利用74LS161实现复杂状态机
状态机的写法
有限状态机fsm思想广泛应用于硬件控制电路设计，也是软件上常用的一种处理方法（软件上称为fmm有限消息机）。它把复杂的控制逻辑分解成有限个稳定状态，在每个状态上判断事件，变连续处理为离散数字处理，符合计算机的工作特点。
有限状态机的工作原理如图所示，发生事件（event）后，根据当前状态（cur_state），决定执行的动作（action），并设置下一个状态号（nxt_state）。
图 有限状态机工作原理
下图为一个状态机实例的状态转移图，它的含义是：
在s0状态，如果发生e0事件，那么就执行a0动作，并保持状态不变；
如果发生e1事件，那么就执行a1动作，并将状态转移到s1态；
如果发生e2事件，那么就执行a2动作，并将状态转移到s2态；
在s1状态，如果发生e2事件，那么就执行a2动作，并将状态转移到s2态；
在s2状态，如果发生e0事件，那么就执行a0动作，并将状态转移到s0态。
图0一个有限状态机实例
有限状态机不仅能够用状态转移图表示，还可以用二维的表格代表。一般将当前状态号写在横行上，将事件写在纵列上，如表1所示。其中“--”表示空（不执行动作，也不进行状态转移），“an/sn”表示执行动作an，同时将下一状态设置为sn。下表和图0表示的含义是完全相同的。
表 图2状态机实例的二维表格表示（动作/下一状态）
时序逻辑电路的数学模型是有限状态机（finitestatemachine）。时序逻辑电路的设计通常用触发器来实现，状态机越复杂，设计过程也越复杂。利用msi（medium-scaleintegration）也可以实现复杂状态机，虽然设计过程比利用触发器实现要复杂，但电路相对简单。在数字逻辑系统中，计数器是基本部件之一。集成计数器芯片类型很多，文中主要讨论使用msi同步计数器74ls161进行复杂状态机的设计。
74ls161功能介绍 74ls161的引脚排列和逻辑功能如图1所示。各引出端的逻辑功能如下。1脚为清零端/rd，低电平有效。2脚为时钟脉冲输入端cp，上升沿有效（cp↑）。3~6脚为数据输入端a0~a3，可预置任意四位二进制数。7脚和10脚分别为计数控制端ep和et，当其中有一脚为低电平时计数器保持状态不变，当均为高电平时为计数状态。9脚为同步并行置数控制端/ld，低电平有效。11~14脚为数据输出端qq30~。15脚为进位输出端rco，高电平有效。
图1 四位同步二进制计数器74ls161
（a）引线排列图；（b）逻辑功能图
设计过程 计数器的状态转换一般为顺序转换，电路也很成熟，例如s1→s2、s4→s5等。在实现模m的计数器时，一般也是利用连续状态进行顺序转换。但如要实现复杂状态机，则需要充分了解计数器的特性，利用置零端和置数端，完成非顺序状态转换，例如s1→s0、s4→s6等，从而实现复杂状态机。下面讨论对计数器74ls161的功能进行扩展，实现非顺序状态转换（图2）。计数器状态与符号的对照见表1.
表1 计数器状态与符号的对照表
图2中，74ls161（0）片和74ls161（1）片的初始状态均设为0，两片在cp脉冲到来时同时开始计数，当（1）片循环至状态s4时，会给（0）片一个置位信号，当第5个cp脉冲到来时，（0）片被置位状态s7.之后，一直到第9个cp脉冲到来前，由于（1）片q2端始终为1，故（0）片始终保持状态s7.当第9个cp脉冲到来时，（1）片和（0）片的状态分别为s9和s8，此时，（1）片得到（0）片q3端的置位信号，当下一个cp脉冲到来时，（1）片和（0）片的状态分别为s4和s9.在第10个cp脉冲作用下，（1）片和（0）片的状态分别为s4和s9.在第11个cp脉冲作用下，（1）片和（0）片的状态分别为s4和s7，如此往复。这样，两片74ls161（1）片和（0）片并行输出状态变化为01000111→01010111→01100111→01110111→10000111→10011000→01001001→01000111，7种状态非顺序的转换。
图2 非顺序状态转换电路
如实现非顺序更多状态的转换，就需要使用更多msi芯片，图3为使用三个74ls161芯片实现的复杂状态机。在图3中，三个芯片的初始状态均设为0，并且在cp脉冲到来时同时开始计数，当第7个cp脉冲到来后，实现有效状态循环000001001001→000001001010→000001001011→000001001100→000001001101→000001001110→000001001111→000001000000→000001010001→000001100010→000001110011→000010000100→000110010101→001010100110→001110110111→010011000111→000011011000→000001001001，为17种非顺序状态的转换。可见，实现越复杂的状态机，转换的非顺序状态越多，电路越复杂。
图3 复杂状态机电路图
可能出现的问题 在实际的电路中，由于使用多个集成电路，可能会出现置0不可靠的情况，这是由多个触发器的负载不同，置0时间也不完全相同引起的，此时需要在以上电路设计中做一些改进。另外，msi与负载门电路的连接等问题，可以通过增加上拉电阻、接地电阻及电平转换等措施解决。
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有限状态机的工作原理如图所示，发生事件（event）后，根据当前状态（cur_state），决定执行的动作（action），并设置下一个状态号（nxt_state）。
图 有限状态机工作原理
下图为一个状态机实例的状态转移图，它的含义是：
在s0状态，如果发生e0事件，那么就执行a0动作，并保持状态不变；
如果发生e1事件，那么就执行a1动作，并将状态转移到s1态；
如果发生e2事件，那么就执行a2动作，并将状态转移到s2态；
在s1状态，如果发生e2事件，那么就执行a2动作，并将状态转移到s2态；
在s2状态，如果发生e0事件，那么就执行a0动作，并将状态转移到s0态。
图0一个有限状态机实例
有限状态机不仅能够用状态转移图表示，还可以用二维的表格代表。一般将当前状态号写在横行上，将事件写在纵列上，如表1所示。其中“--”表示空（不执行动作，也不进行状态转移），“an/sn”表示执行动作an，同时将下一状态设置为sn。下表和图0表示的含义是完全相同的。
表 图2状态机实例的二维表格表示（动作/下一状态）
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图1 四位同步二进制计数器74ls161
（a）引线排列图；（b）逻辑功能图
设计过程 计数器的状态转换一般为顺序转换，电路也很成熟，例如s1→s2、s4→s5等。在实现模m的计数器时，一般也是利用连续状态进行顺序转换。但如要实现复杂状态机，则需要充分了解计数器的特性，利用置零端和置数端，完成非顺序状态转换，例如s1→s0、s4→s6等，从而实现复杂状态机。下面讨论对计数器74ls161的功能进行扩展，实现非顺序状态转换（图2）。计数器状态与符号的对照见表1.
表1 计数器状态与符号的对照表
图2中，74ls161（0）片和74ls161（1）片的初始状态均设为0，两片在cp脉冲到来时同时开始计数，当（1）片循环至状态s4时，会给（0）片一个置位信号，当第5个cp脉冲到来时，（0）片被置位状态s7.之后，一直到第9个cp脉冲到来前，由于（1）片q2端始终为1，故（0）片始终保持状态s7.当第9个cp脉冲到来时，（1）片和（0）片的状态分别为s9和s8，此时，（1）片得到（0）片q3端的置位信号，当下一个cp脉冲到来时，（1）片和（0）片的状态分别为s4和s9.在第10个cp脉冲作用下，（1）片和（0）片的状态分别为s4和s9.在第11个cp脉冲作用下，（1）片和（0）片的状态分别为s4和s7，如此往复。这样，两片74ls161（1）片和（0）片并行输出状态变化为01000111→01010111→01100111→01110111→10000111→10011000→01001001→01000111，7种状态非顺序的转换。
图2 非顺序状态转换电路
如实现非顺序更多状态的转换，就需要使用更多msi芯片，图3为使用三个74ls161芯片实现的复杂状态机。在图3中，三个芯片的初始状态均设为0，并且在cp脉冲到来时同时开始计数，当第7个cp脉冲到来后，实现有效状态循环000001001001→000001001010→000001001011→000001001100→000001001101→000001001110→000001001111→000001000000→000001010001→000001100010→000001110011→000010000100→000110010101→001010100110→001110110111→010011000111→000011011000→000001001001，为17种非顺序状态的转换。可见，实现越复杂的状态机，转换的非顺序状态越多，电路越复杂。
图3 复杂状态机电路图
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