华南理工大学 赖晓铮教授