Содержание 

       Введение                                                                                                      

       1 Основные понятия о цифровом автомате                                                 

       2 Синтез цифрового автомата                                                           

       2.1 Определение состояний цифрового автомата                         

       2.2 Построение графа функционирования                                                                              

       2.3 Кодирование состояний и выбор  триггеров                                              

2.4 Таблица  функционирования                                                               2.5 Запись логических выражений для комбинационной части схемы

       2.6 Построение схемы                                                                                

       2.7 Проверка на переходе                                                                          

       Заключение                                                                                               

       Список  использованных источников                                                             
 
 

 

       

       Введение 

       В любой сфере человеческой деятельности – в науке, технике, производстве – методы и средства вычислительной техники направлены на повышение производительности труда. В настоящее время  на практике широко применяется   цифровая вычислительная техника и микропроцессорные системы. Они используются для автоматизирования управления технологическими процессами, включая автоматизированные контроль и диагностику технических средств, а также для автоматизированного проектирования научных исследований и административно – организационного управления.

       Главной составляющей любой цифровой вычислительной машины является процессор или микропроцессор. Он осуществляет непосредственно обработку данных и программное управление процессом обработки данных. Он синтезируется  в виде соединения двух устройств: операционного и управляющего. Операционное устройство – устройство, в котором выполняются операции, а управляющее устройство – это устройство, которое управляет процессом выполнения операции. В силу того, что управляющее устройство определяет микропрограмму, т. е. какие и в какой временной последовательности должны выполняться микрооперации, оно получило название микропрограммного автомата.

       Цифровые  автоматы  могут  быть  построены  по  принципу  программируемой (гибкой, записанной)  логики. В  этом  случае  в  запоминающее  устройство (ЗУ)  записываются  все  требуемые  кодовые  комбинации  и  с  помощью  специального  устройства  (например, БМУ – блока  микропрограммного  управления)  содержимое  ячеек  памяти  считывается  в  определенной  последовательности. Для  изменения  порядка  функционирования  управляющего  автомата  с  программируемой  логикой  достаточно  заменить  содержимое  памяти.

       Цифровые  автоматы,  построенные по  принципу  жесткой (схемной)  логики  могут быть  реализованы на  микросхемах с малой степенью  интеграции: триггеры,  регистры,  счетчики,  дешифраторы  и  др. Порядок  функционирования  автомата  задается  путем  соединения  между  собой  логических  элементов  заданного  базиса.

       Цифровой  автомат задается с помощью алгоритма, по которому строится граф автомата, таблица функционирования, записываются выражения комбинационной части схемы, и строится схема цифрового автомата, производится подбор триггеров и дешифратора.

       В данной курсовой работе  необходимо спроектировать цифровой автомат по заданным параметрам: начальному состоянию автомата, серии микросхем, типу триггеров, алгоритму функционирования с указанием входных и выходных сигналов.  
 

 

       

       1 Основные понятия  о цифровом автомате

 

        Цифровой автомат является основой  управляющего устройства, которое может быть использовано в синтезе с операционным устройством в процессоре - центральной части вычислительного устройства.  
 
 

       В цифровом автомате помимо логических элементов имеются элементы памяти. Элементы памяти применяются для фиксирования предыдущего состояния автомата, так как значение выходных сигналов такого устройства зависит не только от аргументов на входе в данный момент времени, но и от предыдущего состояния автомата. В качестве элементов памяти могут использоваться триггеры. Каждое внутреннее состояние цифрового автомата определяется исходным состоянием триггеров и последовательностью входных сигналов на входе в данный момент времени. Управляющее устройство состоит из памяти и двух основных узлов: комбинационная схема формирования сигналов управления триггерами и комбинационной схемы формирования выходных сигналов. На вход комбинационной схемы управления поступают комбинации входных сигналов х₁, х₂… х_k, комбинации сигналов, отражающих состояние элементов памяти Q1, Q2… Q_m. С учетом этих множеств, комбинационная схема формирует серии сигналов, управляющих состоянием триггеров. Состояния триггеров образуют кодовые комбинации, соответствующие внутреннему состоянию цифрового автомата, которое принято обозначать буквой «а». Комбинационная схема формирования выходных сигналов формирует выходные сигналы y₁, y₂ ... у_n. Если эти сигналы зависят только от внутренних состояний, то такое устройство принято называть автоматом Мура. Если выходные сигналы зависят не только от внутренних состояний, но и от входных сигналов, то такое устройство называют автоматом Мили. Следовательно, для задания цифрового автомата необходимо три множества:

• множество входных сигналов х₁, х₂… х_k;
• множество выходных сигналов у₁, у₂… у_n;
• множество внутренних состояний а₁, а₂… а_p.

       На указанных трех множествах задают две функции: функцию переходов и функцию выходов. Для автомата Мили эти функции имеют вид: 

       а(t+1)=f(a(t), x(t))       (1)   

       у(t) = φ (a(t), x(t))       (2) 

         где а(t+1) - новое состояние цифрового автомата;

       а(t) - предыдущее состояние автомата;

       у(t) - выходные сигналы текущего времени;

       х(t) - сигналы на входе в данный момент времени.

       Для автомата Мура: 

       а(t+1) = f(a(t), x(t))       (3) 

        

       у(t) = φ (a(t))        (4) 

       Последовательность  действий автомата по формированию выходных сигналов и сигналов управления триггерами с учетом входных сигналов может быть задана с помощью алгоритма. Цифровой автомат удобно задавать с помощью графа. Графом называется непустое конечное множество узлов (вершин) вместе с множеством дуг (ветвей), соединяющих пары различных узлов. Вершины обычно соответствуют объектам некоторого вида (в цифровом автомате - внутренним состояниям (а)), а дуги - физическим или логическим связям между ними. Таким образом, графы можно использовать не только для цифрового автомата, но и для математического моделирования самых разнообразных систем и структур: например, вычислительных сетей. 
 
 
 
 
 

 

       

       2  Синтез цифрового автомата 

       2.1 Определение состояний  цифрового автомата 

       Задача  представлена в виде алгоритма. Для  того, чтобы выполнить расчет и  произвести построение схемы цифрового  аппарата необходимо по заданному алгоритму определить множество внутренних состояний аппарата. Множество выходных  сигналов «y»  и входных сигналов « х » заданы алгоритмом. По алгоритму определяем состояния цифрового автомата.  Начальное состояние а6. Это значит, что автомат находится в состоянии а6 (начальном состоянии). Выход из этого состояния происходит под действием сигналов y_3,y_6,y₇, и автомат переходит в состояние а0_.Потом под действием внешнего сигнала x₁ автомат переходит в состояние а1 или в а0, в зависимости  от  признака х_1, если x₁= 1 в а0 и происходит остановка. Если х1 =0 - автомат перейдёт в состояние  а2 под действием у1, у4 , у6. Место на алгоритме, где автомат фиксирует внутреннее состояние, отмечено символом “ х “ и проставлено буквенное обозначение с соответствующим индексом. Следующие состояния проставляются аналогично в порядке возрастания. Состояние цифрового автомата проставляются на алгоритме, который приведен на рисунке 2.  
 

 

       

         
 
 
 

         
 
 
 

         

         
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Рисунок 2 - Алгоритм функционирования цифрового  автомата

 

        2.2 Построение графа  функционирования 

       Так как для задания цифрового  автомата удобно использовать граф функционирования устройства, то в донной части курсового проекта переходят к его построению. Состояния устройства в графе представляются узлами (изображаемые кружками с записью внутри них соответствующих состояний); дугами, соединяющими узлы, показывают возможные переходы между узлами (на схеме алгоритма эти переходы соответствуют переходам между соответствующими отметками). На дугах записывают условия (значения признаков, поступающих на входы УУ с выхода ОУ (операционного устройства)), при которых происходит переход, и какая команда должна выдаваться устройством.

       Принцип чтения графа заключается в следующем: автомат находится в исходном состоянии а₆, затем под действием внешнего события он изменяет свое состояние на а₀, при этом переходе должны быть сформированы выходные сигналы у₁, у₆ (если условие выполняется). Затем следует переход в состояние а₁ с формированием выходного сигнала у_1, у_4, у_6. Аналогично следует читать и весь граф (рисунок 3) граф.

 

       

 

       

       2.3 Кодирование состояний.  Выбор триггеров

       Следующим этапом в процессе синтеза ЦА (цифрового  автомата) является кодирование состояний и выбор триггеров. В процессе кодирования состояний каждому состоянию устройства должна быть поставлена в соответствие некоторая кодовая комбинация. Чтобы данная кодовая комбинация имела меньше разрядов и, следовательно, меньше триггеров, удобнее взять двоичный код 8-4-2-1. А число разрядов в свою очередь, выбирается из следующих соображений: если число состояний равно М, то для обеспечения М кодовых комбинаций требуется К-разрядный код, где К-минимальное целое число, при котором выполняется неравенство М<2 в к.

       В рассматриваемом случае М=16 и К=4. Таким образом, состояния устройства отображаются четырехразрядным кодовыми комбинациями. Соответствие между состояниями устройства и кодовыми комбинациями приведено в таблице 1. 
 

       Таблица 1 – Кодирование состояний цифрового автомата 

       Далее следует выбор триггеров для  построения регистра состояний. Так  как начальное состояние автомата задано, и оно не соответствует нулевой комбинации, то регистр строится на JК триггерах. Эти JК триггеры имеют входы предварительной установки: R и S. По своей структуре триггеры являются двухступенчатыми, что является важным их достоинством для построения схемы цифрового автомата. Триггеры должны иметь динамические входы и быть синхронными для устранения явления гонок. Переход автомата в новое состояние связан с переключением триггеров. Скорость переключения их может быть не одинаковой. Выходные сигналы триггеров используются для управления этими же триггерами, и если один  из триггеров, переключившись раньше другого, изменит сигналы на входах другого триггера так, что переключение второго триггера не состоится, то есть при переходе автомата в новое состояние может возникнуть ситуация, при которой произойдет переключение не всех триггеров, как предусмотрено алгоритмом функционирования данного автомата. Это и есть явление гонок. В двухступенчатых же триггерах одна ступень запоминает исходное состояние автомата, а в другой происходит подготовка к переключению в новое состояние. Для расчетов потребуется таблица 2 (переходов выбранного JК). Число триггеров для построения регистра состояний равно разрядности кодовой комбинации состояний (таблица 2). В данном случае используем четыре триггера, так как число разрядов двоичного кода  четыре.