Глава четвёртая Последовательностные Функциональные узлы

Последовательностные устройства  это принципиально отличающийся класс функциональных узлов, характерная особенность работы которых  переход в новое состояние под воздействием импульса синхронизации. Последовательностные функциональные узлы, либо логические автоматы с памятью, объединяют управляющие автоматы, генераторы кодов и регистры в один тип устройств  конечный автомат.

Конечные автоматы можно разделить на два класса  автоматы Мýра и автоматы Ми́ли (рис. 4.1), причём в теории конечных автоматов доказана эквивалентность этих классов.

По структуре построения автомат Мýра формирует сигналы на своих выходах Y_i = Q_i непосредственно с выходов элементов памяти  триггеров (рис. 4.1). Реализация последовательностных узлов по структуре автомата Мýра более рациональна для генераторов кодов и регистров.

Наличие логического узла преобразований в автомате Ми́ли, а именно исходящей комбинационной схемы (рис. 4.1), позволяет расширить формирование сигналов на выходе автомата дополнительной функциональной зависимостью Y_i = Q_i (f (X_i)). Реализация последовательностных узлов по структуре автомата Ми́ли наиболее используема для управляющих автоматов.

Конечный автомат (рис. 4.1) содержит:

• управляющую комбинационную схему (УКС), реализуемую на базе логических элементов и предназначенную для формирования сигналов, управляющих переключениями элементов памяти;

• элементы памяти (ЭП), реализуемые на базе jk-триггеров и необходимые для фиксации текущего состояния конечного автомата;

• исходящую комбинационную схему (ИКС), реализуемую на базе логических элементов и предназначенную для формирования сигналов на выходе конечного автомата.

Функционирование конечного автомата в соответствии с его структурой определяется конечными множествами (алфавитами):

• входящих воздействий (Х_i)  управляют переключениями;

• внутренних состояний (Z_i)  устанавливают управляющие воздействия на элементы памяти;

• функций внутренних переходов (a_i)  формируют управляющие сигналы для переключений каждого входа всех триггеров;

• сигнала синхронизации (С)  фиксируют время возможного изменения текущего состояния;

• исходящих сигналов (Y_i)  управляют работой других узлов (для автоматов Ми́ли);

• текущего состояния (Q_i)  фиксируют текущее состояние элементов памяти и одновременно являются исходящими для автомата Мýра.

Представленные в данной главе последовательностные узлы отображают функционирование и схемотехническую реализацию электронных устройств, отличительная особенность работы которых  нефункциональные преобразования входящих сигналов, происходящие по сигналу синхронизации. Такие преобразования возможны в единственном случае  когда узел формирует сигналы на выходе, которые зависят от входящих сигналов в текущий момент времени, и учитывает сигналы, поступившие на его входы в предыдущие периоды синхронизации. Для хранения предыстории входящих сигналов необходимо использовать элементы памяти  триггеры, а для управления триггерами  логические элементы (комбинационное устройство), следовательно, используя совместно триггеры и логические элементы, можно синтезировать три основных типа последовательностных узлов со структурой конечного автомата: генераторы кодов, управляющие автоматы и регистры.

В интегральном исполнении на базе последовательностных узлов схемотехнически реализованы как отдельные интегральные микросхемы  регистры и генераторы кодов, так и в сложные микроэлектронные устройства  микропроцессоры и микроконтроллеры.

Узлы последовательностного типа позволяют разрабатывать и оптимизировать (по количеству элементов) как «железо» в вычислительных устройствах, так и программные приложения информационных технологий:

• языковые процессоры;

• системы управления реального времени;

• протоколы передачи данных по сетям.