 |
НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Курсовая: Кодовый замок
Курсовая: Кодовый замок
Содержание.
1). Задание на проектирование. -2-
2). Введение.
-2-
3). Абстрактный синтез автомата. -5-
4). Структурный синтез автомата. -8-
5). Набор элементов для физического синтеза. -8-
6). Литература, дата, подпись. -8-
Задание.
Спроектировать автомат «кодовый замок», имеющий три информационных входа
A, B, C, на которые подается входной сигнал в восьмеричном коде, и два
выхода Z1, Z2.
Z1 – возбуждается при подаче, на (A, B, C) входы,
заданной последовательности сигналов.
Z2 - возбуждается при нарушении заданной последовательности сигналов.
В качестве элементной базы рекомендуется использовать RS и JK триггеры и
интегральные микросхемы с набором логических элементов.
После получения функциональной схемы следует провести анализ на возможные
ложные комбинации и состязания в автомате.
Для варианта № 6 принять следующую последовательность входных сигналов:
0 – 1 – 5 – 4 – 5
7 – 5 – 7 – 3 – 7
1 – 0 – 4 – 5 – 4
5 – 4 – 0 – 1 – 0
Введение в проблематику и методику проектирования автоматов с памятью
Узлы и устройства, которые содержат элементы памяти, относятся к классу
автоматов с памятью (АП). Наличие элементов памяти (ЭП) придает АП свойство
иметь некоторое внутреннее состояние Q, определяемое совокупностью состояний
всех элементов памяти. В зависимости от внутреннего состояния (далее
называемого просто состоянием), АП различно реагирует на один и тот же вектор
входных сигналов X. Воспринимая входные сигналы при определенном состоянии, АП
переходит в новое состояние и вырабатывает вектор выходных переменных Y. Таким
образом, для АП QH = f(Q, X) и Y = φ(Q, X), где QH и
Q — состояния АП после и до подачи входных сигналов (индекс "н" от слова
"новое").
Переходы АП из одного состояния в другое начинаются с некоторого исходного
состояния Q0, задание которого также является частью задания
автомата. Следующее состояние зависит от Q0 и поступивших входных
сигналов X. В конечном счете, текущее состояние и выходы автомата зависят от
начального состояния и всех векторов X, поступавших на автомат в
предшествующих сменах входных сигналов. Таким образом, вся последовательность
входных сигналов определяет последовательность состояний и выходных сигналов.
Это объясняет название "последователъностные схемы", также применяемое
для обозначения АП.
Структурно АП отличаются от КЦ наличием в их схемах обратных связей,
вследствие чего в них проявляются свойства запоминания состояний (полезно
вспомнить схемы триггерных элементов, где указанная особенность проявляется
очень наглядно).
Автоматы с памятью в каноническом представлении разделяют на две части:
память и комбинационную цепь. На входы КЦ подаются входные сигналы и
сигналы состояния АП. На ее выходе вырабатываются выходные сигналы и сигналы
перевода АП в новое состояние.
Принципиальным является деление АП на асинхронные и синхронные.
В асинхронных (рис. 1, а) роль элементов памяти играют элементы
задержки, через которые сигналы состояния передаются на входы КЦ, чтобы
совместно с новым набором входных переменных определить следующую пару значений
Y и Q на выходе. Элементы АП переключаются здесь под непосредственным
воздействием изменений информационных сигналов. Скорость распространения
процесса переключений в цепях асинхронного автомата определяется собственными
задержками элементов.
В синхронном АП (рис. 1, б) имеются специальные синхросигналы
(тактирующие импульсы) С, которые разрешают элементам памяти прием данных
только в определенные моменты времени. Элементами памяти служат синхронные
триггеры. Процесс обработки информации упорядочивается во времени, и в течение
одного такта возможно распространение процесса переключения только в строго
определенных пределах тракта обработки информации.
Рис. 1. Асинхронный (а) и синхронный (б) автоматы с памятью
Практическое применение асинхронных автоматов существенно затруднено сильным
влиянием на их работу задержек сигналов в цепях АП, создающих статические и
динамические риски, гонки элементов памяти (неодновременность срабатывания
ЭП даже при одновременной подаче на них входных сигналов) и др. В итоге
характерным свойством асинхронного автомата является то, что при переходе из
одного устойчивого состояния в другое он обычно проходит через промежуточные
нестабильные состояния. Нельзя сказать, что методы борьбы с нежелательными
последствиями рисков и гонок в асинхронных АП отсутствуют, но все же
обеспечение предсказуемого поведения АП — сложная проблема. В более или менее
сложных АП асинхронные схемы встречаются очень редко, а в простейших схемах
применяются. Примером могут служить асинхронные RS-триггеры.
В синхронных автоматах каждое состояние устойчиво и переходные временные
состояния не возникают. Концепция борьбы с последствиями рисков и гонок в
синхронных автоматах проста — прием информации в элементы памяти разрешается
только после завершения в схеме переходных процессов. Это обеспечивается
параметрами синхроимпульсов, задающих интервалы времени для завершения тех
или иных процессов. В сравнении с асинхронными, синхронные АП значительно
проще в проектировании.
На сегодняшний день и достаточно длительную перспективу основным путем
построения АП следует считать применение тактирования, т. е. синхронных
автоматов.
В работах отечественных и зарубежных ученых разрабатывается направление,
называемое проектированием самосинхронизирующихся устройств, в которых
тактовые импульсы следуют с переменной частотой, зависящей от длительности
реального переходного процесса в схеме. Однако перспективность этого
направления еще не вполне ясна.
В теории автоматов проводится их классификация по ряду признаков. Не вдаваясь в
подробности, отметим, что в схемотехнике преобладают автоматы Мура, выходы
которых являются функциями только состояния автомата. Для этого автомата Q
H = f(Q, X) и Y = φ(Q).
Зависимость выходов и от состояния автомата и от вектора входных переменных
свойственна автоматам Мили.
Некоторые функциональные узлы принадлежат к числу автономных автоматов,
которые не имеют информационных входов, и под действием тактовых сигналов
переходят из состояния в состояние по алгоритму, определяемому структурой
автомата.
В нашем случае, для формирования последовательности выходных сигналов Y
= {Z1, Z2} при соответствующей последовательности
входных сигналов (A, B, C)i, можно использовать автомат
с жесткой логикой и законом функционирования автомата Мили:
Qt+1 = f(Qt, ABCt);
Yt = φ(Qt, ABCt),
где: Q = {Q1, Q2, Q3, Qn} – множество состояний автомата; t = 0, 1, 2, 3, 4,.
I. Абстрактный синтез автомата.
1.1)
Интерфейс автомата (рис. 2).
1.2) Алфавит состояний автомата
| D4 | D3 | D2 | D1 | D0 | Q0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | Q1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | Q2 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | Q3 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | Q4 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | Q5 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | Q6 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | Q7 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | Q8 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | Q9 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | Q10 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | Q11 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | Q12 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | Q13 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | Q14 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | Q15 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | Q16 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
1.3) В соответствии с заданием и алфавитом состояний строим граф переходов
1.4) В соответствии с графом переходов и таблицей состояний строим
таблицу переходов
Q | C | B | A | (CBA) | Z1 | Z2 | Qн | | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 | | Q0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | Q1 | Q0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 7 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | Q5 | Q0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | Q9 | Q0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 5 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | Q13 | Q1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | Q2 | Q2 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 5 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | Q3 | Q3 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 4 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | Q4 | Q4 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 5 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | Q0/Z1 | Q5 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 5 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | Q6 | Q6 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 7 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | Q7 | Q7 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 3 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | Q8 | Q8 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 7 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | Q0/Z1 | Q9 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | Q10 | Q10 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 4 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | Q11 | Q11 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 5 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | Q12 | Q12 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 4 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | Q0/Z1 | Q13 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 4 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | Q14 | Q14 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | Q15 | Q15 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | Q16 | Q16 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | Q0/Z1 |
Чтобы не загромождать таблицу переходами в состояние Q0/Z2
, условимся, что при всех остальных комбинациях Q и CBA, не описанных в таблице,
переход будет осуществляться так:
Q | C | B | A | (CBA) | Z1 | Z2 | Qн | | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 | | Qx | x | x | x | x | x | все другие комбинации | x | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | Q0/Z2 |
Далее можно было бы выводить функции переходов, минимизировать, упрощать, опять
минимизировать. Но есть способ лучше – прошить все эти функции “как есть” в
ПЗУ, а в качестве элементов памяти использовать параллельный регистр с
двухступенчатыми D-триггерами. При этом состояние Q и сигналы CBA будут
являться адресом ПЗУ, а Z1, Z2 и Qн – данными,
которые необходимо записать по этому адресу. Во все же остальные адреса
необходимо записать 01000000.
II. Структурный синтез автомата.
2.1) Использование всех наборов исключает присутствие ложных
комбинаций в функциональной схеме.
2.2) Введение дополнительного синхронизирующего провода в интерфейс
автомата (рис № 2) позволяет использовать тактируемый регистр с
двухступенчатыми триггерами, которые, в свою очередь, предотвращают
возможные гонки в автомате.
2.3) На странице № 7 реализуем функциональную схему.
III. Набор элементов для физического синтеза.
В качестве элементной базы можно использовать регистры с разрядностью ≥
7 и асинхронным сбросом, ПЗУ с разрядностью адресов ≥ 8 и разрядностью
данных ≥ 7, например, соответственно, 74LS199 и 573РФ2.
Остается добавить, что работоспособность автомата была проверена в системе
проектирования электронных схем CircuitMaker Pro 6.0
IV. Литература.
1. Е.Угрюмов «Цифровая схемотехника», BHV 2000.
«12» апреля 2001г. _________________
Схема автомата
Цепочка R1C1 обеспечивает сброс регистра и приведение
автомата в исходное состояние при включении питания.
| |
|
|
