Классификация цифровых автоматов

В качестве признаков классификации ЦА могут быть использованы: тип выполняемых функций (назначение устройства), способ реализации функций, возможность и способы изменения функций, конструктивное исполнение, технология изготовления, степень интеграции элементов и др.

Возможная классификация по некоторым признакам приведена на рис. 1.6.

Устройства управления, часто называемые контроллерами, являются составной частью всех сложных цифровых систем и находят самостоятельное применение. Их функции заключаются в формировании управляющих сигналов для различных объектов управления - электромеханических устройств (реле, электропроводов, и др.), индикаторов на светодиодах и газоразрядных панелях, электронно-лучевых трубках (ЭЛТ), а также для устройств сбора и обработки информации и др.

Устройства обработки и хранения информации выполняют функции накопления и поиска данных, их обработку по различным алгоритмам, цифровую обработку аналоговых сигналов и реализуют заданные законы регулирования в автоматических системах.

Преобразование информации из аналоговой формы в цифровую и обратно, ввод информации с датчиков, клавиатуры, связь между стандартными устройствами и сопряжение с ними, обмен по каналам связи - это функции интерфейсных устройств, называемых также адаптерами.

Приведенное деление условно, так как многие ЦА содержат признаки нескольких типов устройств.

Наибольшее влияние на число элементов ЦА и достигаемую сложность алгоритмов оказывает способ реализации функций - схемный или последовательный программный (микропрограммный).

Под функциональной гибкостью будем понимать свойство ЦА изменять реализуемые функции в процессе настройки. ЦА, которые не обладают таким свойством, называются устройствами с жесткой логикой, а ЦА с возможностью однократной или многократной настройки называются автоматами (устройствами) с гибкой логикой.

Рис.1.6

1.5.2. Цифровые автоматы со схемной реализацией функций

Схемная реализация функций предусматривает жесткое закрепление операций алгоритма между функциональными элементами в процессе работы ЦА. Последовательность соединения элементов соответствует реализуемым математическим или другим функциям. Взаимосвязанные элементы системы функционируют одновременно и непрерывно во времени.

Примеры построения ЦА с жесткой схемной реализацией функций приведены на рис. 1.7. Множество операций F=[+,-] составляют арифметические операции сложения и вычитания двух кодов.

Рис.1.7

Для схемы, представленной на рис.1.7,а:

Z₁^э=X₁¹+X₂¹=X₁+Z₂^э;

Z₂^э=X₁²-X₂²=X₁-X₂;

Z1=Z₁^э=2X₁-X₂.

Для того же набора элементов и другой схемы связей (рис.1.7,б) получаем

Z₂=X₁-2X₂.

Автоматы (рис.1.7,а,в) имеют одинаковую схему связей, но разные функции элементов. Тогда

Z₃=2X₁+X₂.

То же относится и к схемам, изображенным на рис.1.7,б,г, где

Z=X₁+2X₂.

При увеличении числа входов m, выходов n и усложнении функций число элементов и сложность схемы связей быстро возрастает и она становится практически нереализуемой.

В наибольшей степени сложность ЦА зависит от числа входов m. Разделение схемы на фрагменты и реализация их в виде БИС и СБИС затрудняется тем, что образуются мало повторяемые функционально незаконченные схемы. Для таких схем число наружных контактов N_k связано с числом вентилей N эмпирической зависимостью:

Следовательно, в одном корпусе ИС с числом выводов 2464 удается разместить функционально незаконченную схему только из N~35250 вентилей, что не позволяет в полной мере использовать возможности БИС и СБИС по степени интеграции. Кроме того, разработка одной или нескольких специализированных ИС для каждого ЦА неприемлема по экономическим соображениям. Большие затраты требуются также для проектирования и подготовки производства самих ЦА.

Эти недостатки устройств с жесткой логикой стали тормозить распространение цифровой техники. Возникла потребность в универсальных ЦА, ориентированных на массовый выпуск, широкое использование БИС и СБИС и допускающих настройку на выполнение требуемых функций на последних стадиях изготовления или пользователем.