Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория цифровых автоматов. Учебное пособие
.pdf
11
В результате освоения модуля ТЦА обучающийся должен:
знать:
- методы и средства анализа и разработки математического
обеспечения цифровых автоматов;
- методы анализа и исследования вычислительных процессов,
связанных с функционированием цифровых автоматов и их компонентов;
- методы и формы организации процесса разработки цифровых
автоматов, управляющих автоматов;
уметь:
- использовать методы анализа и синтеза, цифровых автоматов и
управляющих автоматов;
владеть:
- методами и средствами разработки математического обеспечения
вычислительных систем;
- методами и средствами анализа, синтеза и оптимизации
компонентов объектов профессиональной деятельности (комбинационных
устройств и автоматов с памятью);
- современными информационными технологиями и
инструментальными средствами для решения задач проектирования и
анализа цифровых автоматов.
1.4. Содержание разделов модуля «Теория цифровых автоматов»
№
Наименование
раздела
Содержание раздела
Форма
текущего
контроля
1
2 3 4
1
«Абстрактный и
структурный
синтез
цифровых
автоматов.
Управляющие
автоматы»
1. Общие понятия теории
цифровых автоматов. Способы
задания автоматов с памятью.
Модели автоматов Мура и Мили.
2. Абстрактный и структурный
синтез автоматов. Граф-схема
алгоритма (ГСА). Процедура
построения ГСА по словесному
описанию.
3. Операционный и микропрограммный автоматы. Понятия
микрокоманды и микропрограммы.
4. Понятие, назначение и виды
управляющих автоматов
Выполнение
индивидуального
творческого
проекта.
Рубежная
контрольная
работа с
последующим
разбором
типовых
ошибок.
2
«Арифметические основы
цифровых
автоматов»
1. Представления чисел в форме с
фиксированной и плавающей
запятой.
2. Структурная схема процессора с
фиксированной запятой.
Особенности
микропрограммирования для
алгоритмов выполнения
арифметических операций с
фиксированной запятой.
3. Отличительные особенности
структурной схемы процессора с
плавающей запятой. Особенности
микропрограммирования при
выполнении алгоритмов
арифметических операций
процессора с плавающей запятой.
Условия и процедура
нормализации данных
12
Вид работы
Трудоемкость,
часов
Общая трудоемкость
72/2 ЗЕТ
Аудиторная работа:
36
- лекции (Л)
18
- практические занятия (ПЗ)
18
Самостоятельная работа:
36
- индивидуальное проектное задание (И)
18
- самоподготовка (проработка и повторение
лекционного материала и материала учебников и
учебных пособий, подготовка к практическим
занятиям, рубежному контролю и т.д.)
18
№
раздела
Наименование раздела
Количество часов
Всего
Аудиторная работа
СРС
Лекции
Практические
занятия
1
Абстрактный и структурный
синтез цифровых автоматов.
Управляющие автоматы
42
10
14
18
2
Арифметические основы
цифровых автоматов
30 8 4
18
Итого:
72
18
18
36
1.5. Структура модуля «Теория цифровых автоматов»
Общая трудоемкость модуля составляет 2 зачетных единицы (ЗЕТ)
или 72 часа.
13
1.6. Организация занятий для студентов
Действующим Федеральным Государственным образовательным
стандартом по специальности 09.05.01 предусмотрено обучение студентов
очной формы обучения. Рассмотрим распределение занятий по разделам
модуля.
1.6.1. Разделы модуля ТЦА
1 Раздел «Синтез цифровых автоматов. Управляющие автоматы»
№
Тема лекции
Часы
1
Понятие цифрового автомата. Отличительные особенности
автоматов, способы их задания и модели. Абстрактный
синтез автоматов. Граф-схема алгоритма
2
2
Отличительные особенности абстрактного и структурного
автоматов. Структура и виды ЦА. Явление гонок цифровых
автоматов. Понятие памяти смешанного типа
2
3
Процедуры структурного синтеза цифрового автомата Мура
2
4
Процедуры структурного синтеза цифрового автомата Мили
2
5
Операционный и микропрограммный автоматы. Понятия
микрокоманды и микропрограммы. Особенности процедуры
синтеза микропрограммных автоматов. Управляющий
автомат с «жесткой логикой». Управляющий автомат с
хранимой в памяти логикой. Горизонтальное, вертикальное
и смешанное микропрограммирование
2
Итого по разделу 1:
10
2 Раздел «Арифметические основы цифровых автоматов»
№
Тема лекции
Часы
6
Представление отрицательных чисел. Структура цифрового
процессора. Формат представления данных в ЭВМ в форме с
фиксированной запятой. Микропрограммы сложения и
вычитания двоичных чисел процессора с фиксированной
запятой
2
7
Выполнение операции умножения в прямом, обратном и
дополнительном кодах с фиксированной запятой
2
8
Микропрограммы деления двоичных чисел процессора с
фиксированной запятой в прямом, обратном и
дополнительном кодах
2
9
Формат представления данных в ЭВМ в форме с плавающей
запятой. Микропрограммы сложения и вычитания,
умножения и деления двоичных чисел процессора с
плавающей запятой
2
Итого по разделу 2:
8
Итого:
18
1.6.2. Лекции
14
1 Раздел «Синтез цифровых автоматов. Управляющие автоматы»
№
Тема занятия
Часы
1
Общие понятия теории цифровых автоматов. Абстрактный
синтез автоматов Мура и Мили. Граф-схема алгоритма.
Процедура построения ГСА по словесному описанию.
Получение не полностью определенного автомата
2
2
Структурный синтез цифровых автоматов Мура.
Особенности записи функций переходов для Д- и Ттриггерных устройств. Особенности записи функций
выходов автомата Мура. Построение КС автомата Мура.
Работа над проектным заданием
4
3
Структурный синтез цифровых автоматов Мили.
Особенности записи функций переходов для J-K-триггерных
устройств. Особенности записи функций выходов автомата
Мили. Построение логических преобразователей автомата
Мили
2
4
Моделирование цифровых автоматов в САПР Quartus.
Работа над проектным заданием
4
5
Операционный и микропрограммный автоматы. Понятия
микрокоманды и микропрограммы. Особенности процедуры
синтеза микропрограммных автоматов. Управляющий
автомат с «жесткой логикой». Управляющий автомат с
хранимой в памяти логикой. Горизонтальное, вертикальное
и смешанное микропрограммирование
2
Итого по разделу 1:
14
2 Раздел «Арифметические основы цифровых автоматов»
№
Тема занятия
Часы
6
Выполнение арифметических операций над двоичными
числами с фиксированной запятой в обратных кодах
2
Итого по разделу 2:
2
7
Мероприятия рубежного контроля
2
Итого:
18
1.6.3. Практические занятия
15
16
2. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ. РАЗДЕЛ 1. СИНТЕЗ ЦИФРОВЫХ
АВТОМАТОВ. УПРАВЛЯЮЩИЕ АВТОМАТЫ
Комплексная цель разд. 1 «Абстрактный и структурный синтез ЦА.
Управляющие автоматы»: приобретение практических навыков синтеза
операционных и управляющих блоков цифровых автоматов.
2.1. План лекций раздела 1
Лекция 1. Понятие цифрового автомата. Отличительные
особенности автоматов, способы их задания и модели. Абстрактный
синтез автоматов. Граф-схема алгоритма.
Цели и задачи лекции: ознакомление с понятием цифрового
автомата, моделями автоматов Мура и Мили. Научиться процедуре
построения ГСА по словесному описанию и абстрактному синтезу
автоматов.
План лекции: общие понятия теории цифровых автоматов.
Отличительные особенности автомата с памятью от комбинационной
схемы. Способы задания автоматов с памятью. Модели цифровых
автоматов Мура и Мили и их различия.
Абстрактный синтез автоматов. Граф-схема алгоритма. Процедура
построения ГСА по словесному описанию. Получение не полностью
определенного автомата.
Ключевые термины: цифровой автомат, Мура, Мили. Абстрактный
синтез, граф-схема алгоритма.
Выводы по теме: знакомство с понятием цифрового автомата,
моделями автоматов Мура и Мили. Понимание основных отличий
комбинационной схемы от цифрового автомата. Приобретение навыков
абстрактного синтеза цифровых автоматов.
Лекция 2. Отличительные особенности абстрактного и структурного
автоматов. Структура и виды ЦА. Явление гонок цифровых автоматов.
Понятие памяти смешанного типа.
Цели и задачи лекции: ознакомиться со структурой цифрового
автомата. Повторить триггерные устройства асинхронного и синхронного
типов.
17
План лекции: отличительные особенности абстрактного и
структурного автоматов. Структурная схема цифрового автомата.
Состояния элементов памяти. Явление риска логических схем. Явление
гонок цифровых автоматов. Понятие памяти смешанного типа.
Ключевые термины: триггер, синхронные и асинхронные автоматы.
Выводы по теме: студенты знакомятся со структурой цифрового
автомата и готовятся к структурному синтезу ЦА.
Лекция 3. Процедуры структурного синтеза цифрового автомата
Мура.
Цели и задачи лекции: ознакомиться со структурным синтезом
цифрового автомата Мура, особенностями записи функций переходов для
Д- и Т-триггерных устройств.
План лекции: процедуры синтеза цифрового автомата Мура.
Особенности записи функций переходов для Д- и Т-риггерных устройств.
Особенности записи функций выходов автомата Мура. Построение
комбинационной схемы автомата Мура.
Ключевые термины: структурный синтез ЦА, функции перехода,
функции выходов, автомат Мура.
Выводы по теме: студенты знакомятся со структурным синтезом ЦА
Мура.
Лекция 4. Процедуры структурного синтеза цифрового автомата
Цели и задачи лекции: ознакомиться со структурным синтезом
цифрового автомата Мили, особенностями записи функций переходов для
J-K-триггерных устройств.
План лекции: процедуры синтеза цифрового автомата Мили.
Особенности записи функций переходов для J-K-триггерных устройств.
Особенности записи функций выходов автомата Мили. Построение
логических преобразователей автомата Мили.
Ключевые термины: структурный синтез ЦА, функции перехода,
функции выходов, автомат Мили.
Выводы по теме: студенты знакомятся со структурным синтезом ЦА
Мили.
Лекция 5. Операционный и микропрограммный автоматы. Понятия
микрокоманды и микропрограммы. Особенности процедуры синтеза
18
микропрограммных автоматов. Управляющий автомат с «жесткой
логикой». Управляющий автомат с хранимой в памяти логикой.
Горизонтальное, вертикальное и смешанное микропрограммирование.
Цели и задачи лекции: ознакомиться с понятиями операционного и
управляющего автомата, микрокоманды и микропрограммы, видами
управляющих автоматов.
План лекции: операционный и микропрограммный автоматы.
Понятия микрокоманды и микропрограммы. Особенности процедуры
синтеза микропрограммных автоматов. Управляющий автомат с «жесткой
логикой». Управляющий автомат с хранимой в памяти логикой.
Горизонтальное, вертикальное и смешанное микропрограммирование.
Ключевые термины: операционный автомат, управляющий автомат,
жесткая логика, автомат с хранимой в памяти логикой.
Выводы по теме: студенты знакомятся с понятиями операционного и
управляющего автомата, видами управляющих автоматов с «жесткой» и
«гибкой» логикой, в том числе с горизонтальным, вертикальным и
смешанным микропрограммированием.
2.2. Понятие цифрового автомата
Любое цифровое устройство работает в дискретном времени.
Особенность комбинационных схем заключается в том, что независимо от
того, в какой момент времени t подан входной сигнал “X”, на выходе
всегда получают один и тот же выходной сигнал “Y”.
Однако на практике необходимо устройство, которое вырабатывает
выходной сигнал в зависимости от предыстории подачи нескольких
входных сигналов в последовательные моменты времени. То есть,
аналогично тому, как человек принимает решение в зависимости от
предыстории различных событий.
Появление теории автоматов связано с математическим описанием
принципа работы головного мозга.
Так как, предыстория сигналов имеет достаточно длинную запись, то
ее заменяют понятием состояние автомата. И уже автомат реагирует
выходным словом не только на входной сигнал в данный момент времени,
но и на состояние автомата в этот момент времени.
19
На практике нашли применение две модели цифровых автоматов,
имеющие одинаковые функции переходов, которые определяют условие
изменения состояния и различных функций выходов, которые определяют
условия выдачи выходного сигнала.
I модель – модель автомата МИЛИ.
Функция переходов a(t+1) = δ(a(t), x(t))
определяет в какое новое состояние в момент времени (t+1) прейдет
автомат, который в момент времени t находится в каком-то состоянии a(t)
и получил входную информацию x(t).
Функция выходов y(t) = λ(a(t);x(t))
определяет, какой появится выходной сигнал в момент времени t, если в
этот момент времени он находится в состоянии a и получил информацию
x.
II модель – модель автомата МУРА.
Функция переходов a(t+1) = δ(a(t), x(t)) – аналогична автомату
МИЛИ.
Функция выходов y(t+1) = λ(a(t+1))
определяет выходной сигнал y, только по новому состоянию автомата в
момент времени t+1;
Теория автоматов разбивается на две части:
1) абстрактную теорию – она позволяет от словесного описания
работы устройства, получить его описание в виде специальных языков
задания автомата. Эти языки описывают функции переходов и
выходов: специальные таблицы, формулы, графы;
2) структурная теория автоматов – позволяет перейти от
результатов, полученных на этапе абстрактного синтеза автоматов, к
схеме цифрового автомата (функция или принцип).
На этапе абстрактного синтеза автомата его закон
функционирования удобно представить в виде граф автомата.
Вершинам графа соответствует внутреннее состояние автомата. Если
автомат переходит из одного состояние в другое, то эти вершины
соединяют ориентированным ребром, над которым ставят метку входного
сигнала, по которому выполняется этот переход – таким образом задают
функцию перехода.
20
x
1
a
1
a
2
x
2
x1, y
1
a
1
a
2
x2, y
2
x
1
a
1
a
2
x
2
y
1
Для отображения функции выхода автомата МИЛИ над ребрами
ставится метка соответствующего выходного сигнала:
a2 (t+1) = δ (a1, x1),
y1 (t) = λ (a1, x1).
Для автоматов МУРА выходные сигналы помечаются рядом с
вершинами графа:
a2 (t+1) = δ (a1, x1),
y1 (t+1) = λ (a2(t+1)).
Говорят, что задан абстрактный автомат, если задано:
1) множество входных сигналов – X;
2) множество выходных сигналов – Y;
3) множество внутренних состояний – a;
4) функции переходов – a = δ(a,x);
5) функции выходов – y = λ(a,x).
2.3. Абстрактный синтез автоматов
Любое цифровое устройство есть автомат, однако при
проектировании цифровых устройств, теорию автоматов применяют в
чистом виде, в основном при построении управляющих устройств, при
этом алгоритм работы должен быть задан графом автомата.
При проектировании управляющих цифровых автоматов наиболее
трудной задачей является задача абстрактного синтеза автоматов, т.е.
переход от словесного алгоритма работы устройства к графу автомата.
Решается задача в II этапа.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]