4.1 优先编码器与七段译码器

4.1 优先编码器与七段译码器

本节摘要：编码器把多根输入线压缩成二进制码，译码器反过来把二进制码展开成多根输出线。本节完成一对方向相反的实战模块——八三优先编码器与七段数码管译码器，覆盖 case 兜底、优先级语义、段码真值表的推导方法。

需求先落地：按键怎么变成数字

给袖珍计算器原型定第一个需求：面板上有八个按键（编号零到七），任意时刻可能多个键同时按住（机械抖动、用户手滑），系统要输出"优先级最高的那个键"的二进制编码，同时点亮一个"有键按下"的指示。这是教科书里标准的八三优先编码器：八根输入、三根输出，加一根有效标志。

写代码之前先手工推优先级表——优先级规则定为"编号越大越优先"。八号键（下标七）按住时，无论其他键什么状态，输出就是 111。依次类推，只有零号键按住时输出 000。没有任何键时，输出给 000 但有效标志拉低，让下游知道这个 000 是"空"不是"零号键"。

图：编码与译码在计算器原型中的位置

写优先编码器：if 链的正确使用场景

上一章说过 if 链自带优先级——编码器要的正是这个：

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;

entity prio_enc8 is
  port (
    keys  : in  std_logic_vector(7 downto 0);  -- key7 最高优先
    code  : out std_logic_vector(2 downto 0);  -- 最高优先键的编号
    valid : out std_logic                       -- 有键按下标志
  );
end entity prio_enc8;

architecture rtl of prio_enc8 is
begin
  process (keys)
  begin
    valid <= '1';                        -- 默认有键，下面逐级翻案
    if keys(7) = '1' then
      code <= "111";
    elsif keys(6) = '1' then
      code <= "110";
    elsif keys(5) = '1' then
      code <= "101";
    elsif keys(4) = '1' then
      code <= "100";
    elsif keys(3) = '1' then
      code <= "011";
    elsif keys(2) = '1' then
      code <= "010";
    elsif keys(1) = '1' then
      code <= "001";
    elsif keys(0) = '1' then
      code <= "000";
    else
      code <= "000";                     -- 无键：码无效，靠 valid 区分
      valid <= '0';
    end if;
  end process;
end architecture rtl;
​

四个检查点。一，敏感表只有 keys，读过没有别的信号，配平。二，else 分支存在，code 在每条路径都被赋值，valid 同样，无锁存器。三，优先级顺序与书写顺序一致——keys(7) 写在最前，物理路径最短，语义与电路统一。四，"无键"与"零号键"输出码相同，靠 valid 区分——这是编码器的标准设计手法，接口上多花一根线，语义上消灭歧义。

写七段译码器：真值表驱动的 with-select

数码管有七段发光条，按 a 到 g 排布。共阴极管段线给高电平点亮；显示数字八要点亮 abcdef 六段（g 灭），显示数字一点亮 b、c 两段。把零到九、加上灭灯态，逐个画在方格纸上，得到完整段码表。落成代码用 with-select 最清爽：

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;

entity seg7 is
  port (
    digit : in  std_logic_vector(3 downto 0);   -- 0..9
    seg   : out std_logic_vector(6 downto 0)    -- seg(6)=a … seg(0)=g，高电平点亮
  );
end entity seg7;

architecture rtl of seg7 is
begin
  with digit select seg <=
    "1111110" when "0000",   -- 0
    "0110000" when "0001",   -- 1
    "1101101" when "0010",   -- 2
    "1111001" when "0011",   -- 3
    "0110011" when "0100",   -- 4
    "1011011" when "0101",   -- 5
    "1011111" when "0110",   -- 6
    "1110000" when "0111",   -- 7
    "1111111" when "1000",   -- 8
    "1111011" when "1001",   -- 9
    "0000000" when others;   -- 非法输入全灭
end architecture rtl;
​

注意向量的位序约定：段 a 放在最高位还是最低位，纯看你画真值表时的定义——约定本身不重要，全工程一致才重要。when others 兜住了十到十五这六个非法码，全灭处理，比点亮乱码友好。

上仿真：一眼扫完所有输入组合

组合电路的测试台可以暴力穷举——四位输入只有十六种组合，八位 keys 有二百五十六种，循环一把梭：

stim : process
begin
  for k in 0 to 255 loop
    keys <= std_logic_vector(to_unsigned(k, 8));
    wait for 10 ns;
  end loop;
  std.env.stop;
end process;
​

跑完波形逐段检查：单键时码值正确；多键时输出编号最大者；全零时 valid 为低。段码部分重点抽查 0、1、8 三个值与灭灯态。穷举验证是组合电路的"满贯"考法——输入空间小，就不要漏考任何一个格子。

⚠️ 常见坑：段码位序约定混乱是上板黑屏的头号原因——代码里 a 在最高位、原理图里 a 接了低位引脚，显示出来的字全是"乱码"。定约时在代码注释里写死"哪一位是哪一段"，上板前对照原理图核一遍。

💡 关键直觉：编码器与译码器是"多对一"与"一对多"的镜像。判断该用哪个，看数据流向：把多根线的信息压缩成编号，编码；把编号展开成多根控制线，译码。

本节要点回顾

• 优先编码器用 if 链：书写顺序即优先顺序，物理路径与语义一致；
• valid 标志消歧义：编码"空"与"零号"输出相同码时，接口必须能区分；
• 译码器用 with-select 或 case：真值表直接落码，when others 兜非法值；
• 位序约定写进注释：段码、按键映射的位序全工程统一，对照原理图核实；
• 组合电路穷举验证：输入空间可控就全枚举，别抽样。