Метою даної курсової роботи є проектування керуючого цифрового автомата.
В процесі роботи повинні бути виконані наступні операції. разметіка схеми керуючого цифрового автомата, побудова графа переходів для Ц.А. Мура, кодування станів Ц.А. Мура, обчислення числа елементів пам'яті, побудова таблиці переходів і виходів Ц.А. Мура, мінімізація систем логічних рівнянь Ц.А. оптимізація функцій схеми Ц.А., оцінка складності і швидкодії цифрового автомата.
Мета повинна бути доведена до побудови функціональної схеми цифрового пристрою (автомата).
1 Теоретична довідка
Автомат - це система механізмів, пристроїв в якій повністю автоматизовані процеси отримання, перетворення, передачі енергії, матеріалів, інформації. Термін «автомат» використовується в двох аспектах: технічному і математичному. При математичному підході під автоматом розуміється математична модель технічного пристрою, у якого повинні бути свої входи стану і виходи, при технічному підході під автоматом розуміється цілком реальний пристрій.
Важливим випадком автомата виступає цифровий автомат, в якому повністю автоматизовані процеси прийому, перетворення, зберігання і видачі цифрової інформації.
Цифровий автомат - це логічний пристрій, в яких крім логічних елементів є елементи пам'яті. Значення вихідних сигналів такого пристрою залежить не тільки від аргументів на вході в даний момент часу, але і від попереднього стану автомата, яке фіксується елементами пам'яті. Як елементи пам'яті можуть використовуватися тригери. Кожне внутрішній стан цифрового автомата визначається вихідним станом тригерів і послідовністю вхідних сигналів, що діють на вході в даний момент часу, тому такі пристрої називаються послідовних схема. До послідовних схема можна віднести: тригери, лічильники, регістри. Схема роботи цифрового автомата зображена на малюнку 1.1.
Малюнок 1.1 Схема роботи цифрового автомата
У будь-якому пристрої обробки цифрової інформації можна виділити два основні блоки - операційний автомат і керуючий автомат.
Операційний автомат служить для зберігання слів інформації, виконання набору мікрооперацій і обчислення значень логічних умов, тобто операційний автомат є структурою, організованою для виконання дій над інформацією.
Керуючий автомат генерує послідовність керуючих сигналів, визначену прошивки і відповідну значенням логічним умов. Інакше кажучи, керуючий автомат задає порядок виконання дій в ОА, що випливає з алгоритму виконання операцій. Керуючий автомат може бути представлений в двох видах: автомат з жорсткою логікою (зі схемної логікою) і автомат з гнучкою логікою (з програмованою логікою). Різниця між автоматом з жорсткою логікою і автоматом з гнучкою логікою в витратах обладнання, необхідного для реалізації одних і тих же функцій, т. Е. У вартості автоматів. Кількість обладнання в автоматі з жорсткою логікою зростає майже пропорційно складності прошивки. Для автоматів з гнучкою логікою типові великі питомі витрати обладнання при реалізації відносно нескладних мікропрограм. Автомати з жорсткою логікою мають більш високу швидкодію, ніж автомати з гнучкою логікою.
Таким чином будь-який пристрій - є композицією операційного і
керуючого автоматів. Операційний автомат, реалізуючи дії над словами інформації, є виконавчою частиною пристрою, роботою якого управляє керуючий автомат, що генерує необхідні послідовності керуючих сигналів.
З точки зору сигналів Ц.А. корисно визначити як систему, яка може приймати вхідні сигнали, під їх впливом переходити з одного стану в інший, зберігати його до приходу наступного вхідного сигналу і видавати вихідні сигнали.
Ц.А. вважається кінцевим, якщо кінцеві множини вхідних сигналів х, станів s і вихідних сигналів y.
Ц.А. називають дискретний перетворювач інформації здатний приймати різні стани, переходити під впливом вхідних сигналів або команд програми з одного стану в інший і видавати вихідні сигнали.
Математичною моделлю Ц.А. є абстрактний автомат, певний 6 компонентами (А, Z, W, # 948;, # 955;, a0), де:
- A- безліч станів
- Z- безліч вхідних сигналів
- W- безліч вихідних сигналів
- б-функція переходу, показує до якого стану перейде автомат при вхідному сигналі
- # 955; - функція виходів, яка показує який вихідний сигнал виробляється на виході автомата під дією сигналу
- a0 - початковий стан автомата
Для опису Ц.А. використовуються різноманітні засоби звані язикамі.Язикі діляться на початкові і автоматні.
Найбільш загальні при вироблення вихідних сигналів формування нових станів по дією вхідних сигналів відбивається законом функціонування автомата:
Закон функціонування являє собою сукупність двох функцій: функції переходу і функції виходу, де t-дане автоматне час.
Видно що даний стан залежить від попереднього, також вихідний сигнал визначає попередньому станом і вхідним сигналом в даний момент часу.
За способом формування функції виходів автомати діляться на автомати Мілі (Mealy) і Мура (Moore).
Відмінність автомата Мура від автомата Мілі полягає в тому, що вихідний сигнал в автоматі Мура залежить тільки від поточного стану автомата і в явному вигляді не залежить від вхідного сигналу. В автоматі Мілі вихідні сигнали визначаються як станами і вхідними сигналами.
Закон функціонування автомата Мура:
Т-тригер (від англ. Toggle - перемикач) часто називають рахунковим тригером, так як він є найпростішим лічильником до 2.
Асинхронний Т-тригер не має входу дозволу рахунку - Т і переключається по кожному тактовому імпульсу на вході С.
Робота схеми асинхронного двоступеневого T-тригера з парафазним входом на двох парафазних D-тригерах на восьми логічних вентілях2І-НЕ. Зліва - входи, справа - виходи. Синій колір відповідає 0, червоний - 1.На малюнку 1.2 представлено Умовне графічне позначення синхронного T-тригера.
Малюнок 1.2-Умовне графічне позначення синхронного T-тригера
Синхронний Т-тригер [17]. при одиниці на вході Т, по кожному такту на вході С змінює своє логічне стан на протилежне, і не змінює вихідну стан при нулі на вході T. Т-тригер можна побудувати на JK-тригері, на двухступенчатом (Master-Slave, MS) D -тригер і на двох одноступінчатих D-тригерах і инвертор.
Як можна бачити в таблиці істинності JK-тригера, він переходить в інверсне стан кожного разу при одночасній подачі на входи J і K логічної 1. Ця властивість дозволяє створити на базі JK-тригера Т-тригер, об'єднуючи входи J і К.
У двухступенчатом (Master-Slave, MS) D-тригері інверсний вихід Q з'єднується зі входом D, а на вхід З подаються лічильні імпульси. В результаті тригер при кожному рахунковому імпульсі запам'ятовує значення Q, тобто буде переключатися в протилежний стан.
Т-тригер часто застосовують для зниження частоти в 2 рази, при цьому на Т вхід подають одиницю, а на С - сигнал з частотою, яка буде поділена на 2.
Згідно з завданням спроектувати керуючий цифровий автомат по
заданої змістовної граф-схемою алгоритму. Проаналізувати різні варіанти побудови комбінаційної схеми Ц.А. і вибрати найбільш простий.
Для даного варіанту побудувати функціональну схему Ц.А. Дати оцінку конструктивної складності Ц.А. Уявити рекомендації по вибору елементної бази для реалізації цифрового автомата.