Управляющие автоматы с жесткой логикой.

Построение автомата Мура.Предположим, что микропрограмма некоторого операц. блока представ. на рис. в виде графа .Операционный блок отдаст возникновение х₁=1, затем производит выработку управ. сигналов у₁-у₆ в определенной последовательности, зависящей от значений сигнала х₂, х₃. В каждой команде представленной на графической схеме ставиться отдельной состояние автомата. Состояние автомата отличается управляющими функц. сигналами соответствующих микрокоманд. Условие перехода от микрокоманды к микрокоманды представл. в виде коньюкции входных сигналов, влияющих на переход, начало и конец микропрограммы отображается начальным состоянием U0 автомата Мура, при этом предполагается, что автомат явл. циклическим. Построение автомата Мили.Каждая дуга, выходящая из предыдущего представляет собой микрокоманду ( х и символ состояния автомата напротив). Условия перехода о микропрограмме с одной метки состояния в соседний задают ф-и перехода автомата. Эти условия записываются в виде коньюкции, так же как и для автомата Мура . Автомат Мили построен на микропрограмме, имеет число состояний меньше числа состояния автомата Мура.

Управляющие автоматы с программ. логикой.Они строятся на основе принципа программного управления; основными его блоками явл. блок микропрограммной памяти и блок формирования адресов микрокоманд. Блок микропрограммной памяти предназначен для хранения микропрограмм, в большинстве случаев строится на ПЗУ( постоян. запомин. устр-во).Микрокоманда- слова ПЗУ, запис. по определен. адресу и содержащая в общем случае опред. о микрооперациях которые должны выполняться в данном такте операц. устройства и инфор. об адресе след. микрокоманды.В МПА используют 2 основных способа формирования адреса следующей микрокоманды:1)естественный 2)принудительная адресация. В соответствии с этим различают МПА с естественной и принудительной адресацией микрокоманд.При естественной адрес следующей микрокоманды определяется адресом текущей микрокоманды с увеличением на 1,если микрокоманды следуют последовательно. Если естественный порядок следования микрокоманд должен быть нарушен,т.е. должна выполняться микрокоманда не с адресом А+1,А-адрес текущей микрокоманды,тогда в этом случае адрес следующей микрокоманды определяется либо безусловно,либо в зависимости от текущего значения. В связи с этим для организации естественной адресации используют микрокоманды 2х типов : операционные и управляющие. Для распознавания в коде микрокоманды отводится один разряд под признак типа микрокоманды.

Способы формирования управляющих сигналов.Управляющие автоматы с хранимой в памяти логикой различают по способу формирования управляющих функциональных сигналов. Используются : горизонтальное, вертикальное и смешанное. Горизонтальное микропрограммирование. Каждому разряду операционной части микрокоманды ставится в соответствие определённый управляющий функциональный сигнал (определённая микрооперация). При таком способе операционная часть микрокоманды содержит м разрядов, где м-число микроопераций. достоинствами такого способа является возможность одновременного выполнения в одном такте любого набора из м микроопераций и простота формирования функциональных сигналов. Недостаток – требуется большая длина микрокоманды, т.к. число функциональных сигналов в процессе может достигать нескольких сотен. Вертикальное микропрограммирование. При вертикальном – микрокомандная операция определяется состоянием 1 из разрядов микрокоманды двоичным кодом, содержащимся в операционной части микрокоманды. Достоинством данного способа является небольшая длина микрокоманды, но требуется сложные дешифраторы на большое число микроопераций. Наибольшее распространение в настоящее время имеет смешанное, в котором сочетается горизонтальное и вертикальное микропрограммирование.

Шифраторы, дешифраторы. Шифраторы -устр-ва, предназначенные для преобразования алфавитно-цифровой информации, поданной унитарным n-разрядным кодом, в эквивалентный двоичный m-разрядный код. В полном шифраторе число входов m однозначно связано с числом входов n как 2 ⁿ. В неполном шифраторе число входов n не соответствует числу всех возможных выходных комбинаций 2^m(n<2^m).Типы шифраторов: линейный(все ЛЭ присоединяются к одной общей шине(линии),используются для передачи информации в интерфейсных устр-вах, при сжатии информации, передаваемой с помощью малого числа линий связи); пирамидальные шифраторы(построенные по принципу использования однотипных, например, двухвходовых ЛЭ); приоритетный(выходной код всегда соответствует активному входу, который имеет наибольший номер набора, используются для цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразования). Дешифраторы-устр-ва,для распознавания числа, подданного позиционным n-разрядным кодом. Дешифраторы относятся к преобразователям кодов. Дешифратор m-n выполняет функцию преобразования двоичного кода в унитарный код «1 из m»,выполняет функцию, обратную шифратору. Каждому из m выходов полного дешифратора соответствует одна из 2ⁿ кодовых комбинации n-разрядного входного слова. В неполном дешифраторе есть некоторое число неиспользованных входных наборов. Схемы полного и неполного дешифраторов можно собрать по линейной или пирамидальной структуре. В случаях, когда необходимо создать дешифратор на большее число выходов на основе дешифраторов с меньшим числом выходов, используют принцип наращивания.

Преобразователи кодов.Их применяют для преобразования двоичных кодов в двоичный дополнительный, двоично-десятичный, коды знаков русского или латинского алфавита, коды чисел любой системы счисления и наоборот. Преобразователи кодов часто создают по схеме дешифратор-шифратор. Дешифратор преобразует входной код в некоторое десятичное число, а затем шифратор формирует выходной код.

Мультиплексоры, демультиплексоры. Мультиплексоры-универсальное логическое устройство, на основе которого создают различные комбинационные и последовательные схемы, имеют один выход(У₁) и более одного входа и осуществляющая коммутацию под действием управляющих сигналов одного из информационных входных сигналов на выход. Входы мультиплексора делятся на: информационные и адресующие. С помощью мультиплексора осуществляется временное разделение информации, поступающей по разным каналам. Часто используются для преобразования параллельного кода в последовательный, в делителях частоты, триггерных и сдвигающих устр-вах. Демультиплексор - комбинационная схема, выполняющая функцию, обратную функции мультиплексора, т.е. это комбинационная схема, имеющая один информационный вход, n информационных выходов и k управляющих входов. Демультиплексор часто используют для преобразования последовательного кода в параллельный.. В качестве демультиплексора используются дешифраторы-демультиплексоры.

Сумматоры, компораторы. Компораторы(устр-ва сравнения) определяют отношения между двумя словами. Основными отношениями,черз которые можно выразить остальные, это «=» и «>».Компораторы принимают единичное значение(истины), если соблюдается условие указанное в индексе обозначения функции. Цифровые компораторы применяются для выявления нужного числа(слова) в цифровых последовательностях, для выполнения условных переходов в вычислительных устройствах, а также в адресных селекторах. Сумматоры- операционный элемент ЭВМ, представляющий собой схему, выполняющую арифметическое сложение и вычитание цифровых кодов двух чисел. По способу организации: комбинационные и накапливающие. По способу обработки: последовательные, параллельные и параллельно-последовательные . Последовательные сумматоры строятся на основе одноразрядных сумматоров и применяются для сложения последовательных кодов чисел. Параллельный n-разрядный сумматор строят из n одноразрядных сумматоров по каскадному принципу. Часто параллельные и последовательные сумматоры строятся на основе комбинационного одноразрядного сумматора, состоящего из полусумматора. Полусумматор -устр-во, имеющее 2 входа и 2 выхода, предназначенный для выполнения арифметических действий.

Арифметико-логическое устройство. Арифметико-логические устр-ва выполняют над словами ряд действий. Основой АЛУ служит сумматор, схема которого дополнена логикой, расширяющей функциональные возможности АЛУ и обеспечивающей его перестройку с одной операции на другую. Обычно АЛУ четырехразрядные и для наращивания разрядности объединяются с формированием последовательных или параллельных переносов. Логические возможности АЛУ разных технологий сходны. Выполнят АЛУ 16 логических и 16 арифметико-логических операций. Структура АЛУ может быть блочной и многофункциональной. В блочном АЛУ содержится набор устр-в для выполнения отдельных видов операций или операций над определенными видами операндов. В многофункциональном АЛУ все операции над любыми числами выполняются в одном устр-ве.

Триггеры.Триггеры-это последовательные цифровые схемы осуществ. последовательное во времени преобразование двоичной информации. Для этого необходима организация хранения исходных данных промежуточных и окончательных результатов на запоминающих элементах. Временное хранение данных необходимо для ожидания разновременно поступающих сигналов. ЦА с памятью состоят из комбинационных схем и элементов памяти(запомин. элементов). Классификация триггеров.Классификация по трем признакам: 1. Логика функционирования(двухходовые, универсальные); 2. Способ записи информации(асинхронные, синхронные); 3. Тип запоминающего устройства(статические, динамические, комбинир. статические и динамические).

Триггеры имеют следующие информационные входы: S-установка триггера в «1», R-установка триггера в «0», T-вход триггера с расчетным входом, D-спец. Вход для триггера, I-вход для синхронизации устройства в состояние «1», K-вход для синхрониз. устр-ва в сост. «0».

«Гонки», риски сбоя.В реальных цифровых устройствах необходимо учитывать,что каждый логический элемент или узел комбинационной схемы имеет собствен. Задержку сигнала, а значит на выходах схемы-сигналы будут появл. При одновременном появлении нескольких сигналов на входе комбинационных схем,на выходе устр-ва сигналы могут появиться не одновременно,это явление наз-ся «гонка». В результате появл. Сигналов на выходе комб. Схемы может привести к изменению состояния послез. логическогого элемента, который наверно зафиксирует новое состояние. В зависимости от ситуации комб. Схемы способ. возникновению гонок,возможны статические и динамические риски сбоя комбин. Схем. Для защиты от гонок,используются например синхрон. Триггерного устр-ва, введение задержки на основе применения двоичных триггеров и т.д. У элементов для запоминания двоичной информации должно быть 3 режима работы,это запись, хранение, выдача информации.В режиме хранения запомин. элементы находятся в одном из двух состояний 0» и «1».В режиме записи аналогично. Режим выдачи обычно не организован, как правило запоминающие элементы имеют два постоян. действит. Выхода t0(фикс. «0» состояние) и единичный(фиксир. «1» состояние).

MS-Триггеры.Триггеры RS типа относятся к классу одноступенчатых триггеров и содердат только одну запоминающую схему как только на входе одноступ. триггера измениться установочная комбинация,на выходах немедленно изменяться выходные уровни,что считается недостатком. Например, в частности одноступенч. триггеры нельзя непосредственно использовать в сдвигающих регистрах и других устр-вах, во всех подобного рода схемах непольз. двухступенчатые триггеры содержат не менее 2 запомин. схем.Такие триггеры называются MS-триггерами. Если на синхр. входе С=1 ведущий триггер устанавливается в состояние соответств. сигналам поступающим на инф. входы R,S. Ведомый триггер имеющий инверсный синхронный вход не восприимчев к информации поступающих на его вход с выхода ведущего триггера и он будет наход. в состояние которое ранее было установлено. При изменении 1 в 0 вед. триггер отключ. от информ. входов, то есть перестает реагировать на значение сигналов. Ведомый триггер устанавл. в состояние в котором находился до этого ведущий. С этого момента на выходах устанавливается значение соответств. входным сигналам.

СЧЕТЧИКИ.Последостные цифровые устройства предназначенные для подсчета числа входных сигналов, функция этого числа в виде многоразрядного двоичного числа хранящегося в триггерах.Счетчики преобразование чистоимпульсного входа двоичной и двоично-десятичной кодов. Для счета и выдачи результата в счетчиках имеется 1 вход и n-выходов в зависимости от кол-ва разрядов . Под действием входных сигналов, счетчик устанавл. в определ. Состояние и оно сохраняется до тех пор пока на вход не поступает след. сигнал. По назначению бывают: суммирующие(вычитающие) и реверсивные. Сумирующий счетчик предназначен для выполнения счета в прямом направлении то есть для слож. Вход. Сигналов Вычитаемый предназначен для выполнения счета единичн. сигналов в режиме вычитания.Реверсные счетчики-обратное вычисление,и работают в режиме сложения и вычисления. Режимы работы счетчика: регистрация числа поступивших на счетчик сигналов, деление частоты.

Регистры.Регистры-самые распространенныеузлы цифровых устройств. Они оперируют с множеством связанных переменных, составляющих слово. Над словами выполняется ряд операций: прием, выдача, хранение, сдвиг в разрядной сетке, поразрядные логические операции. По кол-ву линий передачи регистры делятся на однофазные и парафазные, по системе синхронизации на однотактные, двухтактные и многотактные. По способу приема и выдачи данных. По этому признаку различают параллельные(статические, в них прием и выдача происходит по всем разрядам одновременно) регистры, последовательные(сдвигающие, в них слова принимаются и выдаются разряд за разрядом) и параллельно-последовательные(имеют входы-выходы одновременно последовательного и параллельного типа).

Вспомагателные элементы цифровых устр-в, узлов.К вспомагательным элементам условно относятся элементы не выполняющие логические операции или запоминание данных. К ним относится: элементы задержки, элементы формирования, генерации импульсных сигналов, элементы визуальной индикации. Элементы задержки.Задержка цифровых сигналов требуется для временного согласования, распространения сигналов по различным путям цифрового устройства в целях борьбы с временными состязаниями ,нарушающими работу автомата с памятью. Самыми распространенными элем. задержки являются цепи логическ. элементов и RC-цепи. В первом случае используется естествен. инерционность ЛЭ. При составлении из нескольких ЛЭ. последов. цепочки можно суммировать задержки отдельных элементов однако точность задержки не высока. Задержку на большее время можно получить RC-цепочкой τ=RC*ln2-время задержки.

Формир. импульсов по длительности.1.Расширение; 2.Сужение; 3.Стандартизация по длительности.

Генераторы импульсов.На элементах задержки и ЛЭ строятся генераторы импульсных последовательностей. При нулевом значении сигнала управл. на выходе ЛЭ 2и-не будет логическая единица которая через обратную связь будет задержана на td , т.е. в исходном состоянии первый вход 2и-не находится в состоянии логической 1 .изменение управляющего сигнала является командой для начала работы генератора. Появление 1 на входе управляющем приводит к совпадению единиц на обоих входах 2и-не в результате схема 2и-не переходит в нулевое состояние которое длится td после чего ноль выхода схемы по обратной связи пройдёт на верхний вход 2и-не приведет его в единичное состояние. На ЛЭ и элементах задержки строят генератор . для устройств где не предъявляются жесткие требования по стабильности импульсной частоты такие генераторы подойдут. Элементы индикации. Для визуальной индикации символьных данных используются элементы индикации сложные-экранный дисплей так и простые светодиодные. Преобразователь електрических сигналов в видмое изображение основывается на различных физических явлениях. Из нескольких светодиодов составляются индикаторы и матрицы. Наболее широко используются сегментные индикаторы. Принципы аналого-цифрового преобразования. В большинстве случаев получаемые непосредственно от источников информации сигналов представл. В форме непрерывно изменённого значения тока или напряжения. Для передачи могут быть использованы 2 формы:аналоговая или цифровая. Аналоговая форма предусматривает оперирование всеми значениями сигналов. Цифровая форма – отдельными его значениями предтавленная в форме кодовых операций. Преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую выполняется в устройстве – аналого-цифровом преобразователе(АЦП) . в АЦП происходит следующие процессы: 1)дискретизация-непрерывность сигналов. Она заключается в том,что из непрерывного во времени сигнала выбирается отдельное его значение для соответствующего момента времени через определенный интервал Т. Интервал Т называется тактовым интервалом времени или дискретизации. 2)квантование. В результате квантования образуется сетка сдвинутых уровней квантования на величину дельта(шаг квантования) 3)кодирование. Каждому уровню квантования приписывается порядковый номер после чего выполняется кодирование в результате котрого последовательность представляется 2ным кодом.

Программируемые логические матрицы(ПЛМ). Основой GVK служит последовательность программируемых матриц элементов «и» «или». Программирование ПЛМ осуществляется с помощью спец.программаторов. В общем случае программируемые логические матрицы (ПЛМ) представляют собой логическую схему для преобразования комбинаций Х=х₁,х₂…х_n входного двоичного кода в соответствующие комбинации Y=y₁,y₂…y_m выходного двоичного кода. Правило преобразования кодов задается обычно таблицей истинности. Разряды выходного кода y₁,y₂…y_m могут рассматриваться как система булевых функций от двоичных переменных х₁,х₂…х_n. Программируемая логическая матрица реализует систему булевых функций, представленных в минимальной дизъюнктивной нормальной форме. Программируемая логическая матрица (ПЛМ), прежде всего, предназначена для реализации функций сопряжения с другими цифровыми компонентами и позволяет обойтись без дополнительных логических микросхем. ПЛМ состоит из двух независимых блоков по 8 элементов. Эти два блока могут тактироваться от разных источников тактовых импульсов, а все логические элементы в блоке тактируются от одного источника.Современные и перспективные СБИС со сложными программируемыми и репрограммируемыми структурами.в настоящее время одной из разновидностей таких схем является программируемые логические интегральные схемы(ПЛИС). Они образованы из вентельных элементов(2и-не)