Синтез цифрового автомата

Синтез цифрового автомата

2

31

Синтез цифрового автомата

Содержание

Введение

1. Принцип построения цифровых устройств

Отрасль связи является одной из наиболее перспективных отраслей народного хозяйства с точки зрения возможностей применения средств цифровой и микропроцессорной техники. К числу областей возможного применения микропроцессоров (МП) на предприятиях, учреждениях и в системах связи наряду с такими признанными направления, как управление системами коммутации каналов и сообщений, автоматизация проектирования, относятся: создание автоматизированных систем управления технологическими процессами и информационно-измерительных систем, обеспечивающих автоматизацию измерений, контроля исправности аппаратуры и линий, управление, а также расширение сервисных услуг, предоставляемых абонентам, возможностей оконечных устройств системы связи и многое другое. Информационно-измерительные и управляющие цифровые и микропроцессорные системы предназначены для измерения, сбора, обработки, хранения и отображения информации с реальных объектов, а также для управления ими. Как правило, микропроцессорные системы (МПС) содержат МП или микро-ЭВМ и средства измерения и первичного преобразования информации (датчики), сбора (коммутации) сигналов датчиков, их первичной обработки, передачи данных на расстояние, исполнительные органы, средства отображения (дисплеи, графопостроители, электрические печатающие устройства и др.). Итак, при проведении измерений параметров каналов связи, либо при приеме телеметрической информации в ЭВМ зачастую возникает необходимость обеспечить сбор данных. Следует, например, последовательно опрашивая аналоговые каналы, преобразовывать аналоговые измерительные или телеметрические сигналы, поступающие по ним, в цифровую форму и помещать их в ОП (ОЗУ) с целью последующей их обработки и отображения.

Внедрение микропроцессорной, и вообще цифровой, техники в устройства управления промышленными объектами требует от специалистов самого различного профиля быстрого освоения этой области знания. В процессе разработки функциональных схем цифровых устройств отчетливо выделяются два характерных этапа. На первом этапе, который можно назвать структурным проектирование, заданный неформально алгоритм разработчик представляет в виде последовательности некоторых операторов, таких, как получение результата, счет, преобразование кода, передача информации. При этом он старается использовать ограниченный набор общепринятых операторов. При использовании этих операторов, как правило, алгоритм можно представить довольно небольшим их числом. Структура алгоритма становится обозримой, понятной, легко читаемой и однозначной. На основе полученной структуры алгоритма формулируются технические требования к схемам, реализующим отдельные операторы. По техническим требованиям в качестве функциональных узлов схемы можно применить либо готовые блоки в интегральном исполнении, либо, если таких микросхем в наличии нет, синтезировать их из более простых элементов. Подобный синтез первоначально производится при помощи алгебры логики, после чего по полученным функциям строится эквивалентная схема. Однако, как правило, синтезированные схемы хуже их аналогов в интегральном исполнении. К этому приводят следующие обстоятельства: большее время задержки, большие габариты, большее потребление энергии. Поэтому результативного проектирования цифровых устройств разработчик должен уметь: выбрать наиболее приемлемый вариант решения поставленной задачи, работать с алгеброй логики, знать основные цифровые элементы и уметь их применять, по возможности знать наиболее простые и распространенные алгоритмы решения основных задач. Знание наиболее распространенных инженерных приемов в проектировании устройств позволит в будущем сразу воспользоваться готовой схемой, не занимаясь бесполезной работой. Необходимо заметить, что реализация схемы гораздо сложнее, чем простое решение задачи в алгебре логики и наборе полученной функции из логических элементов. В действительности даже, казалось бы, самые простые элементы, необходимо включать по определенной схеме, знать назначения всех выводов. Необходимо знать, чем различаются элементы в пределах серии. Понимание внутренней логики микросхемы особенно важно именно для специалистов по автоматике и промышленной электронике, поскольку цифровые микросхемы изначально создавались для выполнения строго определенных функций в составе ЭВМ. В условиях автоматики и радиотехники они часто выполняют функции, не запланированные в свое время их разработчиками, и грамотное использование микросхем в этих случаях прямо зависит от понимания логики их работы. Хорошее знание тонкостей функционирования схем узлов становится жизненно необходимым при поиске неисправностей, когда нужно определить, имеется ли неисправность в данном узле или же на его вход поступают комбинации сигналов, на которые схема узла не рассчитана. Составление тестов, а тем более разработка само проверяемых схем также требуют очень хороших знаний принципов работы узлов.

1. Принцип построения цифровых устройств

Обработка информации может осуществляться двумя методами: аналоговым, при котором участвующие в обработке величины представляются в аналоговой форме (обычно уровнями напряжения или тока), или цифровым, при котором величины представляются в цифровой форме и сама обработка сводится к последовательности действий (операций) над числами.

В зависимости от используемого метода обработки различают два типа аппаратуры: аналоговая, в которой используется аналоговый метод обработки, и цифровая, в которой применяется цифровой метод обработки. В цифровой аппаратуре основным устройством, в котором непосредственно выполняется обработка, является процессорное устройство.

Процессорное устройство (как и всякое сложное цифровое устройство) синтезируется в виде соединения двух устройств: операционного и управляющего (рис. 1).

Рисунок 1. Структура процессорного устройства.

Операционное устройство - устройство, в котором выполняются операции. Оно включает в себя регистры, сумматор, каналы передачи информации, мультиплексоры для коммутации каналов, шифраторы, дешифраторы и т.д. Управляющее устройство координирует действия узлов операционного устройства; оно вырабатывает в определенной временной последовательности управляющие сигналы, под действием которых в узлах операционного устройства выполняются требуемые действия.

Процесс функционирования операционного устройства распадается на определенную последовательность элементарных действий в его узлах. Перечень таких элементарных действий включает в себя:

1) установку регистра в некоторое состояние (например, запись в регистре числа 0, обозначаемую Ri0);

2) инвертирование содержимого разрядов регистра (например, если регистр R2 содержит число 101101, то после инвертирования его содержимое будет 010010, такое действие обозначают R2());

3) пересылку содержимого одного узла в другой узел (например, пересылку регистра R1 в регистр R2, обозначаемую R2(R1));

4) сдвиг содержимого узла влево, вправо (например, сдвиг на один разряд влево содержимого узла R1, обозначаемый R1С Л(R1));

5) счет, при котором число в счетчике возрастает или убывает на единицу (Сч(Сч) 1);

6) сложение (например, R2(R2)+(R1));

7) сравнение на равенство содержимого регистра с некоторым числом, результат сравнения лог. 1 в случае выполнения равенства и лог. 0 в случае невыполнения равенства;

8) некоторые логические действия (поразрядная дизъюнкция, конъюнкция и т.д.).

Каждое такое элементарное действие, выполняемое в одном из узлов операционного устройства в течение одного тактового периода, называется микрооперацией.

В определенные тактовые периоды одновременно могут выполняться несколько микроопераций, например, R20; Сч(Сч) + 1. Такая совокупность одновременно выполняемых операций называется микрокомандой, а весь набор микрокоманд, предназначенный для решения определенной задачи, - микропрограммой.

Таким образом, если в операционном устройстве предусматривается возможность исполнения n различных микроопераций, то из управляющего устройства выходят n управляющих цепей, каждая из которых соответствует определенной микрооперации. И если в операционном устройстве необходимо выполнить некоторую микрооперацию, то достаточно из управляющего устройства по определенной управляющей цепи подать сигнал (например, уровень лог. 1). Вследствие того, что управляющее устройство определяет микропрограмму, т.е. какие и в какой временной последовательности должны выполняться микрооперации, оно получило название микропрограммный автомат.

Формирование управляющих сигналов (рис. 1) для выполнения определенных микрокоманд может зависеть от состояния узлов операционного устройства, определяемого сигналами , которые передаются по определенным цепям с соответствующих выходов операционного устройства на входы управляющего устройства. Управляющие сигналы могут зависеть также от внешних сигналов .

Для уменьшения числа управляющих цепей, выходящих из управляющего устройства, в тех случаях, когда последнее конструктивно выполняется отдельно от операционного устройства, микрокоманды определенным образом кодируются. При этом операционное устройство формирует управляющие сигналы с помощью преобразователя кодов, преобразующего поступающую из управляющего устройства кодовую комбинацию микрокоманды в управляющие сигналы.

Результаты обработки, выполняемой в операционном устройстве, снимаются с его выходов .

Существуют два принципиально различных подхода в проектировании микропрограммного автомата (управляющего устройства): использование принципа схемной логики или принципа программируемой логики.

В первом случае, т.е. при использовании принципа схемной логики, в процессе проектирования подбирается некоторый набор цифровых микросхем (обычно малой и средней степени интеграции) и определяется такая схема соединения их выводов, которая обеспечивает требуемое функционирование (т.е. функционирование процессорного устройства определяется тем, какие выбраны микросхемы и по какой схеме выполнено соединение их выводов).

Устройства, построенные по такому принципу, способны обеспечивать наивысшее быстродействие при заданном типе технологии элементов. Недостаток этого принципа построения процессорных устройств состоит в трудности использования последних достижений микроэлектроники - интегральных микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции (БИС и СБИС). Это связано с тем, что для разных процессорных устройств потребуются различные БИС. Такие БИС окажутся узкоспециализированными. Число типов БИС будет большим, а потребность в каждом типе БИС окажется низкой. Это приведет к экономической нецелесообразности выпуска их промышленностью.

Эти обстоятельства заставляют обратиться к другому подходу в проектировании цифровых устройств, основанному на использовании принципа программируемой логики. Этот подход предполагает построение с использованием одной или нескольких БИС некоторого универсального устройства, требуемое функционирование (т.е. специализация) которого обеспечивается заключением в память устройства определенной программы (или микропрограммы). В зависимости от введенной программы такое универсальное устройство способно выполнить самые разнообразные функции. Число типов БИС в этом случае оказывается небольшим, а потребность в БИС каждого типа высокой. Это обеспечивает целесообразность их выпуска промышленностью. Набор типов БИС, обеспечивающих построение таких универсальных устройств, образует микропроцессорный комплект (МКТ). Устройства, реализуемые на МПК, - микропроцессорные устройства (МПУ).

Микропроцессорные комплекты стали выпускаться относительно недавно. Они представляют собой комплекты БИС, позволяющие совместно со сравнительно небольшим числом микросхем средней и малой степени интеграции создавать миниатюрные вычислительные устройства для разнообразных применений.

Если в устройстве, построенном по принципу схемной логики, всякое изменение или расширение выполняемых функций влечет за собой демонтаж устройства и монтаж устройства по новой схеме, то при использовании МПУ благодаря использованию принципа программируемой логики такое изменение функционирования достигается заменой хранящейся в памяти программы новой программой, соответствующей новым выполняемым устройством функциям. Такая гибкость применений, наряду с другими, связанными с использованием БИС достоинствами, заключающимися в низкой стоимости, малых габаритных размерах, высокой точности и помехозащищенности, характерных для цифровых методов, обусловили широкое внедрение МПУ в разнообразные сферы производства, аппаратуру для научных исследований и бытовые устройства.

Микропроцессорные устройства обеспечили широкое использование цифровых методов в различных технических направлениях. Бурное внедрение этих новых методов рассматривается как революция в технике.

2. Основные понятия о цифровом автомате

Цифровые автоматы - это логические устройства, в которых помимо логических элементов имеются элементы памяти. Значение выходных сигналов такого устройства зависит не только от аргументов на входе в данный момент времени, но и от предыдущего состояния автомата, которое фиксируется элементами памяти. В качестве элементов памяти могут использоваться триггеры. Каждое внутреннее состояние цифрового автомата определяется исходным состоянием триггеров и последовательностью входных сигналов, действующих на входе в данный момент времени, поэтому такие устройства называются последовательностными схемами. К последовательностным схемам можно отнести - триггеры, счетчики, регистры. В общем случае структурная схема цифрового автомата может быть представлена в виде набора трех узлов - комбинационной схемы формирования выходных сигналов, комбинационной схемы формирования сигналов управления триггерами и, собственно, памяти (рис. 2).

Рисунок 2. Управляющее устройство со схемной логикой.

На вход комбинационной схемы управления триггерами поступает комбинации входных сигналов , комбинации сигналов, отражающих состояние элементов памяти . С учетом этих множеств комбинационная схема формирует серии сигналов, управляющих состоянием триггеров. Кодовые комбинации состояния триггеров образуют внутренние состояния цифрового автомата, которые принято обозначать буквой a. Комбинационная схема формирования выходных сигналов создает сигналы , которые могут использоваться для управления некоторыми узлами, для активизации процессов в других схемах. Эти сигналы могут зависеть только от внутренних состояний: в этом случае устройство принято называть автоматом Мура. А если выходные сигналы зависят и от входных сигналов , то - автоматом Мили.

Таким образом, для задания цифрового автомата необходимы три множества:

- множество входных сигналов ;

- множество выходных сигналов ;

- множество внутренних состояний .

На указанных трех множествах задают две функции - функцию переходов и функцию выходов. Для автомата Мили эти функции имеют вид:

где - новое состояние цифрового автомата,

- предыдущее состояние автомата,

- выходные сигналы текущего времени,

- сигналы на входе в данный момент времени.

Для автомата Мура:

Последовательность действий автомата по формированию выходных сигналов и сигналов управления триггерами с учетом входных сигналов может быть задана с помощью алгоритма. Алгоритм фактически является формализованным представлением задачи по построению цифрового устройства, где определены группы выходных сигналов для инициализации устройств схемы (например, операционного устройства процессора в зависимости от поступления тех или иных входных сигналов ). Задавать цифровой автомат удобно с помощью графа. Графом называется непустое конечное множество узлов (вершин) вместе с множеством дуг (ветвей), соединяющих пары различных узлов. Граф обычно представляется в наглядной форме, при этом вершины изображаются точками или кругами, которые помечаются с целью идентификации, а ветви изображаются линиями, соединяющими соответствующие узлы. Если каждой дуге также приписано направление, то такой граф называется ориентированным. Если направления не указаны, то граф называется неориентированным. Данные представления полезны ввиду их наглядности. Вершины обычно соответствуют объектам некоторого вида (в цифровом автомате - внутренним состояниям), а дуги - физическим или логическим связям между ними. Таким образом, графы можно использовать для математического моделирования самых разнообразных систем и структур: электрических схем, вычислительных сетей и т.д.

Страницы: 1, 2