2.2 Конечные автоматы средней степени интеграции – двоичные счетчики и регистры

2.2.1. Счётчики импульсов

В системах автоматизации и управления часто требуется подсчитать число импульсов поступающих на вход устройства за определённый промежуток времени. Такие счётчики могут быть построены на микросхемах, содержащих отдельные триггера типа D (K155TM…) или JK (K155TB…), но чаще это микросхемы, содержащие счётчик целиком (К155 ИЕ…). Счётчики делятся на синхронные, у которых изменение состояния всех триггеров происходит одновременно под действием синхронизирующего сигнала, и асинхронные, у которых изменение состояния предыдущего триггера вызывает срабатывание последующего. Асинхронные схемы проще, но обладают меньшим быстродействием вследствие задержки при последовательном изменении состояний триггеров в цепочке. По типу цепей управления счетчики могут быть двоичными, двоично-десятичными, однонаправленными, реверсивными. Кроме того счётчики могут срабатывать по фронту (перепад 0-1) или по срезу (перепад 1-0) управляющего импульса.

Рассмотрим пример синтеза асинхронного счётчика, считающего до 8.

Таблица 2.5

t	t	t	t	t+1	t+1	t+1	t	t	t	t	t	t
X	Q2	Q1	Q0	Q2	Q1	Q0	P2	P1	P0	q2	q1	q0
1	0	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	1
1	0	0	1	0	1	0	0	0	1	0	1	1
1	0	1	0	0	1	1	0	0	0	0	0	1
1	0	1	1	1	0	0	0	1	1	1	1	1
1	1	0	0	1	0	1	0	0	0	0	0	1
1	1	0	1	1	1	0	0	0	1	0	1	1
1	1	1	0	1	1	1	0	0	0	0	0	1
1	1	1	1	0	0	0	1	1	1	1	1	1

Для этого возьмём 3 триггера типаJK, преобразованных в триггера со счётным входом. Составим таблицу переходов и импульсных выходов (табл. 2.5), полагая=1 при переходе элементарного автомата из 1 в 0. Функция возбуждения элементарного автоматадля триггера со счётным входом равна 1 при переходах из 1 в 0 и из 0 в 1. Сопоставим значения входных сигналов элементарных автоматовq0, q1, q2 (функций возбуждения) в момент времени t со значениями входного сигнала счётчика X и импульсных выходов P0, P1 в тот же момент времени t. Из таблицы переходов видно, что q0 = X, q1 = P0 и q2 = P1.

Рис. 2.6. Схема двоичного асинхронного счётчика

Построим теперь к синхронный счётчик на триггерах типа JK, считающий до 5. Его таблица переходов имеет следующий вид (табл. 2.6):

Таблица 2.6

t	t	t	t	t+1	t+1	t+1	t	t	t	t	t	t
X	Q2	Q1	Q0	Q2	Q1	Q0	J2	K2	J1	K1	J0	K0
1	0	0	0	0	0	1	0	~	0	~	1	~
1	0	0	1	0	1	0	0	~	1	~	~	1
1	0	1	0	0	1	1	0	~	~	0	1	~
1	0	1	1	1	0	0	1	~	~	1	~	1
1	1	0	0	0	0	0	~	1	0	~	0	~

Найдём минимальные значения функций возбуждения. Значениями функций возбуждения являются значения входов элементарных автоматов J(t) и K(t) в момент времени t, а аргументами являются состояния автоматов Q(t). Символ “~” означает, что функции возбуждения в этих клетках могут принимать произвольные значения 0 или 1. Поэтому клетки, отмеченные этим знаком, следует заполнять так, чтобы значения функций возбуждения были минимальны. Из таблицы переходов следует, что K2 = K0 = 1 (клетки со знаком “~” заполнены единицами), а значения остальных функций возбуждения приведены в минимальной форме под соответствующими картами Карно.

2.2.2. Регистры. Это устройства, предназначенные для хранения и переработки информации и состоящие из совокупности триггеров, число которых равно числу разрядов кода. Запись и считывание информации может осуществляться параллельно во все ячейки регистра или последовательно. Регистр с последовательной записью называют также регистром сдвига. Запись информации происходит в определённые моменты времени по сигналу, поступающему на вход синхронизации C. В качестве элементарных автоматов используются триггера типа D или JK, работающие в режиме D. Закон функционирования такого триггера описывается выражением Q(t+1) = D(t). Схемы регистров приведены на рис.2.7

Рис.2.7 Регистры с параллельным и последовательным вводом информации.

В современных устройствах хранения и переработки информации регистры используются очень широко. В основном они входят в состав больших интегральных схем (процессоров, контроллеров) для хранения информации об оперативных данных и состоянии вычислительных устройств. Хранение информации производится в различных форматах в зависимости от типов данных, но в основе лежит регистр размерностью 8 двоичных разрядов – 1 байт. Регистры могут объединяться для хранения данных различного формата. Вид объединения зависит от конструкции устройства. Например, в микроконтроллерах фирмы Atmel регистры могут объединяться в пары, образуя 16-и разрядные “слова”, состоящие из двух “полуслов” для хранения данных типа “integer” – “целое число”. В некоторых процессорах фирмы Texas Instrument “слово” содержит 32 бита (4 байта) и позволяет разместить в этом формате 2 “полуслова” по 16 бит или две пары данных типа “байт” [24 ].

Обработку информации в регистрах можно осуществлять различными способами, которые зависят от типов данных, хранящихся в них. В одних случаях регистр воспринимается как цельная конструкция, в других же – обработке доступен каждый бит информации. Процесс обработки информации обычно описывается на языках высокого уровня. Он может быть построен в различных языковых средах, поэтому воспользуемся той средой, которую будем использовать в дальнейшей работе. Это Visual Basic 6.0 [6,7], который мы впоследствии используем для создания на экране компьютера пульта управления автоматизированной системы.