Лекция 13-14. Системы управления.

При разработке систем управления используются два принципиально разных подхода:

1. Принцип схемной (жесткой) логики. Здесь в процессе проектирования подбираются микросхемы и разрабатывается такая схема их соединения, которая обеспечивает функционирование системы для управления каким-то одним, строго определенным процессом (или несколькими, но, как правило, не очень сложными), происходящим в аппаратуре. Например, для автоматического выбора диапазонов и настройкой на заданные частоты в радио- и телеприемниках, запоминания номеров наиболее часто вызываемых абонентов и организацией повторных вызовов в телефонных аппаратах и т.д.

2. П ринцип программируемой логики. В этом случае с помощью одной или нескольких БИС строится универсальное устройство, способное решать множество самых разнообразных задач по комплексному управлению работой аппаратуры. По своему основному узлу – микропроцессору (МП) – такие УУ обычно называют микропроцессорными системами управления (МПС). Например, МПС сейчас используются для управления работой целых АТС (электронных и квазиэлектронных), усилительных подстанций и радиорелейных станций, кабельных и радиорелейных магистралей и т.д.Любое УУ связано с аппаратурой, для управления которой оно и предназначено, в основном двумя группами цепей (рис. 5.1):

1. Управляющие цепи , , , … , , идущие от УУ к аппаратуре. Появление активного сигнала в одной управляющей цепи "Y" вызывает срабатывание соответствующего ЦУ в аппаратуре, выполняющего нужную микрооперацию (МО), которую разделить на более простые действия невозможно. Активный сигнал на любом управляющем выходе Y может одновременно поступать на два или более цифровых устройства в аппаратуре и вызывать их одновременное срабатывание. Такая совокупность активных сигналов с какого-либо выхода Y управляющего устройства, под действием которых происходит одновременное выполнение нескольких МО в разных узлах аппаратуры в одном тактовом интервале, называется микрокомандой (МК). Последовательность определенного количества МК, необходимых для решения поставленной задачи (напоминаем, что для нас – это задача управления работой аппаратуры), называется микропрограммой (МП) решения этой задачи.

2. Цепи обратной связи , , , …, сигналов "флагов" (признаков), которые формируются в аппаратуре и идут к УУ. При формировании управляющих сигналов на выполнение очередной микрооперации УУ очень часто должно учитывать результат предыдущей МО. В этом случае полученный в аппаратуре результат МО в виде сигнала флага "Х" по соответствующей цепи обратной связи поступает в УУ, которое вырабатывает очередные управляющие сигналы уже с учетом этого флага.

Синтез и анализ работы УУ

со схемной логикой.

У У со схемной логикой по своей структуре более простые, поэтому мы с них и начнем. Для разработки схемы такого УУ необходимо знать только одно: алгоритм функционирования аппаратуры (то есть последовательность выполнения операций в этой аппаратуре), для управления работой которой и будет предназначено данное УУ.

Определяем количество состояний А₀, А₁, А₂ и т.д., в которых могут находиться узлы аппаратуры в процессе работы, и указываем их в алгоритме (рис. 5.2).

Начальное состояние обозначим А₀. В дальнейшем каждая микрокоманда Y вызовет срабатывание одного или нескольких устройств аппаратуры, и состояние их меняется: после – A₁, после – А₂, после – А₃. В момент окончания работы аппаратура должна возвратиться в исходное состояние А₀ и быть готовой к выполнению следующего цикла работы с новыми исходными данными.

Определяем количество и вид триггеров в регистре состояний.

Для запоминания состояний, в которых будут находиться узлы аппаратуры в отдельных тактовых интервалах, введем в УУ запоминающее устройство – регистр состояний. Количество триггеров в этом регистре n из соотношения 2ⁿ ≥ А (где А = 4 – количество состояний) получается равным: n = 2. Как известно, для построения регистра в принципе можно использовать любые триггеры, но в данном случае они должны быть обязательно синхронными для тактирования работы УУ. Возьмем, например, синхронные JK-триггеры.

Таблица истинности регистра состояний (табл. 5.1).

Табл. 5.1

Состояния	Код состояния на выходах регистра
	Q1	Q0
А0	0	0
А1	0	1
А2	1	0
А3	1	1

Здесь каждому состоянию присвоим свой (в данном случае двухразрядный) код, который и будет храниться на выходах регистра и . Какой конкретно код какому состоянию присвоить – в принципе безразлично, но лучше всего – код номера состояния.

Р азрабатываем граф-схему переходов (рис. 5.3).

Здесь, пользуясь алгоритмом (см. рис. 5.2), кружками обозначаем состояния А, стрелками (каждая такая стрелка называется: граф перехода) – переходы из одного состояния в другое ближайшее. Рядом с каждой стрелкой указываем условия данного перехода: какие требуются микрокоманды Y и какие флаги Х нужно при этом учесть (если переход выполняется при условии X=1, то указываем просто: Х; если же Х = 0, то указываем: . Пронумеруем все переходы в любой последовательности: хотя бы так, как на рис. 5.3.

Составляем таблицу истинности УУ (табл. 5.2):

Табл. 5.2

Номер перехода	Состояния						Флаги	МК	Сигналы на входах триггеров регистра состояний
	предыдущее			последующее
	А	Q1	Q0	A	Q1	Q0	Х	Y	J1	K1	J0	K0
1	A0	0	0	A1	0	1	-		0	x	1	x
2	A1	0	1	A2	1	0			1	x	x	1
3	A1	0	1	A2	1	0		-	1	x	x	1
4	A2	1	0	A3	1	1	-		x	0	1	x
5	A3	1	1	A1	0	1		-	x	1	x	0
6	A3	1	1	A0	0	0		-	x	1	x	1

П р и м е ч а н и е : сигналы на входах триггеров регистра состояний определяются по таблице переходов соответствующих триггеров (см. табл. 4.4 из § 4.11).

Определяем порядок заполнения карт Вейча.

Для каждой строки табл. 5.2 записываем многочлены СДНФ:

1. 2. 3. 4. 5. 6.

и определяем их место в карте Вейча (рис. 5.4).

Д ля входов J и К всех триггеров заполняем карты Вейча и производим объединение клеток (рис. 5.5).

Для сейчас карту Вейча чертить не обязательно (см. § 4.11), так как сразу по табл. 5.2 видно, что не содержит нулевых значений и, следовательно, будут заполнены и объединены все 16 клеток.

Записываем МДНФ для входов J и К всех триггеров:

; ; .

Переходим к базису И-НЕ и определяем требуемое количество элементов:

; элементы не нужны.

; 1 элемент 2И-НЕ.

; элементы не нужны.

И еще потребуется 1 элемент 2И-НЕ для отрицания в логическом выражении для .

Записываем логические выражения для микрокоманд Y в виде отдельных многочленов СДНФ:

; ; .

Переходим к базису И-НЕ и определяем требуемое количество элементов.

Поскольку здесь каждое логическое выражение содержит только один многочлен, то переход к базису И-НЕ проще производить так, так мы делали в § 3.7, то есть проинвертируем обе части каждого выражения:

; 1 элемент 2И-НЕ.

Аналогично выполняем переход и для остальных логических выражений:

; 1 элемент 3И-НЕ.

; 1 элемент 2И-НЕ.

Определяем общее количество компонентов в схеме УУ.

2 синхронных JK-триггера + 4 элемента 2И-НЕ + 1 элемент 3И-НЕ.

Подбираем микросхемы.

По одной микросхеме КР1533ТВ6, КР1533ЛА3 и КР1533ЛА4.

Строим схему УУ (рис. 5.6).

Составляем перечень элементов к этой схеме (табл. 5.3):

Поз. обозначение	Наименование	Кол.	Примечание
D1	КР1533ТВ6	1
D2	КР1533ЛА3	1
D3	КР1533ЛА4	1	2 элем. не использ.

Рассмотрим принцип работы УУ на следующем примере: аппаратура находится в состоянии А₃; Показать срабатывание УУ, которое обеспечит переход аппаратуры в состояние А₁ (переход № 5 по граф-схеме переходов рис. 5.3).

16.1. Если аппаратура находится в состоянии А₃, то согласно таблице истинности регистра состояний (табл. 5.1) на выходах этого регистра удерживаются сигналы: , . Покажем их в схеме рис. 5.6.

16.2. Согласно граф-схеме переходов (рис. 5.3) УУ при формировании сигналов управления для перехода № 5 должно учесть флаг (на граф-схеме - ). В рассматриваемом переходе флаг не учитывается, поэтому его значение может быть любым: возьмем для определенности . Покажем и эти значения в схеме рис. 5.6.

16.3. По схеме рис. 5.6 определяем значения сигналов в выходных управляющих цепях, а также на входах J и К всех триггеров регистра состояний.

16.4. На всех управляющих выходах Y сформировались пассивные сигналы логической 1 (все выходы – инверсные, поэтому здесь активным сигналом является 0), то есть ни на одном выходе активный сигнал 0 не появляется. Проверяем полученный результат по граф-схеме переходов (рис. 5.3): действительно, для обеспечения перехода № 5 никакой микрокоманды Y управляющее устройство вырабатывать не должно.

16.5. В определенный момент времени на синхронизирующий вход поступает очередной тактовый импульс, и от его отрицательного перепада (входы CLK триггеров – инверсные динамические, поэтому здесь активным сигналом является отрицательный перепад напряжения) срабатывают триггеры регистра состояний под действием сигналов на входах J и К:

• , . В данном случае активный сигнал 1 действует на входе J (это вход установки), поэтому на прямом выходе этого триггера устанавливается 1.

• , . Здесь активные сигналы действуют на оба входа, поэтому (см. пункт 2 из § 4.3) триггер переключается в другое состояние, то есть на его выходе вместо 1 устанавливается 0.

16.6. В результате срабатывания на выходах триггеров регистра состояний устанавливаются сигналы: , . Согласно таблице истинности этого регистра (табл. 5.1) указанные сигналы соответствуют состоянию А₁. Полученный результат проверяем по граф-схеме переходов: действительно, переход № 5 идет в состояние А₁.

Вывод: Для обеспечения аппаратуры из состояния А₃ в состояние А₁ управляющее устройство сработало правильно.

Контрольные вопросы:

1. Принципы подхода к проектированию систем управления. Особенности построения и функционирования систем управления со схемной и программируемой логикой.

2. Что такое микрооперация, микрокоманда, микропрограмма?

3. В чем заключается смысл термина "флаг"?

Тестовые вопросы

1. Указать основное назначение ЗУ (запоминающего устройства).

1. Хранить более одного кодового слова

2. Подключать свой информационный вход к любому из выходов

3. Использование в качестве делителя частоты импульсной последовательности

4. Подсчет поступающих на его счетный вход цифровых сигналов

2. Как называется ЗУ, в котором хранящаяся информация непрерывно обновляется в процессе работы?

1. ОЗУ (оперативное запоминающее устройство)

2. МПЗУ (масочное постоянное запоминающее устройство)

3. РПЗУ ЭС (репрограммируемое постоянное запоминающее устройство с электрическим стиранием информации)

4. ППЗУ (программируемое постоянное запоминающее устройство)

The glossary

Қазақша	Орысша	Ағылшынша
Граф-схема		flowgraph
	буферное устройство	buffer unit
	вход выбора режима работы (чтение/запись) -	WR/RD (write/read)

Задание для СРС

1. УУ с программируемой логикой.Л.1, стр.159.

Задание для СРСП

По индивидуальному заданию выполнить синтез и анализ работы УУ со схемной логикой.