Кодовый замок

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Задание на проектирование

Введение в проблематику и методику проектирования автоматов с памятью

Абстрактный синтез автомата

Структурный синтез автомата

Набор элементов для физического синтеза

Литература

Задание

кодовый замок автомат сигнал память

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 Q_H = f(Q, X) и Y = ц(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 = ц(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 = ц(Q_t, ABC_t),

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

Абстрактный синтез автомата

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

Структурный синтез автомата

Использование всех наборов исключает присутствие ложных комбинаций в функциональной схеме.

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.

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 CircuitMaker Pro 6.0

Литература

Е.Угрюмов «Цифровая схемотехника», BHV 2000.

Схема автомата

Цепочка R₁C₁ обеспечивает сброс регистра и приведение автомата в исходное состояние при включении питания.

Размещено на www.allbest.ru