Принцип разработки цифровых автоматов
Содержание
| Стр. | |
| Введение | 5 |
| 1. Принцип построения процессорных устройств | |
| 2. Принцип разработки цифровых автоматов | |
| 3. Разработка цифрового автомата по алгоритму функционирования | |
| 3.1. Определение состояний управляющего устройства | |
| 3.2. Построение графа функционирования управляющего устройства | |
| 3.3. Построение таблицы функционирования цифрового автомата | |
| 3.4. Составление логических уравнений | |
| 4. Выбор микросхем по заданному базису, их учет, расчет мощности | |
| 5. Исследования цифрового автомата на переходе |
Принцип построения процессорных устройств
Обработка информации может осуществляться двумя методами:
аналоговым, при котором участвующие в обработке величины представляются в аналоговой форме (обычно уровнями напряжения или тока), или цифровым, при котором величины представляются в цифровой форме, и сама обработка сводится к последовательности действий (операций) над числами.
В зависимости от используемого метода обработки различают два типа аппаратуры: аналоговая, в которой используется аналоговый метод обработки, и цифровая, в которой применяется цифровой метод обработки. В цифровой аппаратуре основным устройством, в котором непосредственно выполняется обработка, является процессорное устройство.
|
|
|
Процессорное устройство и его структура.
Процессорное устройство (как и всякое сложное цифровое устройство) синтезируется в виде соединения двух устройств: операционного и управляющего (рис.1).
Операционное устройство - устройство, в котором выполняются операции. Оно включает в себя регистры, сумматор, каналы передачи информации, мультиплексоры для коммутации каналов, шифраторы, дешифраторы и т. д. Управляющее устройство координирует действия узлов операционного устройства; оно вырабатывает в определенной временной последовательности управляющие сигналы, под действием которых в узлах операционного устройства выполняются требуемые действия.
| Вход данных |
| Вход данных |
| y1 |
| y2 |
| yn |
| x1 |
| xs |
| Y1 |
| Y2 |
| yn |
| x1 |
| Xs |
| U1 |
| U2 |
| ur |
| z1 |
| z2 |
| Выход данных |
XS+1
| zm |
Рис. 1
Процесс функционирования операционного устройства распадается на определенную последовательность элементарных действий в его узлах. Перечень таких элементарных действий включает в себя:
|
|
|
1) установку регистра в некоторое состояние (например, запись в регистре числа 0, обозначаемую R←0);
2) инвертирование содержимого разрядов регистра (например, если регистр R содержал число 101101, то после инвертирования его содержимое будет 010010, такое действие обозначают R2←(R2));
3) пересылку содержимого одного узла в другой узел (например, пересылку содержимого регистра R1 в регистр R2 , обозначаемую R2←(R1));
4) сдвиг содержимого узла влево, вправо (например, сдвиг на один разряд влево содержимого регистра R1, обозначаемый R1←Cдв Л (R1));
5) счет, при котором число в счетчике возрастает или убывает на единицу (Сч←(Сч) ± 1);
6) сложение (например, R←(R2) + (R1));
7) сравнение на равенство содержимого регистра с некоторым числом, результат сравнения лог. 1 в случае выполнения равенства или лог. 0 в случае невыполнения равенства;
8) некоторые логические действия (поразрядная дизъюнкция, конъюнкция и т.д.).
Каждое такое элементарное действие, выполняемое в одном из узлов операционного устройства в течение одного тактового периода, называется микрооперацией.
|
|
|
В определенные тактовые периоды одновременно могут выполняться несколько микроопераций, например R←0; Сч←Сч ) + 1. Такая совокупность одновременно выполняемых операций называется микрокомандой, а весь набор микрокоманд, предназначенный для решения определенной задачи, - микропрограммой.
Таким образом, если в операционном устройстве предусматривается возможность исполнения n у различных микроопераций, то из управляющего устройства выходят n управляющих цепей, каждая из которых соответствует определенной микрооперации. И если в операционном устройстве необходимо выполнять некоторую микрооперацию, то достаточно из управляющего устройства по определенной управляющей цепи подать сигнал (например, уровень логич. 1).
Вследствие того , что управляющее устройство определяет микропрограмму, т. е. какие и в какой временной последовательности должны выполняться микрооперации, оно получило название микропрограммный автомат.
Формирование управляющих сигналов y1 , … , yn (рис.2) для выполнения определенных микрокоманд может зависеть от состояния узлов операционного устройства, определяемого сигналами x1 , … , xs, которые передаются по определенным цепям с соответствующих выходов операционного устройства на входы управляющего устройства. Управляющие сигналы y , , y могут зависеть также от внешних сигналов xs+1 , … , xL.
|
|
|
Для уменьшения числа управляющих цепей, выходящих из управляющего устройства, в тех случаях, когда последнее конструктивно выполняется отдельно от операционного устройства, микрокоманды определенным образом кодируются. При этом операционное устройство формирует управляющие сигналы с помощью преобразователя кодов, преобразующего поступающую из управляющего устройства кодовую комбинацию микрокоманды в управляющие сигналы.
Принцип разработки цифровых автоматов
Существует два принципиально различных подхода в проектировании микропрограммного автомата (управляющего устройства): использование принципа схемной логики или принципа программируемой логики.
В первом случае, т.е. при использовании принципа схемной логики, в процессе проектирования подбирается некоторый набор цифровых микросхем (обычно малой и средней степени интеграции) и определяется такая схема соединения их выводов, которая обеспечивает требуемое функционирование (т.е. функционирование процессорного устройства определяется тем, какие выбраны микросхемы и по какой схеме выполнено соединение их выводов).
Устройства, построенные по такому принципу, способны обеспечивать наивысшее быстродействие при заданном типе технологии элементов. Недостаток этого принципа построения процессорных устройств состоит в трудности использования последних достижений микроэлектроники — интегральных микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции (БИС и СБИС). Это связанно с тем, что для разных процессорных устройств требуется различные БИС. Такие БИС окажутся узкоспециализированными. Число типов БИС будет большим, а потребность в каждом типе БИС окажется низкой. Это приведет к экономической нецелесообразности выпуска их промышленностью.
Принцип программируемой логики предполагает построение с использованием одной или нескольких БИС некоторого универсального устройства, требуемое функционирование (т.е. специализация) которого обеспечивается заключением в память устройства определенной программы (или микропрограммы). В зависимости от введенной программы такое устройство способно выполнить самые разнообразные функции. Число типов БИС в этом случае оказывается небольшим, а потребность в БИС каждого типа высокой. Это обеспечивает построение таких универсальных устройств, образует микропроцессорный комплект (МПК). Устройства, реализуемые на МПК, - микропроцессорные устройства (МПУ).
Цифровые автоматы - это логические устройства, в которых помимо логических элементов имеются элементы памяти. Значение выходных сигналов такого устройства зависит не только от аргументов на входе в данный момент времени, но от предыдущего состояния автомата, которое фиксируется элементами памяти. В качестве элементов памяти могут использоваться триггеры. Каждое внутреннее состояние цифрового автомата определяется исходным состоянием триггеров и последовательностью входных сигналов, действующих на входе в данный момент времени, поэтому такие устройства называются последовательными схемами. К последовательным схемам можно отнести : триггеры, счетчики, регистры. В общем случае структурная схема цифрового автомата может быть представлена в виде набора трех узлов: комбинационной схемы формирования выходных сигналов, комбинационной схемы формирования сигналов управления триггерами и, собственно, памяти.
На вход комбинационной схемы управления триггерами поступают комбинации входных сигналов х1 , х2 , … хк , комбинации сигналов,отражающих состояние элементов памяти Q1 , Q2 , … Qm . С учетом этих множеств комбинационная схема формирует серии сигналов, управляющих состоянием триггеров. Кодовые комбинации состояния триггеров образуют внутренние состояния цифрового автомата, которые принято обозначать буквой а.
Комбинационная схема формирования выходных сигналов создает сигналы y1 , y2 , … yp , которые могут использоваться для управления некоторыми узлами, для активизации процессов в других схемах. Эти сигналы могут зависеть только от внутренних состояний: в этом случае устройство принято называть автоматом Мура. А если выходные сигналы зависят и от входных сигналов х1 , х2 , … хк , то - автоматом Мили.
Таким образом, для задания цифрового автомата необходимы три множества:
- множество входных сигналов: х1 , х2 , … хк ;
- множество выходных сигналов: у1 , у2 , … ур ;
- множество внутренних состояний: а1 , а2 , … аz .
На указанных трех множествах задают две функции: функцию переходов и функцию выводов. Для автомата Мили эти функции имеют вид:
а(t+1) = f (a (t), x (t));
y(t) = φ(a (t), x (t)) ;
где а(t+1) - новое состояние цифрового автомата;
а - предыдущее состояние автомата;
y(t)- выходные сигналы текущего времени;
х(t) - сигналы на входе в данный момент времени.
| Комбинационная схема формирования сигналов управления триггерами |
| Память |
| Комбинационная схема формирования выходных сигналов |
| Операционное устройство |
| x1 |
| Q1 |
| y1 авляющее устройство |
| Q1 |
| Q2 |
| y2 |
| x2 |
| Комбинационная схема формирования сигналов управления триггерами |
| Память |
| Комбинационная схема формирования выходных сигналов |
| Q2 |
| y2 |
| Qn |
| x2 |
| yn |
Рис. 2 Управляющее устройство со схемной логикой.
Последовательность действий автомата по формированию выходных сигналов и сигналов управления триггерами с учетом входных сигналов может быть задана с помощью алгоритма. Алгоритм фактически является формализованным представлением задачи по построению цифрового устройства где определены группы выходных сигналов для инициализации устройств схемы. Рис.3, Рис.4. Управляющие устройство со схемной логикой представляет собой блок памяти на JKтригерах а так же комбинационную схему формирования сигналов управления тригерами и выходными сигналами у.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 345; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!