3.7.7. Висновки
В лабораторній роботі відбулося знайомство з програмним пакетом імітаційного моделювання «NI Multisim 12», із віртуальними приладами «Логічний конвертор», «Генератор слів» та «Логічний аналізатор», було побудовано та проведено його дослідження логічних елементів. Інструмент «Логічний конвертор» зробив можливим швидку побудову таблиць істинності для логічних компонентів та схем. Використання інструментів «Генератор слів» та «Логічний аналізатор» зробило можливим вести дослідження логічних елементів, аналізувати поведінку логічного елемента залежно від комбінації вхідних слів (тестів).
3.8. Питання, тести для самоконтролю
Що містить вікно програми «NI Multisim 12»?
Які команди меню програми ви знаєте?
Для чого призначено меню File?
Для чого використовується меню Simulate?
Меню Analysis, призначення, команди.
Якою командою можна відновити схему в її первинному вигляді після внесених змін?
Якими командами можна змінити графічне зображення компоненту (наприклад, конденсатора)?
Що таке підсхема і як її зробити?
Що позначає виділення об’єкта?
Якою командою можна привласнити компоненту позиційне позначення (C1, C2, R1 і так далі) і яке правило використовується при привласненні позиційних позначень однотипних компонентів?
Як можна міняти шрифт символів і його атрибути?
Чи можливо і як отримати короткі відомості про модель конкретного компонента?
Як включаються в електричне коло амперметр і вольтметр?
Якможна за допомогою осцилографа отримати значення амплітуди сигналу і його частоти?
Яким чином можна отримати різнокольорові осцилограми сигналів на екрані осцилографа і як їх рознести по вертикалі для зручності спостереження?
Які типи логічних елементів ви знаєте?
Назвіть основні параметри логічних компонентів.
Приведіть класифікацію базових елементів і перерахуйте їх основі параметри.
Які типи логічних пристроїв представлені на панелі бібліотек компонентів?
Яким чином можна скласти бібліотеку моделей компонентів, складену з вітчизняних комплектуючих?
Як вибрати логічний компонент для побудови схеми?
Як побудувати таблицю істинності логічного компонента або схеми?
Як побудувати логічну комбінаційну схему?
Як побудувати послідовність слів на вході логічного пристрою?
Як налагодити Логічний Аналізатор для відображення вхідних сигналів з врахуванням назви вхідного сигналу та використати кольорову «легенду»?
Як розмістити в схемі індикатор?
Розділ 4
ПРАКТИЧНА ТА ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 2
Тема: Основні поняття скінчених автоматів. Теорія автоматів Мілі, Мура і Мараховського та в який автоматний час розглядається їх робота. Процес отримання інформації. Суть універсальності алфавітного способу подання інформації
4.1. Теоретичні відомості
Основні поняття скінчених автоматів
Вступ
Теорія кінцевих автоматів характеризується широким користуванням в різних сферах застосування дискретної техніки. Ця теорія отримала первинний розвиток на базі булевої алгебри і моделі дискретного пристрою у вигляді так званого кінцевого автомата. На ній ґрунтується розвиток методів логічного проектування дискретних пристроїв і методів побудови тестів для перевірки останніх, забезпечення надійності і стійкості їх робіт, вирішення завдань «конструювання» дискретних пристроїв. Виникли окремі відгалуження теорії кінцевих автоматів у вигляді теорії імовірнісних і нечітких автоматів, колективної поведінки автоматів, експериментів тощо.
Теорія автоматів – це розділ теорії керучих машин, що вивчає математичні моделі перетворювачів дискретної інформації, які названі автоматами (від грец. аutómatos – самодійні). З теоретичної точки зору, такими перетворювачами є як реальні пристрої (обчислювальні машини, автомати, живі організми тощо), так і абстрактні системи (математичні машини, аксіоматичні теорії тощо). Характерною особливістю цих перетворювачів є дискретність функціонування та кінцівку областей значень параметрів, що описують їх.
Теорія абстрактних і структурних автоматів Мілі та Мура
У роботах В.М. Глушкова та його школи була вирішена задача сполучення етапів абстрактного і структурного синтезу і подання всієї структурної теорії автоматів у вигляді, придатному для вирішення проблем синтезу цифрових автоматів з двійковими елементами будь-якої природи. Ця єдина математична теорія цифрових автоматів була доведена до практичного застосування при розробці автоматизованої системи логічного проектування дискретних пристроїв. В основу цієї теорії були покладені автомати Мілі (автомати 1-го роду) і Мура (автомати 2-го роду) з пам’яттю на двійкових тригерах.
В даний час вся теорія автоматів ділиться на теорію абстрактних і структурних автоматів Мілі та Мура, що аналізуються в автоматному дискретному часі ti ( i = 1 , 2 , 3 ... , n, ...).
Тригери мають обмеження, котрі не дозволяють їм перебудовувати структуру свої станів, визначають побудову послідовних пристроїв та принципово не в змозі обробляти загальну та часткову інформацію одночасно.
В 1996 році була розроблена загальна теорія багатофункціональних автоматів 1 -го і 2 -го роду, окремим випадком якої є автомати Мілі та Мура, і теорія автоматів 3-го роду, яка запропонована вперше ів 90-х роках ХХ століття д. т.н., професором Л. Ф. Мараховським. Автомати Мараховського описують пристрої, що застосовують схеми автоматної пам’яті БФСП та БРСП (багатофункціональні та багаторівневі), які потребують описувати пристрої в автоматному неперервному часі, де крім часу ti використовують час Δi, котрі разом представляють машинний такт Ti (Ti = ti + Δi).
У даний час широко використовується теорія побудови реконфігурованих систем, що використовують пам’ять на тригерах, на «автоматному» рівні автоматів Мілі та Мура.
Розширена теорія автоматів Мараховського дозволила створити теорію проектування реконфігуровних пристроїв з урахуванням «елементного» рівня з пам’яттю на елементарних схемах автоматної пам’яті. Це дозволило будувати комп’ютерні пристрої, які в змозі обробляти одночасно загальнe та часткову (окрему) інформацію, що принципово не можуть робити пристрої з пам’яттю на тригерах.
Поняття автомата: терміни і визначення
Алфавітний спосіб перетворення інформації
Філософи і математики, помітивши однакові закони розвитку різноманітних об’єктів, запропонували загальне поняття - складна система. Система - це структурно організований об’єкт, в якому виділяються стани, переходи, підструктури та взаємодії частин. З появою таких штучних складних систем, як електронні обчислювальні машини, для їх проектування з системних позицій родилась наука теорія автоматів, яка сприймає інформацію, змінюючи свої стани, зберігає ці стани в пам’яті (якщо пам’ять присутня в автоматі) і можуть видавати інформацію про стан автомата. Системний підхід дає можливість аналізувати багато складних об’єктів, в тому числі і реальні пристрої обчислювальної техніки, з позиції єдиної загальної методології.
Поняття інформації та її ієрархічність належить до числа фундаментальних понять сучасної науки. Важливість цього поняття обумовлюється його загальністю.
Процес отримання інформації полягає в тому, що з деякої сукупності можливих у даний момент ситуацій вибирається одне. З найбільш загальної точки зору в понятті інформації істотнє не саме явище, що відбувається, а лише його ставлення до сукупності явищ, які могли статися.
Існують два різних підходи з інформаційної точки зору: вивчення явищ в безперервному або дискретному часу. Характерним для безперервного підходу є речові числа, які можуть змінюватися безупинно. При дискретному підході часові координати розглядаються тільки в дискретні ряди значень. Проміжки між дискретними рядами значень не розглядаються. Зазвичай нульовий момент часу вважається початковим, а інші моменти - відповідно до їх номерів: 1, 2, ..., n, …
Найчастіше обмежуються розглядом кінцевих тимчасових інтервалів, починаючи з нульового або з першого моменту часу.
Реальні пристрої мають низку обмежень при прийомі інформації:
• чутливість сприймається пристроєм і дає йому можливість розрізняти лише кінцеве число градацій значень величин, що характеризують процес;
• роздільна здатність пристрою призводить до того, що достатньо малі ділянки простору сприймаються як окремі точки;
• смуга пропускання сприймає інформацію пристрою, не дозволяючи йому розрізняти дуже близькі моменти часу.
З точки зору сприймання інформації пристроєм, то вона може бути обмежена дискретним часом, ділячи реальний безперервний час на настільки малі інтервали, щоб кінці цих інтервалів сприймалися об’єктом як один момент часу. З урахуванням обмежень пристрою, що сприймає інформацію, будь-яка безперервна інформація зводиться, фактично, в дискретну інформацію. Звідси випливає універсальність алфавітного способу завдання інформації.
При алфавітному способі завдання дискретної інформації використовується сукупність елементарних символів (букв), з яких складається інформація. Кінцева послідовність букв кінцевого алфавіту називають словами в даному алфавіті.
Абстрактним алфавітом називають будь-яку кінцеву сукупність об’єктів (букв) даного алфавіту. Природа цих об’єктів в даному випадку не істотна. Важливо лише те, щоб даний алфавіт був кінцевим, тобто складався з кінцевого числа букв.
В абстрактному алфавіті можна вважати цілі слова конкретної мови окремими буквами. якщо це необхідно при зручності перетворення інформації. Різниця між словами алфавітів розмовних мов і словами абстрактного алфавіту полягає в тому, що слово в абстрактному алфавіті може містити й зробити просте поєднання букв, яке в звичайній мові не моє аналогів і вважається безглуздим (наприклад, поєднання букв «клмн»). Кількість букв в конкретному слові називають зазвичай довжиною цього слова. Поряд зі словами позитивної довжини (не менше ніж з однієї букви) в абстрактному алфавіті розглядається також пусте слово, яке не містить жодної букви. Пусте слово будемо позначати символом латинського алфавіта «е».
При розгляді класичних автоматів Милі та Мура з пам’яттю на тригерах в дискретному автоматному часу під порожнім словом е будемо розуміти вхідний сигнал, при якому в схемах пам’яті зберігається певне безліч станів. Це вхідне слово е не здатне переводити автомат в новий стан і тому при розгляді функціонування автомата в дискретному автоматному часі воно опускається, хоча і мається на увазі. При цьому в дискретно автоматному часу цьому порожньому слову е не виділена довжина.
При розширенні алфавіту можна цілі фрази, абзаци і навіть книги розглядати як окремі слова. Універсальність алфавітного способу завдання інформації не завжди єдина. Специфічні методи для вивчення безперервної інформації повністю зберігають своє значення.
При розгляді цифрових автоматів Мараховського (багатофункціональних автоматах 1-го, 2-го роду і автоматів 3-го роду) з пам’яттю, які в процесі функціонування під впливом порожнього слова е можуть змінювати структуру запам’ятання станів у схемі пам’яті, дискретний автоматний час не підходить. У цьому випадку вводитися безперервний автоматний час, в якому слову е виділяється довжина, як букві абстрактного алфавіту.
На рис. 4.1 подано автоматний дискретний час в якому точки ti вказують на момент переходу в тригерах під впливом установчих сигналів x(t), а на рис. 4.2 подано машинний такт Т, який можна розглядати як автоматний безперервний час, в якому такт t вказує на момент переходу в схемах автоматної пам’яті під впливом установчих сигналів x(t), а відстань між тактами t визначається символом Δ, в час якого під впливом сигналу е(Δ) зберігається визначений блок станів схеми автоматної пам’яті.
Рис. 4.1. Автоматний дискретний час
Рис. 4.2. Машинний такт (автоматний безперервний час)