Синтез конечного автомата для устройства управления ЭВМ (48947)

Посмотреть архив целиком


Министерство образования Российской Федерации

Российский химико-технологический университет

им. Д.И. Менделеева

Новомосковский институт










Синтез конечного автомата для устройства управления ЭВМ

Методические указания

Под редакцией к. т. н., доцента В.И. Воробьева













Новомосковск 2007


УДК 681.322

ББК 32.973

С 387

Рецензенты:

кандидат технических наук, доцент кафедры "Электротехника", НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева Е.Б. Колесников,

доцент, кандидат технических наук, доцент кафедры "Метрология и системы управления качеством", НИ РХТУ им.Д.И. Менделеева Ю.И. Азима.

Составитель: Прохоров B. C.

С 387 Синтез конечного автомата для устройства управления ЭВМ: Методические указания / Под редакцией В.И. Воробьева; РХТУ им.Д.И. Менделеева, Новомосковский ин-т; Сост.: B. C. Прохоров. – Новомосковск, НИ РХТУ им Д.И. Менделеева, 2007. - 20 с.

Предложено индивидуальное задание по синтезу конечного автомата для устройства управления ЭВМ для студентов специальности "Автоматизированные системы обработки информации и управления" по курсу "Схемотехника". Рассмотрен порядок и особенности синтеза этого автомата.


Содержание


Введение 4

1. Порядок синтеза конечного автомата для устройства управления ЭВМ 5

2. Индивидуальное задание 20

Библиографический список 21



Введение


Устройство управления и синхронизации является наиболее сложным в структуре микропроцессора. Оно влияет на все процессы и управляет их протеканием. Каждая команда программы может быть разделена на этапы извлечения и выполнения. Каждый из них в свою очередь может быть разделен на элементарные микропрограммы. Микропрограммы каждой команды находятся в секции декодирования и выполняются блоком управления и синхронизации.

Управляющий автомат генерирует управляющие сигналы выборки команд из памяти и формирования в счетчике команд адреса следующей команды. Затем управляющий автомат дешифрирует код операции в команде и генерирует соответствующую коду операции серию управляющих сигналов, обеспечивающую реализацию в микропроцессоре заданной операции.

Выполнение индивидуального задания позволит понять суть процессов, протекающих в устройстве управления, и самостоятельно провести анализ и синтез несложных узлов и блоков ЭВМ.


1. Порядок синтеза конечного автомата для устройства управления ЭВМ


Обобщенная структурная схема конечного автомата КА (рис.1) содержит запоминающее устройство ЗУ (память на

триггерах Т1-Тn) и два комбинационных устройства КУ для формирования сигналов q1, q2,...,qn управления триггерами (КУ1) и для формирования требуемых выходных сигналов y1, y2,...,yk (КУ2).


Рис.1 Обобщенная структурная схема КА


КА работает циклами, заканчивая их всякий раз возвращением в исходное состояние.

По сигналу с ДШ команд схема запуска формирует входной сигнал x, который принимает только два значения: x1=0 (пауза в работе КА) и x2=1 (запуск и работа КА).

В ходе выполнения цикла КА в заданные моменты времени t1, t2, t3,... проходит через определенную последовательность внутренних состояний a(t) =al (l=0, 1,..., S), сменяющих друг друга при поступлении очередного тактового импульса Ф. При этом каждый цикл функционирования КА начинается в момент t поступления на его вход сигнала запуска x(t) =1.

Часть этих состояний (и тактов), пребывание в которых сопровождается выдачей импульса на какой-либо выход y1, y2,..., y16, можно назвать активными, а остальные, обеспечивающие заданные паузы между выдачами импульсов, - пассивными.

В качестве примера рассмотрим задачу синтеза КА с 1 входом и 16 выходами, который после запуска выдает импульс:

через (j+1) =(1+1) =2 тактовых интервалов - на выход с

номером (i+1) =(1+1) =2;

2) через (i+1) =(1+1) =2 тактов - на выход с номером

(j+1) =(1+1) =2;

3) через (i+j+9) =(1+1+9) =11 тактов - на выходы с номерами (j+4) =(1+4) =5 и (i+6) =(1+6) =7 и формирует сигнал “сброс” W=1, необходимый для возвращения КА в исходное состояние.

Здесь i=1, j=1 - предпоследняя и последняя цифры в номере зачетной книжки.

В состав КА входит генератор тактовой частоты. Он предназначен для синхронизации (т.е. согласования во времени) работы компонентов КА. Генератор формирует периодическую последовательность импульсов Ф с заданной частотой.

Тактовый интервал равен периоду периодической последовательности импульсов Ф.

В соответствии с заданием можно получить временную диаграмму работы КА (рис.2). Задание рекомендуется выполнить в следующем порядке:

1) по последним цифрам i и j номера зачетной книжки рассчитывают общее число состояний (S+1) КА, определяют необходимое количество триггеров n, активные состояния (такты) автомата, номера активных выходов;

2) строят граф, который задает алгоритм функционирования КА; составляют таблицы состояний и выходных сигналов КА, а по ним составляют таблицы истинности для сигналов на активных выходах и синтезируют функциональную схему КУ1, КУ2 в логическом базисе, заданном табл.1.


Таблица 1

Базис для синтезируемой схемы

Последняя цифра номера зачетной книжки

четная

нечетная

Базис

или-не

и, или, не


3) В соответствии с ГОСТ 2.743-82 “Обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой техники” вычерчивают полную принципиальную электрическую схему КА, включая схему запуска, цепи возврата в исходное состояние (цепи “сброса”). ИМС выбирают из табл.2.


Таблица 2

Рекомендуемый перечень микросхем

Условное обозначение ИМС

Состав и функциональное назначение ИМС

Тип логики

К155ЛЕ1

4x2 ИЛИ-НЕ

ТТЛ

К155ЛН1

6x НЕ

ТТЛ

К155ЛИ1

4x2 И

ТТЛ

К155ЛЕ4

3x3 ИЛИ-НЕ

ТТЛ





Продолжение табл.2

К155ЛЛ1

4x2 ИЛИ

ТТЛ

К155ТВ1

JK-триггер с элементом 3Н на входе

ТТЛ

К555ЛЕ1

4x2 ИЛИ-НЕ

ТТЛШ

К555ЛН1

6x НЕ

ТТЛШ

К555ЛИ1

4x2 И

ТТЛШ

К555ЛИ3

3x3 И

ТТЛШ

К555ЛЕ4

3x3 ИЛИ-НЕ

ТТЛШ

К555ТВ6

Два JK-триггера со сбросом

ТТЛШ

К531ЛЕ1П

4x2 ИЛИ-НЕ

ТТЛШ

К531ЛН1П

6-НЕ

ТТЛШ

К531ЛИ3П

3x3 И

ТТЛШ

К531ТВ9П

JK-триггер с предварительной установкой

ТТЛШ

К531ТВ11П

JK-триггер с установкой единицы и синхронизацией

ТТЛШ

Рис. 2. Временная диаграмма работы КА


Из временной диаграммы видно, что активными тактами в рабочем цикле КА будут такты с номерами 2 и 11; активными выходами - выходы с номерами 2, 5,

7. Каждый цикл функционирования КА начинается в момент поступления на его вход сигнала запуска x(t) =1. При поступлении очередного тактового импульса Ф, максимальное число которых в цикле КА равно максимальному числу рабочих тактов R=i+j+9=1+1+9=11.

КА проходит ряд сменяющих друг друга состояний a(t) =al (l=0, 1,..., S). Число рабочих состояний равно S, а общее число состояний КА, включая исходное a0, равно S+1 и связано с максимальным числом рабочих тактов R соотношением SR.

Выполнение этого условия обеспечивает возможность выдачи выходного импульса на любом такте цикла.

Минимально необходимое количество триггеров определяется из соотношения nlog2(S+1).

Для разрабатываемого КА минимальное количество триггеров n=4, так как 24>11.

Для определения активных состояний следует задать определенный порядок их чередования в рабочем цикле КА, т.е. функцию переходов. Целесообразно принять алгоритм функционирования КА с функцией переходов, обеспечивающей естественный порядок смены состояний (рис.3). В этом случае КУ1 и память синтезируемого КА превращаются в суммирующий двоичный счетчик с параллельным переносом и коэффициентом пересчета Ксч=i+j+9=1+1+9=11, а КУ2 - в дешифратор состояний.


Рис.3. Алгоритм функционирования КА, заданный с помощью графа


Выходной сигнал КА может принимать значение произвольного 16-разрядного двоичного числа. Выходные сигналы КА могут быть описаны табл.3.


Таблица 3

Таблица выходных сигналов КА

Значения yl

Уровень сигнала на выходе Vl (l=0, 1,..., S)

выходного

активном

пассивном

сигнала y(tl)

V2

V5

V7

Остальные (l=2,5,7)

y0

0

0

0

0...0

y2

1

0

0

0...0

y5

0

1

0

0...0

y7

0

0

1

0...0

Все остальные

0

0

0

0...0


Каждое состояние КА отождествляется с записанным в триггеры n-разрядным двоичным числом (табл.4).


Таблица 4

Таблица состояний КА


Сигналы Qk(t) на прямых выходах триггеров T4, T3, T2, T1


Q4(t)

Q3(t)

Q2(t)

Q1(t)

a0

0

0

0

0

a1

0

0

0

1

a2

0

0

1

0

a3

0

0

1

1

a4

0

1

0

0

a5

0

1

0

1

a6

0

1

1

0

a7

0

1

1

1

a8

1

0

0

0

a9

1

0

0

1

a10

1

0

1

0

a11

1

0

1

1

a12

1

1

0

0

a13

1

1

0

1

a14

1

1

1

0

a15

1

1

1

1


Для КА с естественной сменой состояний в порядке возрастания их номеров активными оказываются состояния а2, а11 (на втором и одиннадцатом тактах).

Для синтеза КУ1 и КУ2 следует задать таблично функцию переходов (табл.5) и функцию выходов (табл.6).


Таблица 5

Таблица функции переходов

Предшествующее состояние автомата a(t)

Последующее состояние автомата a(t+1)


при x(t) =1

при x(t) =0

a0

0000

a1

a0

a1

0001

a2

a0

a2

0010

a3

a0

a3

0011

a4

a0

a4

0100

a5

a0






Продолжение табл.5

a5

0101

a6

a0

a6

0110

a7

a0

a7

0111

a8

a0

a8

1000

a9

a0

a9

1001

a10

a0

a10

1010

a11

a0

a11

1011

a0

a0

a12

0000

a0

a0

a13

0000

a0

a0

a14

0000

a0

a0

a15

0000

a0

a0


Таблица 6

Таблица функции выходов

Состояние автомата a(t)

Значения выходных сигналов y(t)

a0

0000

y0

a1

0001

y0

a2

0010

y7

a3

0011

y0

a4

0100

y0

a5

0101

y0

a6

0110

y0

a7

0111

y0

a8

1000

y0

a9

1001

y0

a10

1010

y0

a11

1011

y5, y7, W


Для синтеза ЗУ целесообразно использовать ИМС К555ТВ6, которая содержит два JK-триггера с общим выводом питания (рис.4).


Рис.4. JK - триггер типа К555 ТВ6


Данные в каждом триггере переносятся от входов на выходы по отрицательному перепаду тактового импульса С. Когда импульс С переходит от высокого уровня к низкому, сигналы на входах J и K изменяться не должны. Данные от входов J и K следует загружать в триггер, когда на входе С присутствует напряжение высокого уровня. Режим работы триггера из микросхемы К555ТВ6 следует выбирать из табл.7.


Таблица 7

Состояния триггеров микросхемы К555ТВ6

Режим работы

Вход

Выход




R


C


J


K


Q


Q


Асинхронный сброс


Н


X


X


X


Н


В


Переключение

Переключение


В




В


В


q


q


Загрузка 0 (сброс)

Загрузка 0 (сброс)


В



Н


В


Н


В


Загрузка 1 (установка)

Загрузка 1 (установка)


В



В


Н


В


Н


Хранение: нет изменений

Хранение: нет изменений


В



Н


Н


q


q


Асинхронные входы сброса R имеют низкий активный уровень. Если на входе R будет напряжение низкого уровня, прохождение сигналов от входов C, J и K запрещается. На выходе Q появляется напряжение низкого уровня (первая строка табл.7). Остальные четыре режима работы возможны лишь при напряжении высокого уровня на входе R. Когда J=K=H, состояние выходов под действием отрицательного перепада на тактовом входе C не меняется (режим: хранения - нет изменений). Опираясь на таблицы состояний и выходных сигналов, а также таблицу состояний JK-триггеров ИМС

К555ТВ6 составляют полную таблицу функционирования КА (табл.8).


Таблица 8

Полная таблица функционирования КА, при построении ЗУ на JK-триггерах

так

та

Входной сиг

нал

Предшествующее состояние триггеров

Последующее состояние триггеров

Сигналы управления триггерами

Сигна-лы на актив-ных выхо-дах КА


x(t)



T4

T3

T2

T1

V2

V5,



Q4 (t)

Q3 (t)

Q2 (t)

Q1 (t)

Q4 (t+D)

Q3 (t+ D)

Q2 (t+ D)

Q1 (t+ D)

J4

K4

J3

K3

J2

K2

J1

K1


V7,

W

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

1

1

0

0

0

1

0

0

1

0

0

0

0

0

1

0

1

1

0

0

2

1

0

0

1

0

0

0

1

1

0

0

0

0

0

0

1

1

1

0

3

1

0

0

1

1

0

1

0

0

0

0

1

0

0

1

1

1

0

0

4

1

0

1

0

0

0

1

0

1

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

5

1

0

1

0

1

0

1

1

0

0

0

0

0

1

0

1

1

0

0

6

1

0

1

1

0

0

1

1

1

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

7

1

0

1

1

1

1

0

0

0

1

0

0

1

0

1

1

1

0

0

8

1

1

0

0

0

1

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

9

1

1

0

0

1

1

0

1

0

0

0

0

0

1

0

1

1

0

0

10

1

1

0

1

0

1

0

1

1

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

11

1

1

0

1

1

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

1

1

0

1

12

1

0

0

0

0
















Случайные файлы

Файл
164310.rtf
svin.doc
36402.rtf
16430.rtf
131085.rtf