Цифровая схемотехника (практикум). Учебное пособие предназначено для выполнения практикума по дис циплинам "Схемотехника электронных средств, "Схемотехника эвм, "Основы микроэлектроники для
 Скачать 0.86 Mb.
|
|
Состояние автомата (после перехода) при установке состояний входа Внутреннее состояние (до перехода) p1 p2 p3 p4 h1 (h1) h3 h2 (h1) h2 (h2) h1 h4 (h2) h3 h4 (h3) (h3) h2 h4 h3 h1 h2 (h4) 5.1.2 Матрицы переходов Матрица переходов, используемая для задания автомата, представляет собой квадратную матрицу (таблица 5.5), строки и столбцы которой соответст- вуют внутренним состояниям автомата. Элементы матрицы указывают состоя- ние входа автомата, при котором он переходит из внутреннего состояния, соот- ветствующего строке во внутреннее состояние, соответствующее столбцу, а также указывают соответствующее выходное состояние. Таблица 5.5 - Матрица переходов автомата Переход во внутренние состояния h1 h2 h3 h4 Исходное внутренние состояние При состояниях входа/выхода h1 p1/y1 p2/y2 p4/y1 p3/y2 h2 p3/y2 p1/y4 p2/y3 p4/y2 h3 p3/y4 p1/y1 p2/y4 p4/y1 h4 p2/y3 p3/y3 p1/y2 p4/y1 5.1.3 Диаграммы переходов Диаграмма переходов - это ориентированный граф, вершинами которого являются внутренние состояния автомата, а дуги помечены входными и выход- ными состояниями, как показано на рисунке 5.2. 63 Рисунок 5.2 – Диаграмма переходов автомата 5.1.4 Автоматные уравнения Автоматные уравнения - это примитивный способ задания автомата с по- мощью логических уравнений, описывающих логическую сеть, реализующую автомат на простейших логических элементах. Автоматные уравнения, назы- ваемые также функциями возбуждения автомата, являются результатом одного из этапов синтеза конечного автомата. Для несложных автоматов такой способ задания является достаточно наглядным и удобным для анализа его поведения. 5.1.5 Синтез конечных автоматов Задача синтеза конечных автоматов разбивается на несколько этапов: a) на первом этапе синтеза формулируются условия работы автомата, т.е. определяются условия его взаимодействия с объектом управления; б) на втором этапе синтеза выявляется закон функционирования автома- та, осуществляется его описание на одном из принятых формальных языков. Этот этап называют синтезом абстрактного автомата. На этапе абстрактного синтеза не интересуются свойствами логических элементов, из которых авто- мат в дальнейшем будет состоять. Не рассматривается какие конкретные значе- ния принимают те или иные выходы ЛП или ЭП. Важно лишь знать число воз- можных различных состояний автомата и законы переходов между состояния- ми; в) на третьем этапе осуществляют минимизацию внутренних состояний автомата; 64 г) на четвертом этапе осуществляется кодирование (размещение) внут- ренних состояний; д) на пятом этапе осуществляется выписывание (в общем случае не пол- ностью определенных) функций возбуждения автомата, их доопределение и минимизация; е) шестой этап - построение ЛП на реальных логических элементах; ж) последний этап - это соединение ЛП с ЭП и анализ работоспособности получившегося устройства. 5.1.6 Пример реализации автомата с жесткой логической структурой Дано: 1 Диаграмма переходов – рисунок 5.2; 2 Коды входных сигналов: p1=000, p2=101, p3=011, p4=010, p5=111; 3 Коды выходных сигналов: y1=101001, y2=011011, y3=111010, y4=101011, y5=001001, y6=000011, y7=100100; 4 Коды внутренних состояний автомата: h1 =00, h2 =10,h3 =01, h4 =11. Задание: Требуется построить конечный автомат Мили по диаграмме переходов рисунок 5.2 без минимизации внутренних состояний. Реализация 1 Исходя из диаграммы переходов, построим таблицу значений функции переходов и функции выходов (таблица 5.6). 2 Подставив соответствующие коды в таблицу 5.6, получим таблицу пе- реходов (таблица 5.7) для системы функций возбуждения автомата. Таблица 5.6 - Значения функций переходов и функции выхода автомата H(t i ) P(t) H(t+1) Y 1 2 3 4 h1 h1 h1 h1 h2 h2 h2 h2 h3 h3 p1 p4 p2 p3 p1 p4 p2 p3 p1 p5 h1 h1 h2 h4 h2 h2 h3 h4 h3 h4 y1 y2 y3 y4 y1 y2 y5 y7 y2 y6 65 Продолжение таблицы 5.6. 1 2 3 4 h3 h3 h4 h4 h4 h4 h4 p4 p2 p1 p2 p4 p5 p3 h2 h1 h4 h4 h3 h2 h1 y1 y3 y1 y2 y5 y6 y7 Таблица 5.7 – Таблица переходов возбуждений автомата Адрес Данные H(t) P(t) H(t+1) Y 00 00 00 00 10 10 10 10 01 01 01 01 11 11 11 11 11 000 010 101 011 000 010 101 011 000 111 010 101 000 101 010 111 011 00 00 10 11 10 10 01 11 01 11 10 00 11 11 01 10 00 101001 011011 111010 101011 101001 011011 001001 100100 011011 000011 101001 111010 101001 011011 001001 000011 100100 3. Из полученной таблицы 5.7 видно, что: - для восприятия входных кодов и оценки внутренних состояний в мо- мент времени t i и формирования выходных откликов, автомат должен состоять структурно из комбинационной схемы, которую можно построить, например, на ППЗУ типа К573РФ2; - для хранения внутренних состояний автомат должен содержать элемен- ты памяти, допустим, на D-триггерах типа К155ТМ2 или К561ТМ2. 66 Рисунок 5.3 – Функциональная схема синтезируемого автомата Мили В таком случае эскиз функциональной схемы создаваемого конечного автомата Мили на ППЗУ и триггерах будет выглядеть, как показано на рисунке 5.3. В этой схеме комбинации входных сигналов, сигналы установки на- чального состояния, управляющие сигналы для конечного автомата можно бу- дет подавать с выходов счетчика импульсов стенда, а в качестве источника так- товых импульсов автомата, которые необходимо подавать на элементы памяти, использовать генератор синхроимпульсов стенда (СИ). Комбинационная часть схемы автомата реализуется на ППЗУ путем не- посредственной прошивки в ячейках памяти содержимого таблицы переходов (коды Н(t+1) и Y) по адресам, определяемым кодами Р(t ) и H(t). Элементы па- мяти на двух триггерах могут хранить два бита информации о внутреннем со- стоянии автомата после перехода в очередное состояние. Поскольку при реализации в ППЗУ минимизация комбинационной схе- мы не имеет смысла, то можно сразу переходить к размещению содержимого таблицы 5.7 в ППЗУ. 4. Получение кодов прошивки Так как таблица 5.7 имеет всего 17 строк (т.е. в ПЗУ необходимо запом- нить только 17 байт), а в ППЗУ К573РФ2 имеется возможность записать 2048 байт, то не все адресное пространство микросхемы необходимо занимать реа- лизуемым автоматом. Поскольку комбинационная часть имеет только 5 входов, то можно выделить для данного автомата любую непрерывную область адрес- ного пространства микросхемы емкостью в 32 байта. Для этого необходимо на 67 6 из 11 адресных входов микросхемы ППЗУ подать какие-либо константы. В выделенную таким образом область ППЗУ необходимо записать содержимое таблицы 5.7 в соответствии с выбранным вариантом обозначения оставшихся адресных входов микросхемы входными переменными комбинационной части автомата. Разместим комбинационную часть в области ППЗУ, начинающуюся с ад- реса 00H. Следовательно, на старшие разряды адресных входов микросхемы необходимо при этом подать константу 000000B. В таблице 5.8. приведена по- лученная прошивка ППЗУ. Таблица 5.8 – Адреса и данные, записанные в ППЗУ Адрес Дан- ные Адрес Дан- ные Адрес Дан- ные Адрес Дан- ные 00 29 08 5B 10 A9 18 E9 01 ** 09 ** 11 ** 19 ** 02 1B 0А A9 12 9B 1A 49 03 EB 0В ** 13 E4 1B 24 04 ** 0С ** 14 ** 1C ** 05 BA 0D 3A 15 49 1D DB 06 ** 0E ** 16 ** 1E ** 07 ** 0F C3 17 ** 1F 83 В таблице 5.8 знаком ** помечены безразличные состояния функций возбуждения автомата. Входные сигналы, соответствующие этим состояниям не должны подаваться согласно диаграмме переходов автомата и должны быть запрещены. Соответствующие ячейки ППЗУ могут оставаться не запрограмми- рованными, т.е. иметь содержимое FF. 5.1.7 Контрольные вопросы 1 Поясните принцип действия программатора. 2 Поясните принципы работы синхронного и асинхронного автоматов. 3 Опишите таблицу переходов для конкретного автомата, заданного другим способом. 4 От чего зависит корректность поведения асинхронного автомата? 5 В чем заключаются преимущества и недостатки асинхронных автоматов? 6 Как работать со стендом? 7 Пояснить устройство и работу микросхемы К573РФ2. 8 Назовите и объясните назначение основных файлов программного обеспече- ния программатора. 68 5.1.8 Порядоквыполнения практикума ВНИМАНИЕ! Соблюдайте правила техники безопасности при работе со стендом и приборами как с электрическими установками ! Сетевое питание на стенд и питание на тестируемые схемы подавай- те только после полного монтажа схемы и проверки монтажа преподава- телем! При выполнении практикума в лабораторном классе: 5.1.8.1 В счет часов самостоятельной работы студентов выполните следующее: а) на занятии, предшествующем данному практикуму, получите от пре- подавателя вариант создаваемого конечного автомата; б) изучите по основной и дополнительной литературе основы построения и принципы действия триггерных схем и ППЗУ; в) проработайте методические указания к настоящему практикуму; г) составьте диаграмму переходов заданного автомата. Задайте коды входных сигналов, внутренних состояний и выходных кодовых комбинаций произвольным образом. Ориентируясь на вышеприведенный пример построе- ния автомата, составьте таблицы переходов автомата и таблицу прошивки ППЗУ. Начертите схему электрическую принципиальную автомата, используя приведенные в справочниках общепринятые для выполнения электрических схем обозначения ППЗУ и триггеров, источников питания, общих шин, клемм и проводников. Для проверки функционирования автомата дополните составленную схе- му следующими устройствами: - для задания сигналов на входы автомата используйте выходы четырех- разрядного счетчика; - для контроля состояния всех входных и выходных сигналов и внутрен- них состояний автомата применяйте светодиоды; - для синхронизации работы тестируемого автомата используйте от- дельный формирователь синхроимпульсов. д) составьте одну из многих возможных таблиц переходов разработанно- го автомата, иллюстрирующую работу автомата. - представьте преподавателю результаты разработки автомата, получен- ные при выполнении п.п. 5.1.8.1 г), 5.1.8.1 д), ответьте на контрольные вопросы и получите у преподавателя разрешение к проведению практикума; - повторите методические указания к настоящему практикуму и озна- комьтесь с органами управления и индикации лицевой панели стенда; - запишите информацию таблицы прошивки непосредственно в ППЗУ с помощью программатора (см. методические указания к практикуму № 6); - вставьте в сокеты стенда микросхемы. С целью проверки алгоритма ра- боты автомата, проведите с помощью перемычек монтаж схемы, составленной при подготовке к работе. Проверьте внимательно монтаж схемы и представьте 69 его для проверки преподавателю или лаборанту. В разделе 6 указаний для справки, приведены обозначения элементов; - проверьте алгоритм работы тестируемого автомата в соответствии с таблицей, составленной при подготовке к работе по п. 5.1.8.1 д), задавая пооче- редно на входы микросхемы выходные двоичные коды со счетчик стенда и на- блюдая отклики на выходе схемы и внутренние состояния с помощью свето- диодов. Сравните экспериментальную таблицу с составленной до проведения опыта; - демонтируйте схему, аккуратно сложите все проводники и компоненты и вместе со стендом передайте лаборанту; - подготовьте отчет по практикуму и представьте его для защиты и полу- чения зачета. 5.1.9 Содержание отчета В отчете должны быть приведены: - теоретический материал в объеме, достаточном для успешной защиты выполненной практикума; - разработанные схемы и составленные таблицы функционирования ав- томата; - результаты исследования схем в виде таблиц, раскрывающих алгоритм работы микросхем; - выводы по практикуму. 5.2 Практикум "Микропрограммный автомат" Микропрограммные автоматы - это простейшие управляющие устройст- ва, в которых используется принцип программного управления. По своей сущ- ности микропрограммный автомат является конечным автоматом. Однако он отличается подходом к реализации комбинационной схемы, способом задания и некоторыми элементами поведения от простейших конечных автоматов клас- сической модели Мили или Мура. Все входы комбинационной схемы микро- программного автомата разбиваются на внутренние и внешние. Считается, что на входы подаются результаты проверок различных логических условий управ- ления объектом. В соответствии с разделением входов на внутренние и внеш- ние логические условия тоже могут быть внутренними и внешними. Внешние логические условия вырабатываются объектом, с которым взаимодействует ав- томат, а внутренние условия вырабатываются самим автоматом в соответствии с алгоритмом управления, который этот автомат реализует. Микропрограммный автомат выполняет алгоритм, записанный в ПЗУ в виде некоторой программы, состоящей из последовательности примитивных операторов, которые разделяются на два основных вида. Первый вид операто- ров - это операторы условного перехода. Второй вид - это операторы, осущест- вляющие операции управления объектом. 70 Операторы управления объектом вырабатывают выходные сигналы мик- ропрограммного автомата, которые непосредственно действуют на объект и осуществляют безусловный переход автомата к следующему по порядку адреса ПЗУ оператору. Операторы условного перехода осуществляют условный переход автома- та в заданную область программы. С помощью условных операторов возможно осуществление различных циклов и ветвлений в программе, реализующей за- данный алгоритм. Программу работы микропрограммного автомата задают либо в виде схемы алгоритма (СА), либо с помощью некоторого специального символьного языка. Программы, записанные с помощью СА, однозначно могут быть преоб- разованы в коды для ПЗУ автомата. На рисунке 5.4 приведена схема микропро- граммного автомата. Автомат содержит: 1) ПЗУ, в котором хранится программа (ROM); 2) комбинационную схему, анализирующую логические условия (ЛП); 3) счетчик с параллельной записью, который, являясь счетчиком команд, осуществляет переход к очередной команде (ST). Рисунок 5.4 – Структурная схема микропрограммного автомата 5.2.1 Пример реализации микропрограммного автомата Дано: 1 Схема алгоритма (СА) работы автомата, приведенная на рисунке 5.5. 71 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,B,C - операторы вывода сигналов (y i ) управления объ- ектом (код 10); 2,6 - операторы перехода по условию Х (оператор условного перехода код 11); (А) - оператор безусловного перехода c одновременным выводом счет- чика адреса (код 00); (D) - оператор безусловного перехода (код 01). Рисунок 5.5 - Схема алгоритма работы микропрограммного автомата 2 Выходные состояния автомата (сигналы управления объектом): y1=0000, y2=0001, y3=1001, y4=1100, y5 =1011, y6 =0101, y7 =0011, y8 =0110, y9 =1111. Задание: Требуется построить микропрограммный автомат по схеме рисунка 5.4. без минимизации состояний и условных переходов. Реализация: 1. Поставим в соответствие каждому оператору СА (рисунок 5.5) внут- реннее состояние автомата, т.е. попросту пронумеруем команды программы. Будем считать, что номер команды совпадает с ее адресом в ПЗУ (в скобках указаны номера операторов безусловного перехода). 2. В СА используется четыре вида операторов: оператор вывода сигналов управления объектом, оператор перехода по условию Х, оператор безусловного перехода и оператор безусловного перехода с одновременным выводом значе- ния счетчика адреса ПЗУ на выходные шины автомата. Определим структуру операторов. Каждый оператор должен содержать код операции (КОП) и операнд. По- скольку операторов четыре, то код операции может состоять из двух двоичных разрядов. Операндами всех операторов являются четырехразрядные двоичные 72 числа, следующие непосредственно за кодом операции в восьмиразрядном сло- ве ПЗУ. Таким образом, код команды имеет следующий вид: КОП Операнд * * где: **- неиспользованные разряды. Присвоим коды операций командам: 10yyyy** - оператор вывода сигналов управления объектом; 11aaaa** - оператор условного перехода; 00aaaa** - оператор безусловного перехода с одновременным выводом содержимого счетчика адреса; 01aaaa** - оператор безусловного перехода. 3 После определения кодов операций, зная тип используемого счетчика адреса, можно построить таблицу истинности и принципиальную схему анали- затора логических условий, управляющего работой счетчика адреса. Режим счета счетчика устанавливается, если W =0 и «+1»=1. Режим параллельной за- писи информации производится, если W =1, «+1»=0. Поэтому таблица истинно- сти анализатора логических условий (логического преобразователя ЛП) будет иметь вид, представленный в таблице 5.9: Таблица 5.9 – Таблица истинности анализатора логических сигналов Условие КОП Состояние управления входов счетчика X K2 K1 W +1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 4. Окончательно формат команды имеет вид: КОП Операнд k2 k1 р4 р3 р2 р1 Разряд k1 может служить для сигнализации о том, что на выходах авто- мата установлены действительные значения. Для этого окончательная схема ав- томата (рисунок 5.6.) имеет дополнительный выход, сигнализирующий при z =1 73 о появлении на выходах автомата действительных значений выходных сигна- лов. Рисунок 5.6 – Функциональная схема микропрограммного автомата 4.Согласно СА, используя результат предыдущего шага, запишем в кодах программу работы автомата в таблице 5.10. Таблица 5.10 – Программа работы микропрограммного автомата |