4.3 Словари переходов
Структурное проектирование устройств последовательного типа наиболее просто выполняется с помощью словарного метода. При этом используются словари переходов триггеров, на основе которых будет строиться проектируемый узел. Так как в цифровых микросхемах чаще всего используются RS-JK-D-триггеры и режеD-триггеры, то определим их словари переходов.
Таблица 4.1
Словари переходов основных типов триггеров
|
FQ |
RS |
JK |
T |
D | ||||
|
S |
R |
J |
K |
|
| |||
|
0 |
0 |
× |
0 |
× |
0 |
0 | ||
|
1 |
× |
0 |
× |
0 |
0 |
1 | ||
|
∆ |
1 |
0 |
1 |
× |
1 |
1 | ||
|
|
0 |
1 |
× |
1 |
1 |
0 | ||
5. Функциональные узлы последовательностного типа
5.1 Последовательностные устройства
Устройствами последовательностного типа называются устройства, состояния выходов которых определяются состоянием входов в настоящий и предыдущий момент времени (машинного времени).
Основными типами последовательностных функциональных узлов, выпускаемых в виде отдельных интегральных микросхем либо входящих в состав БИС и СБИС, являются регистры, счетчики и генераторы кодов. Регистром называется функциональный узел, выполняющий хранение операндов и их сдвиг на определенное число разрядов.Счетчикомназывается узел, на выходах которого образуется число, соответствующее количеству поступивших на вход импульсов.Генератором кодов(числовых последовательностей) называется узел, дающий на выходах заданную последовательность кодов (двоичных чисел).
5.2 Проектирование последователъно-стных устройств
Первый этап: Определение количества состояний. Определение числа элементов памяти. Выбор внутреннего кода.
При проектировании автомата дается лишь некоторая информация относительно системы функций, описывающих работы автомата, но не сама система. На первом этапе синтеза определяется минимальное количество состояний Nminпозволяющее построить устойчивый автомат, соответствующий поставленным условиям. Часто величинаNminсовершенно очевидна (счетчики, регистры, распределители импульсов и т.п.) В противном случае для определенияNminнеобходимо пользоваться методом ориентированных графов.
По числу состояний Nminопределяется необходимое число элементов памятиm. Количество элементов памяти определяется из выражения
,
где
- двоичный логарифм заданного числа
состоянийNmin,
округленный до ближайшего большего
целого числа.
При этом в автомате могут возникнуть избыточное состояния, число которых равно
Важным фактором, который оказывает наибольшее влияние на сложность всех последовательных устройств, т.е. и на экономичность схем, является способ кодирования внутренних состояний. Проблема выбора соответствующего внутреннего кода для синхронных схем очень сложна. Еще хуже обстоит дело у асинхронных схем, у которых выбор внутреннего кода обычно ограничен условием исключения одновременных изменений более чем одной переменной. Поэтому выбор подходящего внутреннего кода чаще всего зависит от опыта проектанта. Так можно построить около 76·106вариантов схем двоично-десятичных счетчиков, отличающихся порядком изменения состояний триггеров (внутренним кодом).
Однако во многих случаях соответствия внутренних переменных определено заданной проблемой или требуемой функцией схемы. На этом же этапе целесообразно решить вопрос о блок-схеме устройства, т.е. определить необходимость введения выходного комбинационного устройства.
Второй этап: составляется таблица состояний устройства.
Таблица должна описывать состояние устройства в настоящий и последующий момент времени в зависимости от входных переменных (входных сигналов).
Третий этап: по таблице состояний определяется функция переход для каждого из выходов устройства (FQ1, FQ2 … FQn) и составляются карты FQ для каждого выхода.
Четвертый этап: выбирают тип триггера, например RS, JK, D и т.п. Выбор триггера зависит, естественно, не только от логических функций, но и от других факторов, таких как быстродействие, стоимость и т.п. во многом выбор определяется опытом разработчика. Выбирается элементная база КУ.
Пятый этап: составляются карты Карно для входов триггеров.
Карты Карно составляются на основе карт FQ с помощью словаря переходов для выбранного типа триггеров. Для каждого входа значение FQ заменяется соответствующим знаком из словаря переходов триггера.
Шестой этап: минимизация с помощью карт Карно функций входов и приведения полученных логических выражений к виду удобному для реализации на выбранных базовых логических элементах (И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ и т.п.). Предварительно, конечно, выбирается элементная база (см. этап 4).
Седьмой этап: По полученным логическим выражениям строится структурная схема устройства.