Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Существует большое количество различных структур автоматов. В общем случае любой автомат может иметь различную структуру. Однако структуру любого автомата можно преобразовать к одной из двух типовых структур:
Автомат 1-го рода или автомат Мили.
Автомат 2-го рода или автомат Мура.
Структура автомата Мили представлена на рис. 1.5.
Автомат Мили представляется в виде двух комбинационных схем и памяти, состоящей из отдельных элементов памяти.
Первая комбинационная схема (в дальнейшем будем обозначатьее КС1) имеет две группы входов. Одна группа входов является входами автомата в целом (x1, x2, …, xn ). На другую группу входов поступают сигналы из памяти автомата (qt1, qt2, …, qtk )., т.е. состояние автомата. По отношению к автомату в целом эти сигналы являются внутренними. На выходах схемы КС1 формируются сигналы (qt+11,qt+12,…,qt+1k), которые поступают на входы элементов памяти (ЭПr).
X1
X2
Xn
После записи в память эти сигналы в следующем такте будут представлять собой следующее состояние автомата (Qt+1). Таким образом схема КС1 является схемой формирования следующего состояния автомата.
Вторая комбинационная схема (КС2) называется выходным преобразователем и служит для формирования выходных сигналов автомата (y1, y2, …, ym ). На ее входы поступают те же сигналы, что и на входы схемы КС1. Поэтому выходные сигналы в автомате Мили зависят как от состояния, так и от входных сигналов, поступающих в данном такте. Обобщенная структура автомата Мили имеет вид, представленный на рис.1.6.
Работа автомата Мили описывается в общем виде уравнениями переходов и выходов:
Yt = Y( Xt, Qt ) ; (1.4)
Qt + 1 = Q( Xt, Qt).
Уравнение (функция) переходов Qt+1=Q(Xt, Qt) определяет условия перехода автомата из одного состояния в другое. Это уравнение задает логику работы комбинационной схемы КС1.
Уравнение (функция) выходов Yt=Y(Xt,Qt ) определяет условия формирования определенных выходных сигналов. Это уравнение задает логику работы комбинационной схемы КС2.
Анализ уравнений (1.4) показывает, что логика работы автомата Мили совпадает с логикой работы автомата обобщенной структуры, представленной на рис. 1.4.
Автомат Мура имеет структуру, показанную на рис. 1.7.
Эта структура внешне очень незначительно отличается от структуры автомата Мили. Как видно на рис.1.7, это отличие заключается в том, что в автомате Мура входной сигнал не поступает на комбинационную схему КС2 (схему формирования выходов).
Работа автомата Мура описывается следующими уравнениями переходов и выходов:
Yt = Y( Qt ) ; (1.5)
Qt + 1 = Q ( Xt, Qt).
Из уравнений (1.5) видно, что выходной сигнал автомата Мура зависит только от текущего состояния и не зависит от входного сигнала в данном такте. Следует особо отметить, что выходной сигнал зависит от входных сигналов, поступивших в предыдущих тактах, поскольку от них зависит текущее состояние. Таким образом, выходной сигнал автомата Мура задержан на один такт по отношению к входному сигналу
Иногда выходные сигналы автомата Мура совпадают с сигналами состояний. В этом случае автомат не имеет комбинационной схемы КС2 и называется автоматом без выходного преобразователя. Обобщенная структура такого автомата показана на рис. 1.8.
Алгоритм работы автомата Мура без выходного преобразователя описывается следующими уравнениями переходов и выходов:
Yt = Qt ; (1.6)
Qt + 1 = Q ( Xt, Qt).
Проверка правильности работы автомата. Для проверки правильности работы автомата рассмотрим случай, когда автомат находится в состоянии Q1 и на его вход поступает сигнал х = 0. В этом случае:
Qt = Q1 , т.е. q t1 = 0 и q t2 = 1 (см. кодирование состояний), x = 0.
Значения сигналов на входах элементов схемы для этого случая показаны на рис. 3.4. В соответствии с логикой работы элементов схемы на входы триггеров поступают сигналы, показанные на рис.3.4. При условии, что сигнал синхронизации принимает значение С = 1, оба триггера изменят свое состояние, т.е. q t+11 = 1 и q t+12 = 0. Тогда в соответствии с принятым кодированием состояний получим, что Qt+1 = Q2 , т.е. автомат из состояния Q1 перешел в состояние Q2 .После перехода в состояние Q2 на выходе схемы формируется сигнал Y = 0. При сравнении состояния Qt+1 и полученного выходного сигнала можно установить, что они совпадают с данными таблицы переходов и выходов
автомата (табл. 3.1.). Таким образом, при рассмотренном сочетании текущего состояния и входного сигнала автомат работает правильно.
МИКРОПРОГРАММНЫХ АВТОМАТОВ.
МПА - управляющие автоматы, формирующие последовательности сигналов, инициирующих выполнение микропрограмм в операционных автоматах (объектах управления).
МПА обладает рядом особенностей:
· это инициальные автоматы (имеющие начальное состояние);
· это циклические автоматы (многократно формирующие последовательность управляющих сигналов);
· это структурные автоматы с кодированными (как правило двоично) входным и выходным алфавитами, причем с достаточно большим числом входов и выходов.
Рассмотренные методы и приемы синтеза дискретных устройств (ДУ) использовали их представление в виде совокупности двух основных блоков: комбинационного логического и блока элементов памяти. Такой подход обладает универсальностью и обеспечивает хорошие результаты при построении относительно несложных ДУ. Однако полученные на его основе процедуры синтеза ДУ оказываются чрезмерно громоздкими и трудоемкими при построении устройств средней и большой сложности, имеющих важное практическое значение. Работа таких устройств обычно заключается в реализации некоторого алгоритма обработки информации, т.е. в выполнении упорядоченной последовательности определенных операций над поступающими данными. При построении таких ДУ целесообразно использовать принцип микропрограммного управления, состоящий в следующем:
1) любая операция, реализуемая устройством, рассматривается как сложное действие, которое разделяется на последовательность элементарных действий, называемых микрооперациями;
2) для управления порядком следования микроопераций используются логические условия хi, принимающие в зависимости от результатов выполнения микроопераций значения 1 или 0;
3) процесс выполнения операций в устройстве описывается в форме алгоритма, представленного в терминах микроопераций и логических условий и называемого микропрограммой;
4) микропрограмма используется как форма представления функции устройства, на основе которой определяются его структура и порядок функционирования.
Все сказанное можно рассматривать, как содержательное описание принципа микропрограммного управления.
Элементарная операция, которая может быть выполнена под воздействием одного управляющего сигнала, называется микрооперацией. Примерами микроопераций могут быть, например, сброс регистра в "0", сдвиг содержимого регистра, сложение чисел в сумматоре, прием данных в регистр и т.д.
Разметка микропрограммы для автомата Мура
Начальный и конечный операторы помечаются символом начального состояния.
Все безусловные операторы помечаются символами следующих состояний
Разметка микропрограммы для автомата Мили
.Выход начального и вход конечного операторов помечаются символом начального состояния.
.Входы всех операторов, следующих за безусловными операторами,
помечаются символами следующих состояний.
Формализация задания
Разметка микропрограммы
Составление таблицы переходов и выходов
Кодирование состояний.
Составление кодированной таблицы переходов и выходов.
Выбор типа элементов памяти
Запись функций переходов и выходов в СДНФ.
Минимизация функций возбуждения и выходов.
Преобразование функций переходов и выходов к виду, удобному для реализации на элементах И, ИЛИ, НЕ.
Построение функциональной схемы автомата.
Проверка правильности работы автомата.
Тактовый способ записи информации в устройства памяти в тех случаях, когда из-за разной продолжительности переходных процессов в различных цепях невозможно иным способом обеспечить одновременное появление всех сигналов на входе устройства.
Поэтому выдача информации с элементов памяти должна происходить одновременно с сигналами генератора тактовых импульсов (ГТИ).
Каждый новый цикл обмена информацией начинается после того, как в предыдущем цикле завершается выработка выходного слова и его запоминание установкой всех элементов памяти в соответствующее состояние.
Передача информации между запоминающими элементами требует выполнения следующего условия: новая информация может поступать только после передачи информации о состоянии данного элемента другому элементу.
Для выполнения этого условия необходимo некоторое время для хранения информации о состоянии элементов памяти, участвующих в передаче.
Это может осуществляться с помощью схем задержки электрических сигналов либo введением дополнительных запоминающих элементов.
Кратковременное хранение информации в микросхемах обеспечивается дополнительным триггером, осуществляющим промежуточное хранение данных (рис. 1).
Рис. 1. Двухтактный триггер:
а - принципиальная схема, б - условное графическое обозначение
Для передачи информации между запоминающими элементами используют две серии синхронизирующих сигналов.
Время поступления сигналов каждой серии должно быть больше времени переходного процесса в триггере.
Первая серия cигналов t1, применяется для ввода информации на дополнительные триггеры, а серия сигналов t2 - для передачи информации с дополнительных триггеров на основные.
В этом такте информация, проходя через комбинационные схемы, также может преобразовываться.
Простейшая схема двухтактного триггера состоит из двух синхронных однотактных RS-триггеров и инвертора D цепи синхронизации.
При поступлении на вход такого триггера сигнала t = 1 информация, которую нужно запомнить, записывается в первый триггер, а во втором триггере будет храниться информация, относящаяся к предыдущему периоду.
По окончании действия сигнала синхронизации, т. е когда t1 = 0, а t2 = 1, первый триггер перейдет в режим хранения, а второй перепишет новое значение выходного сигнала из первого триггера.
В комплексах цифровых микросхем наибольшее распространение получил универсальный двухтактный JК-триггер, схема которого приведена на рис. 2.
Рис. 2. JK-триггер
Закон функционирования JК-триггера задается таблицей, приведенной ниже.
Входы J (от английского слова jаЬ — толкать) и К (keep - держать, сохранять) соответствуют входам S и R, т. е. сигнал 1 на входе J устанавливает триггер в состояние 1, а такой же сигнал на входа К в состояние 0 независимо от предыдущего состояния.
В отличие от RS-триггеров, в которых сигналы 1 нельзя подавать одновременно на оба входа, так как это приводит к неопределенности, в JK-триггере их можно одновременно подавать на входы J и K.
При этом состояние триггера всегда будет меняться на противоположное (как в триггере со счетным входом).
При построении контроллеров, систем управления и различных схем промышленной автоматики на чипах широко применяют JK-триггер, поскольку незначительными изменениями схемы его включения можно выполнять функции D-, Т- и RS-триггеров (рис 3).
Рис. 3. Образование D-триггера (а), T-триггера (б), RS-триггера (в)
Пусть (a, b) и (y, d) - две пары двоичных кодов длины R. Эти пары будут называться развязанными, если при некотором I (1<= i <= I) i-разряд кода принимает значение 1 на паре ( a, b ) и противоположное значение на паре (y, d). Если это не соблюдается, пары называются связанными.
Теорема. В автомате, состояние которого закодировано двоичными кодами конечной длины, гонки отсутствуют тогда и только тогда, когда для любых двух переходов (am, as) и (ak, al) при as не = al, происходящие под действием одного и того же входного сигнала соответствующие пары развязаны.
Алгоритм противогоночного кодирования основан на этой теореме, идея состоит в следующем: последовательно просматривая все пары переходов, имеющие хотя бы 1 общий входной сигнал, осуществляющий эти переходы, следует присваивать разрядам кодов такие значения, чтобы эти пары кодов состояний были развязаны.
Пусть (am, as) и (ak, al) пары переходов автомата, а a,b ,y ,d - соответственно четверка кодов состояний am, as, ak, al длины i.
Примечание. Четверка кодов a,b ,y, d состоит из 0, 1 и Х.
В АП из-за задержек сигналов могут наблюдаться гонки (состязания) сигналов, при которых последующее состояние узла определяется не всем набором входных переменных, а лишь самым быстрым сигналом. Если в результате нарушается нормальная работа АП, то гонки являются критическими.
Самый распространённый механизм гонок таков. Состояние АП изменяется сигналами, зависящими от состояния ЭП. Из-за задержки сигналов установка ЭП не происходит одновременно, и одни из ЭП изменят состояние раньше других. При этом они влияют на установку других ЭП или даже переводят их в непредусмотренное состояние.
Классическим примером гонок является неопределённое состояние RS-триггера. Если на оба входа поданы логические единицы, то на обоих выходах появятся единицы. А если сразу после этого подать на вход нули, то значение на выходе целиком определяется элементом, выигравшим гонки (переключившимся раньше).
Важнейший метод борьбы с гонками – синхронизация, при которой приём и выдача данных в ЭП разрешена лишь в определённые моменты времени.
Общие принципы синхронизации.
В синхронных устройствах процессом приёма информации управляют тактовые сигналы. ЭП принимают данные в моменты времени, когда информационные сигналы приняли установившиеся значения. Тактовые сигналы следуют с периодом, достаточным для завершения переходных процессов даже при максимальных задержках элементов. Это, однако, приводит к простаиванию части элементов, завершивших переходной процесс раньше. Для решения этой проблемы применяют апериодические цифровые устройства, в которых тактовые импульсы следуют с переменной частотой, определяемой временем реального переходного процесса. Когда процесс завершается в каком-либо узле, он формирует сигнал, разрешающий переход к следующему такту.
Устройства синхронизации.
Обычно синхронизация осуществляется с помощью генератора тактовых импульсов (ГТИ), сигналы которого распределяются по всем узлам устройства и разрешают приём и выдачу данных ЭП. В роли ЭП используют синхронные триггеры. Тракт обработки информации (рис.1) при синхронизации состоит из чередующихся КЦ и ЭП. КЦ преобразуют информацию, а ЭП принимают её после окончания в КЦ переходных процессов.
Рис.1. Обобщённая схема тракта синхронизированной обработки информации.