9. Управляющие автоматы (уа) с жесткой логикой. Взаимодействие автомата с внешней средой. Синхронизация автоматов. Гонки или состязания в автоматах. Методы устранения гонок.

Автомат с жесткой логикой строится на базе использования логических элементов и элементов памяти. Для каждой операции, выполняемой в устройстве, строится набор логических схем, которые в нужных тактах возбуждают соответствующие микропрограмме управляющие сигналы. Изменить алгоритм работы такого автомата нельзя, не изменяя соединений между элементами. Для таких автоматов характерны высокое быстродействие, определяемое только задержками используемых логических и запоминающих элементов и малые удельные затраты оборудования при реализации простых микропрограмм.

Для описания микропрограмм выполнения операций чаще всего используется язык операторных схем алгоритмов. Множество входных сигналов управляющего автомата X={x_1, x_2, x₃} определяется множеством логических условий; множество выходных сигналов управляющего автомата Y={y_1, y_{2, … ,} y_7, y_k} – множеством управляющих сигналов, используемых для возбуждения микроопераций в операционном автомате, а закон преобразования входных сигналов в выходные определяется микропрограммой.

При синтезе УА с жесткой логикой выделяются этапы абстрактного и структурного синтеза. На этапе абстрактного синтеза по алгоритму, заданному на начальном языке, строится таблица переходов, записываются система канонических уравнений (СКУ) и система выходных функций (СВФ) и проводится их минимизация. На этапе структурного синтеза строится логическая схема полученного ранее автомата Мили или Мура. Для этого используется канонический метод структурного синтеза автоматов, предложенный академиком В.М. Глушковым. Схема автомата представляется в виде памяти и комбинационных схем.

Память автомата состоит из I триггеров, которые служат для отображения состояния автомата. Каждое состояние am (m=1,2,…,M) кодируется двоичным набором Q1Q2…QI, компонентами которого являются состояния триггеров T1T2…TI. Двоичный набор Q1Q2…QI называется кодом состояния автомата. Длина кода определяется как I = . Каждому состоянию автомата ставиться в соответствие код, отличный от кодов других состояний. Дешифратор состояний используется для выделения состояния автомата путем дешифрирования его кода Q1Q2…QI, то есть для преобразования кода элементов памяти в унитарный код состояний.

КС1 –схема формирования сигналов возбуждения памяти, реализует функцию переходов автомата вида:

ai(t+1) = fi(x1,x2,…,xL,a1,,a1,…,aM), i = .

КС2 — комбинационная схема формирования выходных сигналов, реализует функцию выходов автомата.

Для модели Мили: y_{n =} f_n(x₁,x₂,…,x_L,a_1,,a₁,…,a_M), n = .

Для модели Мура: y_{n =} f_n(_,a_1,,a₁,…,a_M), n = .

При включении устройства триггеры УА устанавливаются в произвольное состояние. Для приведения автомата в исходное состояние используется сигнал «Начальная установка».

Канонический метод структурного синтеза условно можно разбить на следующие этапы:

1. Выбор типа логических и запоминающих элементов.

2. Кодирование состояний автомата и получение структурной таблицы переходов.

3. Построение булевых функций возбуждения памяти и функций выходов.

4. Построение функциональной схемы автомата.

Гонки в автоматах.Если при переходе автомата из одного состояния в другое должны изменить свои состояния сразу несколько запоминающих элементов, то между ними начинаются состязания или гонки. Тот элемент, который выиграет эти состязания, т. е. изменит свое состояние ранее, чем другие, может через цепь обратной связи изменить сигналы на входах некоторых запоминающих элементов до того, как другие, участвующие в состязаниях элементы, изменят свои состояния. Это может привести к переходу автомата в состояние, не предусмотренное законом функционирования.

Для устранения гонок используются логические и аппаратные методы. К логическим методам относятся специальные методы противогоночного кодирования состояний автомата.(частный случай- соседнее кодирование). К аппаратным способам относятся: способ импульсной синхронизации и использование двойной (двухступенчатой) памяти.

При использовании двойной памяти синхронизация автомата производится с помощью двух последовательностей синхронизирующих импульсов C1 и C2, причем C1  C2 = 0. По сигналу С1 в КС1 вырабатываются сигналы возбуждения , которые устанавливают триггеры Т1 памяти возбуждений в состояние, соответствующее следующему состоянию автомата. Поскольку С2 = 0, то состояние триггеров второй ступени при этом не изменяется. По сигналу С2 = 1 состояние Т1 переписывается в Т2, и происходит тем самым переключение автомата в новое состояние.. Следующий синхроимпульс С1 подается через время, достаточное для окончания переходных процессов в комбинационной схеме КС1. Далее процесс повторяется. Промышленностью выпускаются триггеры разных типов с двойной памятью в виде интегральных микросхем, в которых сигнал С2 обычно получается из сигнала С1 с помощью инвертора, поэтому вход синхронизации у триггеров один.

Такой способ позволяет полностью устранить эффект состязаний.

Синхронизация автоматов. Автомат представляет собой динамическую систему – совокупность физических элементов, состояния которых изменяются в реальном физическом времени. Тогда номера этих моментов времени можно идентифицировать с номерами шагов алгоритма, а интервал между этими моментами времени можно назвать тактом работы автомата.

Такт работы определяет время пребывания автомата в одном состоянии a_i и равен Т = Т_УА + Т_ОА, где Т_УА– затраты времени на управление, зависят от длительности переходных процессов в УА; Т_ОА–интервал времени, необходимый для выполнения микроопераций и вычисления логических условий в ОА. Необходимая длительность такта обеспечивается за счет синхронизации моментов переключения элементов памяти по сигналам, которые формирует ГСИ. В синхронных автоматах длительность такта может быть постоянной или переменной.

При постоянной длительности такта для выполнения любой микрооперации отводится постоянный промежуток времени, определяемый как Т_ОА = max(t₁,t₂,…,t_M), где t₁,t₂,…,t_{M –}время выполнения микроопераций y₁,y₂,…,y_M. Поскольку микрооперации y₁,y₂,…,y_M обычно выполняются за промежуток времени меньший самой продолжительной микрооперации, то из-за постоянства такта возникают потери времени.