Методы структурного синтеза и языки описания цифровых автоматов

В зависимости от способа задания функций переходов и выходов (f и ) в настоящее время выделяют два класса языков описания цифровых автоматов - начальные языки и стандартные, или автоматные языки. В начальных языках автомат описывается на поведенческом уровне, т.е. функции переходов и выходов обычно в явном виде не заданы. Среди начальных языков следует выделить язык регулярных выражений алгебры событий, язык логических схем алгоритмов, язык граф-схем алгоритмов. Принципы построения граф-схем алгоритмов подробно описаны в Глава 11, там же рассматриваются некоторые возможные содержательные термины, которые обычно используются при описании алгоритмов.

Среди автоматных языков наиболее распространены таблицы переходов и выходов, а также графы, которые мы рассматривали ранее.

Используются также, так называемые, кодированные таблицы переходов и выходов,в которых определяется зависимостьзначений в двоичном коде внутренних состояний и выходных сигналовот значений в этом же кодевходных сигналов и внутренних состояний элементарных автоматов в предыдущий момент времени.

Задача синтеза конечных автоматов заключается в построении сложного автомата из более простых автоматов, называемых элементарными автоматами. На практике в большинстве случаев применяют элементарные автоматы с двумя внутренними устойчивыми состояниями, которые соединяются между собой с помощью логических элементов таким способом, чтобы обеспечить функционирование схемы в соответствии с заданными кодированными таблицами переходов и выходов.

Для синтеза конечных автоматов необходимо прежде всего выбрать систему элементов, из которых должны строиться заданные автоматы. В большинстве схем цифровых автоматов в качестве элементов памяти применяются элементарные автоматы, имеющие следующие особенности.

1.Элементарные автоматы, например триггера, являются автоматами Мура и имеют два внутренних устойчивых состояния.

2. Двум внутренним состояниям элементарного автомата соответствуют два различных выходных сигнала, которые по существу и позволяют физически различать состояния элементарных автоматов.

3. В общем случае элементарные автоматы могут иметь несколько физических входов.

Для того чтобы можно было построить схему любого конечного автомата, набор элементов, с помощью которых проводится синтез автомата, должен быть функционально полными включать в себя в качестве элементарных автоматов триггера, т.е, необходимо и достаточно, чтобы он содержал:

- хотя бы один элементарный автомат с двумя различными состояниями, для которых соблюдаются условия полноты системы переходов и выходов;

- логические элементы, образующие функционально полную систему для синтеза логических комбинационных схем.

Напомним, что набор логических элементов будет функционально полным, если из элементов этого набора можно построить любую логическую схему компьютера.

Приведем пример общей структурной модели последовательностной схемы, содержащей триггера. 

                                 X                                    Z

 

 

 

                                 Q                                    Y

Рис. 4.

 

При решении задач анализа и синтеза последовательностных схем обычно разделяют последовательностную схему на элементы памяти и комбинационную часть.

В самом общем виде последовательность структурного синтеза последовательностного цифрового автомата можно представить следующим образом.

В начале в четкой словесной форме формулируется исходное задание проекта. В зависимости от типа и сложности проектируемого цифрового автомата последующий этап синтеза может быть различным.

Возможен вариант, когда можно сразу приступать к формированию в аналитической форме системы рекуррентных логических функций. Далее выбирается в зависимости от физического типа элементов функционально полный набор логических элементов (базис) и соответствующая этому набору система логических функций. Затем рекуррентные логические функции представляются через логические функции выбранной функционально полной системы и минимизируются в соответствии с выбранными критериями. Этот этап синтеза обычно называют комбинационным синтезом.

Задачи комбинационного синтеза последовательностных цифровых автоматов полностью совпадают с задачами синтеза комбинационных логических схем.

На этом же этапе разработок строится содержательная граф-схема алгоритма функционирования автомата. Далее формируются необходимые кодированные таблицы переходов и выходов и при необходимости строится граф автомата (диаграмма состояний).

Возможен вариант, когда вместо формирования системы рекуррентных функций в начале составляют некоторый предварительный упрощенный вариант граф-схемы (возможно содержательной) автомата или граф автомата, т.е. диаграммы состояний, и предварительный вариант кодированной таблицы состояний. И только после этого формируется система рекуррентных функций, и выполняются все упомянутые последующие процедуры с поэтапным уточнением граф-схемы автомата, диаграммы его состояний и кодированных таблиц состояний (выходов, переходов и т.д.).

Далее, ориентируясь на сформированные таблицы и граф-схему, проектируется логическая схема цифрового автомата, в которой используются логические элементы выбранного базиса. Эта схема представляется как структурная или функциональная. После ее разработки можно приступать к созданию принципиальной схемы разрабатываемого последовательностного цифрового автомата.

Надо учесть, что в общем случае процедура синтеза цифрового автомата плохо формализуема и в значительной мере зависит от опыта разработчика.