Самарский Государственный Технический Университет

Кафедра «Вычислительная техника»

Проектирование цифровых управляющих автоматов.

Методические указания

Самара 2005

Введение.

Микропрограммный автомат (МПА) - конечный автомат, обеспечивающий выполнение микропрограммы (МП) операционным устройством (ОУ), состоящим из операционного и управляющего автоматов (ОА и УА).

Микропрограмма описывает алгоритм выполнение какой-либо сложной операции в терминах микроопераций (МО).

К микрооперациям относятся простейшие действия, выполняемые элементами операционного автомата (инверсия слова, сложение двух слов, сдвиг влево или вправо). МП наглядно представляется в виде ГСА, в вершинах которой записываются микрооперации или логические условия. Идентификаторами этих операций, условий является обозначения элементов операционных автоматов.

Например:

RA - регистр A.

RA[0] - нулевой разряд регистра A.

СТ - содержимое счетчика и т.д.

В микрооперациях возможны следующие действия над переменными.

Присваивание: RA := A

RA := L1(RA).0 - сдвиг влево на 1 разряд

RA := 0.R1(RA) - сдвиг вправо на 1 разряд и т.д.

Микрооперации, которые можно выполнять одновременно называются совместимыми и могут быть записаны в одной операторной вершине. МП записанная в терминах микрооперации и логических условий называют функциональной или содержательной.

К аждая МО в операционном автомате инициируется микрокомандой, которую вырабатывает управляющий автомат в зависимости от значений логических условий. По МП может быть построена ГСА управляющего автомата. По топологии ГСА УА совпадает с МП ОА. Отличаем является дополнительная условная вершина в начале ГСА («Пуск автомата») и дополнительная операторная – «операция выполнена».

В операционных вершинах ГСА УА записываются Y_i - микрокоманды, а в условных X_i - логические условия.

На практике наибольшее распространение получили автоматы двух типов: Мили и Мура.

Различие автоматов состоит в том, что выходная буква W_t автомата Мили зависит не только от его состояния a_m, но и от входной буквы z_t. У автомата Мура выходная буква зависит только от a_m.

Обычно в автоматах используют синхронные триггера, у которых реакция на входные сигналы приходит только при наличии сигнала синхронизации С (его положительным или отрицательным фронтом).

1. Синтез микропрограммных автоматов (мпа) с жесткой логикой.

Автоматы на жесткой логике построены на элементной базе и, или, не, и-не и т.п. и триггерах. Функция автомата определяется его функциональной схемой.

1.1. Синтез автомата Мили по гса.

Порядок синтеза автомата рассмотрим на примере автомата заданного ГСА рис.1.

1) Разметка состояний автомата по гса.

Состояние:

a₁ – начальное (оно же конечное) состояние, отмечается на входе вершины, следующей за начальной и на входе вершины «конец».

а₂, а₃,... - входы всех вершин, следующих за операторами.

Микрокоманда y₆ вырабатывается УА при завершении его работы по ГСА. y₆ — соответствует событию «операция выполнена». Искусственно введем y₆ при любых переходах в начальное (конечное) состояние а₀.

При разметке состояний автомата Мили можно использовать так называемые узлы . Их введение в ГСА, как правило, сокращает количество переходов в автомате Мили, упрощает функции переходов и выходов, а также — схему автомата. Использование узлов показано на примере в п. 1.2.

Рис. 1. Размеченная ГСА автомата Мили.

2) Прямая таблица переходов.

Прямая таблица переходов строится по размеченной ГСА (рис.1). В ней указываются все возможные пути переходов из состояния а_m в состояние а_s, условия при которых переход из а_m в а_s, происходит по данному пути (X(a_m,a_s)), микрокоманда (Y(a_m,a_s)), вырабатывается автоматом на данном переходе.

Таблица 1.

№	am	as	X(am,as)	Y(am,as)
1	a0	a0		y6
2		a1		y1y4y5
3		a2		y1y2y3
4		a3		y1y2y5
5		a3		y3y4y5
6	a1	a1		y1y4y5
7		a2		y1y2y3
8		a3		y1y2y5
9		a3		y3y4y5
10	a2	a3		y3y4y5
11		a3		y1y2y5
12	a3	a0		y6
13		a3		y3y4y5
14		a3		y1y2y5

3) Кодирование состояний автомата.

УА с жесткой логикой имеет память состояний, которая обычно выполнена на D- или RS- триггерах, синхронизируемых фронтом. Каждое состояние кодируется двоичным числом. Минимальное количество триггеров для памяти состояний должно быть больше или равно log₂ (количество состояний автомата). В данном примере |А| - количество состояний автомата = 4, поэтому число элементов памяти = 2. Закодируем состояния автомата:

k(a₀)=11

k(a₁)=10

k(a₂)=01

k(a₃)=00