ДЕРЖАВНИЙ ЕКОНОМІКО ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ТРАНСПОРТУ
Факультет “Інфрастуктура та рухомий склад залізниць”
Кафедра “Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології транспорту”
РОЗРАХУНКОВІ ГРАФІЧНІ РОБОТИ
ПО ДИСЦИПЛІНІ
ТЕОРІЯ АВТОМАТИЧНОГО УПРАВЛІННЯ ТА
ШТУЧНОГО ІНТЕЛЕКТУ
Київ -2015
РОЗРАХУНКОВІ ГРАФІЧНІ РОБОТИ
Розробник: Мараховський Л.Ф. – д.т.н., професор
РОЗРАХУНКОВА ГРАФІЧНА РОБОТА 1
Тема: Монофункціональні асинхронні і синхронні схеми пам’яті.
Теоретичні відомості
Монофункціональні схеми пам’яті
Основні поняття. У сучасний час в інтегральній схемотехніці застосовуються десятки різних схем тригерних пристроїв, які відрізняються своїми функціями, схемотехнічною реалізацією, способами запису інформації таке інше. В основу класифікації потенційних тригерів, які отримали в інтегральній схемотехніки найбільше розповсюдження, покладені два принципи: функціональний і спосіб запису інформації. При цьому, за базову схему тригерів приймається асинхронна схема RS-тригера. Розвиток базової схеми тригерів став основою створення різних двійкових схем пам’яті.
Запам’ятовуючі двійкові елементи, що зараз використовують при канонічному методі синтезу, є елементарні автомати Мура з повною системою переходів і виходів.
Повнота системи переходів автомата визначає, що для кожної пари внутрішніх його станів, які зберігаються при одному e(Δ) вхідному сигналі, знайдеться вхідний сигнал х(t), який переведе автомат з одного стану в інший.
Повнота системи виходів автомата визначає, що у кожному стані автомат створює сигнал yі, який відмінний від сигналів, які виникають в інших станах автомата.
Визначення 1. Монофункціональною елементарною схемою пам’яті назвемо елементарний автомат (ЕА), що володіє повною системою переходів і виходів при запам’ятовуванні усіх станів автомата тільки при одному e(Δ) вхідному сигналі.
В інтегральних схемах (ІС) зараз використовують монофункціональні елементарні автомати Мура (двійкові тригери), що володіють повною системою переходів і виходів з двома внутрішніми станами, які зберігаються при одному e(Δ) вхідному сигналі.
Базовим елементарним автоматом з двома входами і двома виходами є RS-тригер, на основі якого проектуються тригери D-, T-, E-, D-V-, JK-типу тощо.
Застосовувані в комп’ютері пристрої по суті є тригерними схемами, які у загальному вигляді містять сам тригер і комбінаційні елементи. За характером роботи тригери є асинхронні і синхронні.
В асинхронних схемах обмін інформацією здійснюється повільно (без синхроімпульсів).
У синхронних тригерах прийом інформації на вхідних вузлах і перемикання внутрішніх станів схеми здійснюється під час дії синхроімпульсу. На тригер можуть подаватися синхроімпульси різних серій. Вони забезпечують координацію роботи підчас дії окремих схем.
Особливістю RS-тригера є те, що запис інформації у ньому здійснюється безпосередньо з надходженням інформаційного (установчого) сигналу на його входи, кожний з яких однозначно визначає значення вихідних сигналів RS-тригера. Зберігання станів вихідних сигналів в тригерних схемах здійснюється при одному вхідному сигналі, що діє між установчими вхідними сигналами.
Синхронні двоступеневі тригерні схеми пам’яті.
Розглянемо схему двоступеневого синхронного RS- тригера.
Рис. 1. Синхронний 2-х ступеневий RS-тригер
Двоступенева синхронна схема тригера використовується для вільного кодування автоматів Мілі та Мура. Перша ступінь здійснює перехід в новий стан під впливом синхроімпульсу та сталих вхідних сигналів, що створюють установчий сигнал x(t). Друга ступінь при цьому не змінює свого стану тому, що відсутній синхроімпульс на вході тригера. Після закінчення дії синхроімпульсу та установчого сигналу x(t) на першу ступінь, відкривається канал прийому вихідного значення першої ступені тригера у другу ступінь.
D-тригери затримують вхідний сигнал D на один машинний такт Т (рис. 2 –4).
Рис. 2. D-тригер Рис. 3. Умовне зображення
D-тригера
Рис. 4. Двоступенева синхронна схема D-тригера
Структурна схема і умовно графічне зображення двотактного JK-тригера, що синхронізується сигналом С, представлено на рис. 5.
Рис. 5. Двоступенева синхронна схема JK-тригера
Синхроімпульси С забезпечують прийом сигналів J і K, які встановлюють новий стан у RS-тригері Т1, і забороняють у той самий час передавання інформації з виходів RS-тригера Т1на RS-тригер Т2. Тому при С=1 стан RS-тригер Т2 не змінюється. RS-тригер Т1 встановлюється в одиницю Q1=1 при появі на вхідних вузлах C=J=1 (CJ=1; Q1=1) або нуль Q1=0 – при C=К=1(CК=1; Q1=0).
При C=0 стан у RS-тригері Т1 не змінюється, а RS-тригер Т2 приймає стан RS-тригера Т1, коли RS-тригер Т2 до цього не був у тому ж стані.
При С = 0 завжди повинно бути Q1=Q2, тому на комбінації кодових станів 01 і 10 переходи заборонені. JK-тригер – це автомат Мура (2-го роду).
У ланцюжках автомата можна спостерігати таке явище, як гонки (змагання). Тригери автомата переключаються установчими сигналами, які залежать від значень вхідних сигналів і станів тригерів. Установчі сигнали формуються комбінаційними схемами різної довжини, затримка сигналів у яких не однакові. Самі тригери мають різний час перемикання із-за випадкових відхилень їх характеристик від номінальних. Коли при переході автомата із одного стану в інший повинні перемикатися декілька тригерів, між ними можна очікувати гонки. Тригер, який виграє гонки перемикається раніше інших і це може змінити сигнали на входах деяких інших тригерів раніше, ніж вони змінять свої стани. В результаті гонок тригери можуть перейти в стан, який не передбачений законом функціонування автомата.
Для коректної роботи автомата повинно виконуватися правило: вводити і знімати інформацію з тригерів можна тільки тоді, коли вони знаходяться у сталих станах, а не перемикаються.
Стійкість станів автомата можна забезпечити як схемними методами так і вибором способу кодування станів автомата.
При сусідньому кодуванні наступні стани автомата розрізняються тільки станом одного тригера. Гонки при цьому відсутні, тому що при будь-яких переходах перемикається тільки один тригер. Сусіднє кодування неможливо, коли граф автомата має цикли з непарним числом станів. При цьому, для використання сусіднього кодування можна вводити порожні стани, у яких вихідний сигнал відсутній. Апаратне забезпечення і час виконання операцій при цьому збільшується. Аналогічний недолік мають і інші способи проти гоночного кодування. Сусіднє кодування, крім того, забезпечує мінімальну частоту перемикання тригера, що відіграє суттєву роль з точки зору збільшення надійності електронних і релейно-контактних схем і зниження потужності, що використовується для схем на приладах з різною провідністю (особливо на МОП- транзисторах).
Для полегшення сусіднього кодування станів автомата можна використовувати діаграми Вейча або карти Карно, де сусідні клітинки відрізняються значеннями тільки однієї змінної.
Основні етапи синтезу автоматів.
Синтез складних автоматів має кілька етапів.
Етап блочного синтезу.
Етап абстрактного синтезу.
Етап структурного синтезу.
Кінцевий етап надійного синтезу.
В наш час при синтезі автоматів використовують канонічний метод синтезу, що використовує елементарні автомати двох класів: елементарні автомати без пам’яті (автомати з одним внутрішнім станом) – комбінаційні схеми або логічні елементи, і елементарні автомати з пам’яттю – запам’ятовуючі елементи.