復(fù)雜功能模塊設(shè)計(狀態(tài)機)

1、復(fù)雜功能模塊設(shè)計在正向設(shè)計中，一個數(shù)字系統(tǒng)首先要分解為若干個功能模塊，例如一個單片機除CPU、存儲器外，可能包括中斷控制器、定時/計數(shù)器、異步串行接口、SPI接口、Pc接口等，這些電路就是功能模塊。一個重要設(shè)計思想是，任何復(fù)雜功能模塊是由狀態(tài)機和數(shù)據(jù)通道兩部分構(gòu)成的。這里數(shù)據(jù)通道（Dsapath）指的是典型邏輯電路，如計數(shù)器、寄存器、算術(shù)運算電路等。狀態(tài)機就是控制器，數(shù)據(jù)通道在狀態(tài)機控制下工作。一個復(fù)雜功能模塊的設(shè)計幾乎總是從狀態(tài)機設(shè)計開始的。狀態(tài)機輸入狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)通道V典型邏輯部件邏輯門圖1復(fù)雜功能模塊的一般結(jié)構(gòu)例1:設(shè)計一個簡單報警器。輸入信號來自8位A/D轉(zhuǎn)換器，要求當(dāng)輸入大于等于10

2、0時，產(chǎn)生報警信號，當(dāng)輸入回落到97以下時解除報警信號。rstelkalarmad7:0圖2分析：關(guān)鍵是輸入為98、99時怎么處理?ad7:0邏輯門DFFAalarm圖3簡單報警器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)代碼:例2：簡易交通燈問題。主干道至少通行10分鐘才能使小路方向通行1分鐘。在主干道通行時，如果有過街請求則在10分鐘到時變?yōu)樾÷吠?，如無請求，則主干道繼續(xù)通行5分鐘后再變?yōu)樾÷吠?。主干道小請求路圖5諸求時鐘3276SHZ狀態(tài)機代碼邏輯門邏軻門二-t=邏輯門例3：售貨機問題假設(shè)商品價格7角，并假設(shè)每次只能銷售一個商品，且售貨機發(fā)現(xiàn)金額超過7角即關(guān)閉投幣口。找零時，每次只能找回一枚硬幣，如需找回5角以上，優(yōu)先

3、考慮5角。時鐘復(fù)位收到1角收到5角收到1元售貨機控制器付貨找回1角找回5角投幣口Z多積DVlf田詢出Y廉丄燭i唆舉DVJ.r聊E*北0廉軸ejnpnjisovir4anBijoaismi丄moiia丄Is0】s!旳beieQPhysica-p_ni|eoueog-Ajepunoguietioueog-AjepunogWkHVlMrbDVlf沖呦1IEEEJTAG1SVF1Amontec11Spec1Spec1Code1+-+-+1-DR1DREXIT21”0000”1hexO11Exitl-DR1DREXIT11,0001n1hexl11Shift-DR1DRSHIFT1,f0010K1hGx

4、211Pause-DR1DRPAUSE1,f0011111hex311Select-IR1IRSELECT1,f0100n1hex411Update-DR1DRUPDATE11hGx511Capture-DR1DRCAPTURE11hex11Select-DR1DRSELECT11hex?11Exit2-IR1IREXIT21,fL000,f1hGxS11Exitl-IR1IREXIT111hex911Shift-：ER1IRSHIFT1,f1010111hexA11PausG-IR1IRPAUSE1,fL011,f1hexB11Run-Test/Idle|IDLE11hexC11Update

5、-IR1IRUPDATE1-llOl111hexD11Capture-DR1IRCAPTURE11hexE11TestLogicReset|RESET1,f1111111hexF1十TDIUPDATI-IRCLOCKIRSHIFTIRTMSTCKTRSTTAP控制器SELECTUPDAIEDRCLOCKDRSHIFTDR旁通寄存希數(shù)據(jù)存器TMS|RunTewasaectbRscanSelect_RScancapcreRsh_f_REx.nRupdMZRRun.Yesv&leFigure5.InstructionRegisterScanTimingJUUUmTOJ-LHTCKTMSTDITOOu

6、pdeDREXH.DRszflDRcapcr?DRsdectDRscanRun,TesMd-eFigure6.DataRegisterScanTiming4.2狀態(tài)機設(shè)計方法一般情況下，一個數(shù)字電路系統(tǒng)總是可以分解為數(shù)據(jù)通道（Datapath）和狀態(tài)機兩個部分?！皵?shù)據(jù)通道”一詞與字面意義不同，泛指較常用的數(shù)字部件，具有通用性。狀態(tài)機則是對電路特殊性部分的描述。這里所說的“狀態(tài)機”是一種描述電路功能的方法，與數(shù)字電路中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖類似，但要更抽象一些。以下以一個“密碼”定時器為例，介紹狀態(tài)機分析方法。（1）電路功能描述輸入輸出信號見圖4-6,只要求設(shè)計“密碼定時器”模塊。上電復(fù)位后，定時器處于等

7、待狀態(tài)，輸出控制信號“out”為0,計時顯示輸出為BCD碼“9”。輸入正確密碼后開始倒計時，每秒計數(shù)值減1,計時回0后，輸出控制信號置1。按鍵事件信號（key_in）的每個脈沖代表一次數(shù)字輸入事件，輸入數(shù)字以bed碼形式給出。密碼為固定的4位數(shù)字,例如“2012”。密碼輸入間隔時間或總的輸入時間不限。輸入數(shù)據(jù)的總位數(shù)也不限，只要4個連續(xù)的輸入數(shù)據(jù)與密碼相同即可。圖4-6密碼定時器設(shè)計思路：可以想象電路中將包含分頻電路、BCD減法計數(shù)器等常用部件，這些屬于“數(shù)據(jù)通道”部分，功能比較簡單。問題的關(guān)鍵是如何描述密碼的輸入情況。用寄存器保存輸入密碼的方法可行，但耗用較多硬件資源。以下釆用狀態(tài)機方法描述

8、密碼輸入情況。10圖4-7邊沿檢測regl:Okey_in_edge;always(posedgeelk)beginif(rst_n=l*bO)key_in_edge=2*511;elsebegmkey_ui_edg亡1=key_m.edgeO;key_in_edgeO=key_in;endendalways(posedgeelk)beginif(rst_n=l*bO)div=2fb00;elsediv=div+Fbl;end/always(posedgeelk)beginif(rst_n=l*bO)ent0)ent=ent1bl;end!(21)圖4-8狀態(tài)機paiainetei2:0PAS

9、S_O=3bOO;paiainetei2:0PASS_1=3bOl;parainetei2:0PASS_2=3blO;paiainetei2:0PASS_3=3bll;parainetei2:0PASS_4=3bll;always(posedgeelk)beginif(rst_n=l*bO)state=PASS_O;elsestate=next_state;endalways(stateork亡y_in_edgeorbed)beginif(key_in_edge=3b01)begincase(state)PASS_0:beginif(bcd=3d2)nextstate=PASS1;elsenextstate=PASS0:zendPASS_l:beginif(bcd=3*(10)nextstate=PASS2;elseif(bcd=3*d2)nextstate=PASS1;elsenextstate=PASS0:zendPASS_2:beginif(bcd=3*dl)nextstate=PASS3;elseif(bcd=3*d2)nextstate=P