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

– 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 Q_H = f(Q, X) и Y = φ(Q, X), где Q_H 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.

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 Q_H = f(Q, X) и Y = φ(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 :

Q_t+1 = f(Q_t , ABC_t );

Y_t = φ(Q_t , ABC_t ),

где: Q = {Q₁ , Q₂ , Q₃ , Q_n } – множество состояний автомата; t = 0, 1, 2, 3, 4,…

I. Абстрактный синтез автомата.

1.1)

Интерфейс автомата (рис. 2).

Алфавит состояний автомата

В соответствии с заданием и алфавитом состояний строим граф переходов

В соответствии с графом переходов и таблицей состояний строим таблицу переходов

Чтобы не загромождать таблицу переходами в состояние Q₀ /Z₂ , условимся, что при всех остальных комбинациях Q и CBA, не описанных в таблице, переход будет осуществляться так:

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 Q_н – данными, которые необходимо записать по этому адресу. Во все же остальные адреса необходимо записать 01000000.

I. 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.

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 CircuitMakerPro 6.0

Литература.

Е.Угрюмов «Цифровая схемотехника», BHV 2000.

«12» апреля 2001г. _________________

Схема автомата

Цепочка R₁ C₁ обеспечивает сброс регистра и приведение автомата в исходное состояние при включении питания.