Цифровые устройства

Кодовый замок


                                 Содержание.

    1).        Задание на проектирование.    -2-
    2).    Введение.   -2-
    3).    Абстрактный синтез автомата.      -5-
    4).    Структурный синтез автомата.      -8-
    5).    Набор элементов для физического синтеза.     -8-
    6).    Литература,  дата,  подпись.      -8-

                                  Задание.

       Спроектировать автомат «кодовый замок»,  имеющий  три  информационных
входа A, B, C,   на которые подается входной сигнал  в восьмеричном коде,  и
два выхода  Z1,  Z2.
    Z1  –  возбуждается  при  подаче,  на   (A,  B,  C)   входы,   заданной
    последовательности сигналов.
    Z2 - возбуждается при нарушении заданной последовательности сигналов.
       В качестве элементной базы  рекомендуется  использовать   RS   и   JK
триггеры и интегральные микросхемы с набором логических элементов.
       После получения  функциональной  схемы  следует  провести  анализ  на
возможные ложные комбинации и состязания в автомате.
       Для  варианта  №  6  принять  следующую  последовательность   входных
сигналов:

                          0  –  1  –  5  –  4  –  5
                          7  –  5 –   7  –  3  –  7
                          1  –  0  –  4  –  5  –  4
                          5. –  4  –  0  –  1  –  0



        Введение в проблематику и методику проектирования автоматов с
                                   памятью

       Узлы и устройства, которые  содержат  элементы  памяти,  относятся  к
классу автоматов с памятью (АП). Наличие элементов памяти  (ЭП)  придает  АП
свойство иметь некоторое внутреннее состояние Q, определяемое  совокупностью
состояний всех элементов памяти.  В  зависимости  от  внутреннего  состояния
(далее называемого просто состоянием), АП различно реагирует на один  и  тот
же вектор входных сигналов X. Воспринимая входные сигналы  при  определенном
состоянии, АП переходит в новое состояние  и  вырабатывает  вектор  выходных
переменных Y. Таким образом, для АП QH = f(Q, X) и Y = ?(Q, X), где QH  и  Q
— состояния АП после и до подачи  входных  сигналов  (индекс  "н"  от  слова
"новое").
       Переходы АП из одного состояния  в  другое  начинаются  с  некоторого
исходного состояния Q0,  задание  которого  также  является  частью  задания
автомата. Следующее состояние зависит от Q0 и поступивших  входных  сигналов
X. В  конечном  счете,  текущее  состояние  и  выходы  автомата  зависят  от
начального  состояния  и  всех  векторов  X,  поступавших   на   автомат   в
предшествующих    сменах    входных    сигналов.    Таким    образом,    вся
последовательность входных сигналов определяет последовательность  состояний
и выходных сигналов. Это объясняет  название  "последователъностные  схемы",
также применяемое для обозначения АП.
       Структурно АП отличаются от КЦ наличием в их схемах обратных  связей,
вследствие чего в них проявляются свойства  запоминания  состояний  (полезно
вспомнить схемы триггерных элементов, где указанная особенность  проявляется
очень наглядно).
       Автоматы с памятью в  каноническом  представлении  разделяют  на  две
части: память и комбинационную цепь. На входы КЦ подаются входные сигналы  и
сигналы состояния  АП.  На  ее  выходе  вырабатываются  выходные  сигналы  и
сигналы перевода АП в новое состояние.
       Принципиальным является деление АП на  асинхронные  и  синхронные.  В
асинхронных (рис. 1, а) роль  элементов  памяти  играют  элементы  задержки,
через которые сигналы состояния передаются на входы КЦ,  чтобы  совместно  с
новым набором входных переменных определить следующую пару значений  Y  и  Q
на  выходе.   Элементы   АП   переключаются   здесь   под   непосредственным
воздействием изменений  информационных  сигналов.  Скорость  распространения
процесса   переключений   в   цепях   асинхронного   автомата   определяется
собственными задержками элементов.
       В  синхронном  АП  (рис.  1,  б)  имеются  специальные  синхросигналы
(тактирующие импульсы) С, которые разрешают элементам  памяти  прием  данных
только в определенные моменты времени. Элементами памяти  служат  синхронные
триггеры. Процесс обработки  информации  упорядочивается  во  времени,  и  в
течение одного такта возможно распространение процесса  переключения  только
в строго определенных пределах тракта обработки информации.

       [pic]

       Рис. 1. Асинхронный (а) и синхронный (б) автоматы с памятью

       Практическое применение асинхронных автоматов существенно  затруднено
сильным влиянием на их  работу  задержек  сигналов  в  цепях  АП,  создающих
статические и динамические риски, гонки элементов памяти  (неодновременность
срабатывания ЭП даже при одновременной подаче на  них  входных  сигналов)  и
др. В итоге характерным свойством асинхронного  автомата  является  то,  что
при переходе из одного устойчивого состояния в  другое  он  обычно  проходит
через промежуточные  нестабильные  состояния.  Нельзя  сказать,  что  методы
борьбы с нежелательными  последствиями  рисков  и  гонок  в  асинхронных  АП
отсутствуют, но все же обеспечение предсказуемого  поведения  АП  —  сложная
проблема. В более или менее сложных АП асинхронные схемы  встречаются  очень
редко,  а  в  простейших  схемах   применяются.   Примером   могут   служить
асинхронные RS-триггеры.
       В  синхронных  автоматах  каждое  состояние  устойчиво  и  переходные
временные состояния не возникают. Концепция борьбы с последствиями рисков  и
гонок в синхронных автоматах проста — прием  информации  в  элементы  памяти
разрешается только  после  завершения  в  схеме  переходных  процессов.  Это
обеспечивается параметрами синхроимпульсов, задающих интервалы  времени  для
завершения тех или иных процессов. В сравнении  с  асинхронными,  синхронные
АП значительно проще в проектировании.
       На сегодняшний день  и  достаточно  длительную  перспективу  основным
путем  построения  АП  следует  считать  применение  тактирования,   т.   е.
синхронных автоматов.
       В  работах  отечественных   и   зарубежных   ученых   разрабатывается
направление, называемое проектированием самосинхронизирующихся устройств,  в
которых тактовые  импульсы  следуют  с  переменной  частотой,  зависящей  от
длительности реального переходного процесса в схеме. Однако  перспективность
этого направления еще не вполне ясна.
       В теории автоматов проводится их классификация по ряду признаков.  Не
вдаваясь в подробности, отметим, что  в  схемотехнике  преобладают  автоматы
Мура, выходы которых  являются  функциями  только  состояния  автомата.  Для
этого автомата QH = f(Q, X) и Y = ?(Q).
       Зависимость выходов и от состояния  автомата  и  от  вектора  входных
переменных свойственна автоматам Мили.
       Некоторые  функциональные  узлы  принадлежат   к   числу   автономных
автоматов, которые не имеют информационных входов, и под действием  тактовых
сигналов переходят из состояния  в  состояние  по  алгоритму,  определяемому
структурой автомата.


       В нашем случае, для формирования последовательности выходных сигналов
Y = {Z1,    Z2}    при    соответствующей    последовательности      входных
сигналов (A, B, C)i, можно использовать автомат с жесткой логикой и  законом
функционирования автомата Мили:


                  Qt+1  = f(Qt, ABCt);
                     Yt  = ?(Qt, ABCt),

   где: Q = {Q1, Q2, Q3, Qn} – множество состояний автомата; t = 0, 1, 2,
                                   3, 4,…
                      I.   Абстрактный синтез автомата.



             1.1)



                        Интерфейс автомата (рис. 2).

               2) Алфавит состояний автомата


|        |D4      |D3      |D2      |D1      |D0      |
|Q0      |0       |0       |0       |0       |0       |
|Q1      |0       |0       |0       |0       |1       |
|Q2      |0       |0       |0       |1       |0       |
|Q3      |0       |0       |0       |1       |1       |
|Q4      |0       |0       |1       |0       |0       |
|Q5      |0       |0       |1       |0       |1       |
|Q6      |0       |0       |1       |1       |0       |
|Q7      |0       |0       |1       |1       |1       |
|Q8      |0       |1       |0       |0       |0       |
|Q9      |0       |1       |0       |0       |1       |
|Q10     |0       |1       |0       |1       |0       |
|Q11     |0       |1       |0       |1       |1       |
|Q12     |0       |1       |1       |0       |0       |
|Q13     |0       |1       |1       |0       |1       |
|Q14     |0       |1       |1       |1       |0       |
|Q15     |0       |1       |1       |1       |1       |
|Q16     |1       |0       |0       |0       |0       |

               3) В соответствии с заданием  и  алфавитом  состояний  строим
                  граф переходов

               4) В соответствии с графом  переходов  и  таблицей  состояний
                  строим таблицу переходов

|Q                        |C |B |A |(CBA) |Z1 |Z2 |Qн                       |


  |D4 |D3 |D2 |D1 |D0 | | | | | | |D4 |D3 |D2 |D1 |D0 | | |Qx |x |x |x |x |x
|все другие комбинации |x |0 |1 |0 |0 |0 |0 |0 |Q0/Z2 | |

       Далее можно  было  бы  выводить  функции  переходов,  минимизировать,
упрощать, опять минимизировать… Но есть  способ  лучше  –  прошить  все  эти
функции “как есть”  в  ПЗУ,  а  в  качестве  элементов  памяти  использовать
параллельный регистр с двухступенчатыми D-триггерами. При этом  состояние  Q
и сигналы CBA будут являться адресом ПЗУ, а Z1, Z2 и Qн –  данными,  которые
необходимо записать по этому адресу. Во все же остальные  адреса  необходимо
записать 01000000.

                     II.   Структурный синтез автомата.



             2.1)  Использование всех наборов исключает присутствие  ложных
                    комбинаций в функциональной схеме.

             2.2)  Введение  дополнительного  синхронизирующего  провода  в
                    интерфейс автомата  (рис  №  2)  позволяет  использовать
                    тактируемый  регистр  с   двухступенчатыми   триггерами,
                    которые, в свою очередь, предотвращают возможные гонки в
                    автомате.

             2.3)  На странице № 7 реализуем функциональную схему.



                III. Набор элементов для физического синтеза.

       В качестве элементной базы можно использовать регистры с разрядностью
? 7 и асинхронным сбросом, ПЗУ с разрядностью адресов  ?  8  и  разрядностью
данных ? 7, например, соответственно, 74LS199 и 573РФ2.

       Остается добавить, что работоспособность автомата  была  проверена  в
системе проектирования электронных схем CircuitMaker Pro 6.0



                               IV. Литература.

             1. Е.Угрюмов «Цифровая схемотехника», BHV 2000.



             «12» апреля 2001г.              _________________

                               Схема автомата



                                    [pic]

       Цепочка R1C1 обеспечивает сброс  регистра  и  приведение  автомата  в
исходное состояние при включении питания.
-----------------------
[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

Q16

Q12

Q8

Q4

Q15

Q11

Q7

Q3

Q14

Q10

Q6

Q2

Q13

Q9

Q5

Q1

Q0

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

                                 A8=E@>=87CN

                               синхронизующий


Z2



Z1



A



B



C


0

2

1

3

4

5

7

6



                                   Автомат


а)

б)




смотреть на рефераты похожие на "Кодовый замок"