11

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Классификация цифровых автоматов. Основные понятия

Процессор является примером цифрового автомата - устройства, осуществляющего прием, хранение и преобразование дискретной информации по некоторому алгоритму. Теорию автоматов подразделяют на абстрактную и структурную. Абстрактная теория изучает поведение автомата, отвлекаясь от структуры (т.е. способа его построения, схемной реализации).

Автомат под действием входных сигналов принимает состояние в соответствии с набором значений входных сигналов и выдаёт сигнал, зависящий от внутреннего состояния либо от внутреннего состояния и входных сигналов. Для хранения внутреннего состояния автомат должен иметь память; таким образом, автомат является устройством с памятью, т.е. устройством последовательного типа.

Не смотря на то что реальные автоматы могут иметь несколько входов и выходов, на каждом из которых в дискретные моменты времени (определяемые тактом работы) образуются сигналы, соответствующие логическому 0 и логической 1, в абстрактной теории удобно рассматривать автоматы с одним входом и одним выходом. Возможность такого рассмотрения заключается в следующем. Пусть число реальных входов равно двум. Так как на каждом входе может быть логической единице или логическому нулю, автомат оказывается под воздействием в каждый тактовый момент одного из четырёх сигналов: X1 = (0,0), X2 = (0,1), X3 = (1,0), X4 = (1,1), X1, X2, X3, X4 - отдельные значения переменной X.

Аналогично несколько реальных входов приводятся к одному выходу (рис 1.).

Рис. 1

Функционирование цифрового автомата происходит на трёх множествах:

1. множестве возможных входных сигналов X1, X2, …, Xn;

2. множестве внутренних состояний A0, A1, …, Ak;

3. множестве возможных выходных сигналов Y1, Y2, …,Ym.

Одно состояние является начальным состоянием (состояние A0), и перед началом работы автомат всегда устанавливается в это состояние.

Работа автомата определяется следующими функциями: функцией переходов f, которая определяет состояние автомата A (t+1) в момент времени t+1 в зависимости от состояния автомата A (t) и значения входного сигнала X (t) в момент времени t: A (t+1) = f (A (t); X (t)); функция выходов ц определяющей зависимость выходного сигнала автомата Y (t) от состояния автомата A (t) и выходного сигнала X (t): Y (t) =, (A (t)); X (t)). Автомат с такой функцией выходов называется автоматом Мили.

Другой тип автомата - автомат Мура. Особенностью автомата Мура в том, что в нем выходной сигнал зависит лишь от внутреннего строения A (t) и не зависит от входного сигнала. Функции переходов и выходов для него имеют вид A (t+1) = f (A (t); X (t)), Y (t) = ц (A (t)).

2. Способы построения процессорных устройств

2.1 Процессорное устройство со схемной логикой

Процессорное устройство осуществляет обработку данных и программное управление процессом обработки данных. Состоит из двух частей операционного и управляющего (рис.1).

Структурная схема процессорного устройства

Рис. 2

Xs+1 - КОП (Команда из ОЗУ)

XL -

Y1 - Yn - Сигналы управления микрооперациями.

Входы данных - операнды из ОЗУ.

Z1 - Zm - результат в ОЗУ, аккумулятор и СОЗУ.

В ОУ выполняются операции логические, арифметические. Оно содержит несколько регистров (РОН, признаков), сумматор.

Управляющее устройство координирует действия узлов ОУ путём выдачи микрокоманд (это “приказ" ЭВМ на исполнение операции. В ней указывается как источник так и приёмник информации, то есть совокупность одной или нескольких микрооперации в различных устройствах) состоящих из определённого числа сигналов исполнения микроопераций (это действие выполняемое в АЛУ). Каждая микрокоманда поступает в операционное устройство и исполняется там по сигналу синхронизации. В определённые тактовые периоды управляющее устройство формирует микрокоманды в состав которых могут входить от одной до нескольких микроопераций таким образом проектирование цифрового автомата должен формировать необходимую последовательность микрокоманд которая преобразуется в микропрограмму (это совокупность всех микрокоманд исполняемых по очереди).

Следовательно при реализации процессорного устройства со схемной логикой необходимо подобрать набор цифровых интегральных микросхем формирующих микропрограммы, они и образуют комбинационно логическую схему.

2.2 Процессорное устройство с программируемой логикой

В этом случае функционирование цифрового автомата обеспечивается записью в память (запоминающее устройство микрокоманд или управляющую память) всех микрокоманд микропрограммы.

Исполнение операций в операционном устройстве обеспечивается путём последовательной выборки микрокоманд из запоминающего устройства (рис. 3) то есть нужно указать её адрес.

Структурная схема процессорного устройства с программируемой логикой

Рис 3

Блок микропрограммного управления (БМУ) формирует адрес следующей микрокоманды с учётом признаков текущей микрокоманды.

2.3 Элементная база построения цифрового автомата

Цифровые микросхемы предназначены для обработки, преобразования в хранения цифровой информации. Выпускаются они сериями. Внутри каждой серии имеются объединённые по функциональному признаку группы устройств: логические элементы, триггеры счётчики и т.д. Чем шире функциональный состав серии, тем большими возможностями обладает цифровой автомат, выполненный на базе данной серии. Микросхемы, входящие в состав каждой серии, имеют единое конструктивно - технологическое исполнение, единое напряжение питания, одинаковые уровни сигналов логического 0 и логической 1. Всё это делает микросхемы данной серии совместимыми.

цифровой автомат процессорное устройство

Основой каждой серии цифровых микросхем является базовой логический элемент. Как правило, базовые логические элементы выполняют операции И-НЕ либо ИЛИ-НЕ.

В качестве элементной базы проектируемого цифровой автомат выбираем микросхемы серии К155 как наиболее функциональную и дешевую.

2.4 Структурная схема цифрового автомата

На основании заданного алгоритма (рис 4) и соображений изложенных в пункте 1.2.1 составляем структурную схему цифрового автомата (рис 5)

На блок схеме алгоритма проставляем состояния цифрового автомата. Ставлю состояния от A0 до A4 которые он принимает после исполнения каждой микрокоманды со своими микрооперациями Y1 - Y6. Символы X1, X2, X3 обозначают проверку условия.

Блок схема алгоритма работы цифрового автомата

Рис.4

Структурная схема цифрового автомата

Рис. 5

На структурной схеме, комбинационный узел формирует сигналы D1, D2, D3 для регистра состояний фиксирующего состояние цифрового автомата после исполнения микрокоманд. Регистр состояний выполнен на тёх JK - триггерах, с закороченными выходами J и K, в итоге получаем D триггер. Так же он формирует сигналы исполнения микроопераций от Y1 до Y6 в поступающие в операционное устройство. Сигнал с входа дешифратора состояний поступает в комбинационный узел который с учётом признаков X1, X2, X3 формируемых в операционном устройстве образует следующую микрокоманду.

3. Расчётная часть

3.1 Построение графа функционирования

Для удобства работы строим граф функционирования, который представляет из себя многоугольник с количеством вершин равным числу возможных состояний автомата. В вершинах записываются состояния цифрового автомата, стрелки соединяющие вершины показывают направление вычислительного процесса. Над стрелками в соответствии с блок - схемой алгоритма работы (рис.4) ставится тип перехода:

1) - безусловный,

2) X условный. Без инверсии если ДА (1) или с инверсией НЕТ (0). Затем через; записываются микрооперации обеспечивающий этот переход то есть микрокоманды.

Граф функционирования

Рис. 6

2.2 Кодирование состояний цифрового автомата