">
Прикладные науки Технология
Информация о работе

Тема: синтез цифрового автомата

Описание: Основные понятия о цифровом автомате. Синтез. Алгоритм функционирования. Определение состояний. Кодирование. Построение графа. Описание триггера. Таблица. Запись логических выражений. Построение схемы. Микросхемы. Резистор. Разъёмы. Описание работы.
Предмет: Прикладные науки.
Дисциплина: Технология.
Тип: Курсовая работа
Дата: 31.08.2012 г.
Язык: Русский
Скачиваний: 30
Поднять уникальность

Похожие работы:

КУРСОВАЯ РАБОТА

НА ТЕМУ

СИНТЕЗ ЦИФРОВОГО АВТОМАТА      Обозначение документа

Учебная дисциплина Вычислительная техника     Студент   группа подпись дата И.О.Ф. Преподаватель   подпись дата И.О.Ф.

Содержание

Введение3

1 Основные понятия о цифровом автомате4

2 Синтез цифрового автомата6

2.1 Алгоритм функционирования6

2.2 Определение состояний6

2.3 Кодирование состояний8

2.4 Построение графа 8

2.5 Описание триггера9

2.6 Таблица функционирования 10

2.7 Запись логических выражений для комбинационной части схемы11

2.8 Построение схемы цифрового автомата15

2.9 Описание работы схемы на переходе19

Заключение20

Список использованных источников21

Введение

В любой сфере человеческой деятельности – в науке, технике, производстве – методы и средства вычислительной техники направлены на повышение производительности труда. В настоящее время на практике широко применяется цифровая вычислительная техника и микропроцессорные системы. Они используются для автоматизирования управления технологическими процессами, включая автоматизированные контроль и диагностику технических средств, а также для автоматизированного проектирования научных исследований и административно – организационного управления.

Главной составляющей любой цифровой вычислительной машины является процессор или микропроцессор. Он осуществляет непосредственно обработку данных и программное управление процессом обработки данных. Он синтезируется в виде соединения двух устройств: операционного и управляющего. Операционное устройство – устройство, в котором выполняются операции, а управляющее устройство – это устройство, которое управляет процессом выполнения операции. В силу того, что управляющее устройство определяет микропрограмму, т. е. какие и в какой временной последовательности должны выполняться микрооперации, оно получило название микропрограммного автомата.

Цифровые автоматы могут быть построены по принципу программируемой (гибкой, записанной) логики. В этом случае в запоминающее устройство (ЗУ) записываются все требуемые кодовые комбинации и с помощью специального устройства (например, БМУ – блока микропрограммного управления) содержимое ячеек памяти считывается в определенной последовательности. Для изменения порядка функционирования управляющего автомата с программируемой логикой достаточно заменить содержимое памяти.

Цифровые аппараты, построенные по принципу жесткой (схемной) логики могут быть реализованы на микросхемах с малой степенью интеграции: триггеры, регистры, счетчики, дешифраторы и др. Порядок функционирования автомата задается путем соединения между собой логических элементов заданного базиса.

Цифровой автомат задается с помощью алгоритма, по которому строится граф автомата, таблица функционирования, записываются выражения комбинационной части схемы, и строится схема цифрового автомата, производится подбор триггеров и дешифратора.

В данной курсовой работе необходимо спроектировать цифровой автомат по заданным параметрам: начальному состоянию автомата, серии микросхем, типу триггеров, алгоритму функционирования с указанием входных и выходных сигналов.

1 Основные понятия о цифровом автомате

Цифровые автоматы – это логические устройства, в которых помимо логических элементов имеются ещё и элементы памяти. Значение выходных сигналов такого устройства зависит не только от аргументов на входе в данный момент времени, но и от предыдущего состояния автомата, которое фиксируется элементами памяти. В качестве элементов памяти могут быть использованы триггеры. Каждое внутреннее состояние цифрового автомата определяется исходным состоянием триггеров и последовательностью входных сигналов, действующих на входе в данный момент времени. Поэтому такие устройства называются последовательностными схемами. К последовательностным схемам можно отнести: регистры, триггеры, счётчики. В общем случае структурная схема цифрового автомата может быть представлена в виде набора трёх узлов: комбинационной схемы формирования выходных сигналов, памяти и комбинационной схемы формирования сигналов управления триггерами. Структурная схема цифрового автомата приведена на рисунке 1.



Рисунок 1 – Управляющее устройство со схемной логикой

На вход комбинационной схемы управления триггерами поступают комбинации входных сигналов х1, х2, …хk, комбинации сигналов, отражающих состояние элементов памяти Q1, Q2,… Qm. С учётом этих множеств комбинационная схема формирует серии сигналов, управляющих состояниями триггеров. Кодовые комбинации из состояния триггеров образуют внутреннее состояние цифрового автомата, которые принято обозначать буквой «а».

Комбинационная схема формирования выходных сигналов формирует сигналы у1, у2,…уp. Они могут использоваться для управления какими – либо узлами, для активизации процессов в других схемах. Эти сигналы могут зависеть только от внутренних состояний: в этом случае устройство принято называть автоматом Мура. А если выходные сигналы зависят и от входных сигналов х1, х2,…хk, то - автоматом Мили.

Следовательно, для задания цифрового автомата необходимы три множества:

- множество входных сигналов: х1,х2,…хk;

- множество выходных сигналов: у1, у2,…уp;

- множество внутренних состояний: а1, а2,…аz.

На вышеуказанных трёх множествах задают две функции: функцию переходов и функцию выходов. Для автомата Мили эти функции имеют вид:

a(t+1)=f(a(t),(x(t)),(1)

y(t)=v(a(t),x(t)), (2)

где a(t+1) – новое состояние цифрового автомата;

a(t) – предыдущее состояние автомата;

y(t) – выходные сигналы текущего времени;

x(t) – сигналы на входе в данный момент времени.

Для автомата Мура:

a(t+1)=f(a(t),x(t)),(3)

y(t)=v(a(t)).(4)

Последовательность действий автомата по формированию выходных сигналов и сигналов управления триггерами с учётом входных сигналов может быть задана с помощью алгоритма. Алгоритм является формализованным представлением задачи по построению цифрового устройства, а задавать цифровой автомат принято с помощью графа. Граф – это конечное множество узлов вместе с множеством дуг, которые соединяют пары различных узлов. Граф представляется в наглядной форме, при которой вершины изображаются точками или кругами, а ветви изображаются линиями, соединяющими соответствующие узлы. Существуют два типа графа: если каждой дуге приписано направление, то граф ориентированный, а если направления не указаны, то граф неориентированный. Следовательно, графы используются для математического моделирования разнообразных систем и структур.

2 Синтез цифрового автомата

2.1 Алгоритм функционирования цифрового автомата

В данной работе задание уже формализовано и представлено в виде алгоритма. Алгоритм – это представление последовательности действий автомата по формированию выходных сигналов и сигналов управления памятью с учетом входных сигналов. Алгоритм представляет собой пошаговую процедуру решения конкретной задачи, состоящую из основных блоков: ПУСК, ОСТАНОВ, РЕШЕНИЕ и ПРОЦЕСС. Блоки ПУСК и ОСТАНОВ соответствуют началу и концу выполнения алгоритма, обоим блокам соответствует начальное состояние цифрового автомата, в данном случае начальное состояние задано – a1. Блок РЕШЕНИЕ указывает, какой входной сигнал (признак) определяет условие перехода. В блоке ПРОЦЕСС указываются выходные сигналы, которые должны быть сформированы при работе схемы цифрового автомата на данном переходе.

После анализа алгоритма данного задания можно сделать вывод: в процессе работы автомат должен сформировать семь выходных сигналов: у1...у7, также на работу цифрового автомата могут оказывать действие и шесть входных признака х1...х6.

2.2 Определение состояний

Переходим к определениям состояний цифрового автомата. Состояние автомата должно фиксироваться после каждого перехода. Для определения состояний устройства производится разметка схемы алгоритма по следующим правилам:

-исходное состояние соответствует заданию;

-исходное и конечное состояние принимается за одно;

-каждое следующее состояние выбирается в порядке возрастания перед блоком ПРОЦЕСС;

-перед каждым блоком РЕШЕНИЕ и после каждой линии примыкания (на алгоритме каждое состояние обозначается крестиком или точкой).

Алгоритм функционирования цифрового автомата показан на рисунке 2.



Рисунок 2 – Алгоритм функционирования цифрового автомата

2.3 Кодирование состояний

В процессе кодирования состояний каждому состоянию устройства должна быть поставлена в соответствие некоторая кодовая комбинация. Число разрядов кода выбирается из следующих соображений: если число состояний равно М, то для обеспечения М кодовых комбинаций требуется k–разрядный код, где k–минимальное целое число, при котором выполняется неравенство М ? 2k.

В нашем случае М=13 и k=4. Таким образом, состояния устройства отображаются четырёхразрядными кодовыми комбинациями. Удобнее взять двоичный код 8-4-2-1. Кодирование состояний приведено в таблице 1.

Таблица 1 – Кодирование состояний Состояние

автомата Двоичный код  а Q4 Q3 Q2 Q1  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  а10 1 0 1 0  а11 1 0 1 1  а12 1 1 0 0  а13 1 1 0 1  

2.4 Построение графа

Для задания цифрового аппарата удобно использовать граф, и перейдем к его построению. Состояние устройства в графе будет соответствовать вершинам (узлам графа), - обозначено кружками и внутри проставлены буквенные обозначения состояния. Узлы соединяются дугами, которые показывают направления перехода. На дугах записывается условия перехода, под действием которого он имеет место, и выходные сигналы, которые при этом должны быть сформированы. Так как переключение триггеров происходит по срезу синхронизирующего сигнала, будем считать, что до наступления следующего активного уровня изменение входных сигналов не происходит, а, следовательно, и значение выходных сигналов у1,… уn. не изменяется.

Граф строится на основе алгоритма, он читается так: автомат находится в исходном состоянии а1, затем под действием внешнего события х2 = 0 он изменяет свое состояние на а0, при этом переходе должны быть сформирован выходной сигнал у2. Аналогично следует читать и весь граф. Граф переходов автомата приведен на рисунке 3.



Рисунок 3 – Граф переходов цифрового автомата

2.5 Описание триггера

После кодирования состояний следует выбор триггеров для построения регистра состояний. Число триггеров для построения регистра состояний должно быть равно числу разрядов в кодовой комбинации состояния.

В данном проекте при построении схемы должны использовать JK-триггер ТВ9 серии К155.

Рисунок 4 – JK-триггер ТВ9 микросхемы К155

В дальнейшем для заполнения таблицы функционирования цифрового автомата понадобится таблица переходов триггера.

Таблица 2 – Таблица переходов JK-триггеров Переход J K   0 -   1 -   - 1   - 0  

2.6 Таблица функционирования

Таблица функционирования содержит графы, в которые заносятся данные текущего и следующего состояния, которое должно перейти устройство, условие перехода, сигнал управления триггерами и входные сигналы.

Предлагаемая таблица позволяет записать функции для любого числа переменных. Затем их следует внимательно проанализировать с целью возможного упрощения (минимизации). Заполняется таблица 3 по графу переходов автомата.

Заполнение таблицы производится следующим образом. Из состояния a1 в состояние а0. При этом переходе должны сформироваться выходные сигналы y2 (столбец “выходные сигналы”) под действием признака х2=0. Вторая строка заполняется как: из состояния а0 в состояние а2. При этом переходе формируются выходные сигналы y1,y5 (столбец “выходные сигналы”) под действием признака х2=1. Следующая строка: из а1 в а2, под действием признака х3=1. Затем переходим к заполнению столбцов «Сигналы управления триггерами». Для этого понадобятся таблица 2 - таблица переходов JK-триггера и таблица 1 - кодирование состояний цифрового автомата. Сравниваем исходное состояние триггеров с их новым и определяем тип перехода. Далее по таблице 2 находим значение сигналов и записываем их в столбцы «Сигналы управления триггерами». В первой строке триггер Т4:сравнивая столбцы исходного состояния Q4=0, с новым состоянием Q4=0 по таблице 2 находим, что надо подать сигнал управления J4=0, а K4= -. Аналогично заполняется триггеры T3,T2,T1 используя таблицу 2. Выполнив сравнение по каждой строке для четвертого триггера, переходим к заполнению столбцов для других триггеров.

После заполнения таблицы 3 переходим к записи логических выражений.

2.7 Запись логических выражений

По таблице функционирования переходим к записи логических выражений. Например, выходной сигнал у1 должен быть сформирован, если автомат находится в состоянии а2 признак x4 = 1 или в состоянии а2 признак x4 = 0 или в состоянии а6 или в состоянии а8. Это выражение в виде логической функции имеет вид:

 (2)

Аналогично записываются функции для выходных сигналов у2, у3, у4, у5, у6, у7:

. (3)

. (4)

. (5)

, (6)

, (7)

. (8)

Следующими записываются функции для комбинационной части схемы формирования сигналов управления триггерами:

Таблица 3 - Таблица функционирования цифрового автомата

Состояние автомата Условие перехода Сигналы управления триггерами Выходные сигналы  исходное новое  T4 T3 T2 T1   a Q4 Q3 Q2 Q1 a Q4 Q3 Q2 Q1 х1 х2 х3 х4 x5 x6 J4 K4 J3 K3 J2 K2 J1 K1 у1 у2 у3 у4 у5 у6 у7  1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31  а1 0 0 0 1 а0 0 0 0 0 - 1 - - - - 0 - 0 - 0 - - 1 1 0 0 0 0 0 0  а1 0 0 0 1 а9 1 0 0 1 - 0 - - - - 1 - 0 - 0 - - 0 1 0 0 0 0 0 0  а0 0 0 0 0 а2 0 0 1 0 - - - - - - 0 - 0 - 1 - 0 - 1 0 1 0 0 0 0  а2 0 0 1 0 а4 0 1 0 0 - - - - - - 0 - 1 - - 1 0 - 1 0 0 1 0 1 0  а4 0 1 0 0 а5 0 1 0 1 - - - - - - 0 - - 0 0 - 1 - 1 0 0 1 1 0 0  а5 0 1 0 1 а6 0 1 1 0 - - - - - - 0 - - 0 1 - - 1 0 0 1 0 0 1 0  а6 0 1 1 0 а7 0 1 1 1 - - - - - - 0 - - 0 - 0 1 - 0 0 1 1 0 0 0  а7 0 1 1 1 а8 1 0 0 0 - - - - - 0 1 - - 1 - 1 - 1 1 0 0 0 0 1 0  а7 0 1 1 1 а1 0 0 0 1 - - - - - 1 0 - - 1 - 1 - 0 0 0 1 0 0 1 0  а8 1 0 0 0 а1 0 0 0 1 - - - 1 - - - 1 0 - 0 - 1 - 1 0 0 1 0 0 1   Продолжение таблицы 3 Состояние автомата Условие перехода Сигналы управления триггерами Выходные сигналы  исходное Новое  T4 T3 T2 T1   a Q4 Q3 Q2 Q1 a Q4 Q3 Q2 Q1 х1 х2 х3 х4 x5 x6 J4 K4 J3 K3 J2 K2 J1 K1 у1 у2 у3 у4 у5 у6 у7  1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31  а8 1 0 0 0 а2 0 0 1 0 - - - 0 - - - 1 0 - 1 - 0 - 0 0 0 0 0 0 0  а9 1 0 0 1 а10 1 0 1 0 - - 1 - - - - 0 0 - 1 - - 1 1 0 1 0 0 1 0  а9 1 0 0 1 а11 1 0 1 1 - - 0 - - - - 0 0 - 1 - - 0 0 0 0 0 0 0 0  а10 1 0 1 0 а3 0 0 1 1 - - - - - - - 1 0 - - 0 1 - 1 1 0 0 1 0 1  а11 1 0 1 1 а12 1 1 0 0 - - - - 1 - - 0 1 - - 1 - 1 1 0 1 0 0 0 0  а11 1 0 1 1 а13 1 1 0 1 - - - - 0 - - 0 1 - - 1 - 0 0 0 0 0 0 0 0  а13 1 1 0 1 а6 0 1 1 0 - - - - - - - 1 - 0 1 - - 1 1 0 1 0 0 0 1  а3 0 0 1 1 а12 1 1 0 0 0 - - - - - 1 - 1 - - 1 - 1 0 0 0 0 0 0 0  а3 0 0 1 1 а4 0 1 0 0 1 - - - - - 0 - 1 - - 1 - 1 0 0 0 0 0 0 0  а12 1 1 0 0 а12 1 1 0 0 - - - - - - - 0 - 0 0 - 0 - 1 1 0 0 1 0 0  

, (9)

, (10)

, (11)

, (12)

, (13)

, (14)

, (15)

 . (16)

Далее все логические функции требуют преобразований под заданный базис И - НЕ, т.е. преобразование по формуле де Моргана для этого следует дважды проинвертировать полученные выражения.

, (17)

, (18)

, (19)

, (20)

, (21)

, (22)

, (23)

, (24)

, (25)

, (26)

, (27)

, (28)

 (29)

, (30)

. (31)

В результате после преобразований запишем конечный вид выражений:

, (32)

, (33)

, (34)

, (35)

, (36)

, (37)

, (38)

, (39)

, (40)

, (41)

, (42)

, (43)

, (44)

, (45)

. (46)

2.8 Построение схемы цифрового автомата

После записи функций переходим непосредственно к построению самой схемы цифрового автомата приведенной на рисунке 5.

По полученным выражениям строится логическая схема комбинационного узла в базисе И-НЕ, т.е. на элементах Шеффера. Входящие в выражения значения от a0 до a13, определяемые комбинацией значений Q4, Q3, Q2, Q1, могут быть получены с помощью дешифратора DC. Остальная часть схемы строится в соответствии с полученными для выходных величин логическими выражениями. Для построения использованы элементы: 2И-НЕ, 3И-НЕ, 4И-НЕ, 8И-НЕ, входящие в состав микросхемы серии K155.

Дешифратор понадобится в схеме для преобразования кодовых комбинаций состояний триггеров в одиночный управляющий сигнал, который будет соответствовать состоянию автомата. В данной схеме используется дешифратор ИД3 серии К155. Эта интегральная схема D1 представляет собой дешифратор с четырьмя адресными информационными входами. Он имеет 16 выходов. С выхода дешифратора в комбинационную схему снимаются состояния цифрового автомата. Так как выходы дешифратора инверсные, то при необходимости ставятся инверторы.

Также в схеме необходимо четыре триггера, так как число триггеров для построения регистра состояний равно разрядности кодовой комбинации состояния. В данной схеме используются триггеры К155ТВ9.

При построении схемы необходимо учитывать начальное состояние автомата. В начальное состояние автомат переходит при появлении низкого уровня напряжения предварительной установки триггеров. По заданию начальное состояние – a0. Это говорит о том, что при появлении нуля на разъёме начальной установки регистр состояний должен переключиться в состояние a0 независимо от того, что необходимо ноль подать на вход R – предварительной установки триггеров T4, T3, Т2 и на вход S триггера T1.

Зона Поз. Обозначен Наименование Кол. Примечание          Микросхемы          1 D1  K155ИД3 1   2 D2 - D7  K155ЛА3 6   3 D8  K155ЛА1 1   4 D9  K155ЛА4 1   5 D10  K155ЛА1 1   6 D11 - D14  K155ЛА2 4   7 D15  K155ЛА3 1   8 D16, D17  К155ТВ9 2                 Резистор          9 R1  МЛТ - 0,5 – 1 кОм 5% 1           Разъёмы          10 Х1  Входной разъём 1   11 Х2  Выходной разъём 1                      К407. 11 КР 01. 004 ПЭ3         Из Лист Ф.И.О Подп. Дата   Составил    Автомат цифровой.

Перечень элементов Лит. Лист

Листов  Проверил       у 18 1  Принял     АКТ (ф) СПбГУТ,

С-91           

     2.9 Описание работы схемы на переходе

После построения схемы приступим к проверке работы цифрового автомата на переходе. По заданию преподавателя это переход из а7 в а1. При описании работы автомата логические уровни на схеме на входах и выходах элементов должны указываться любым цветом, кроме черного и красного.

При проверке схемы на переходе а7 > а1 необходимо, чтобы на входы дешифратора поступила кодовая комбинация, соответствующая состоянию а7, с выходов триггеров на входы дешифратора. Дешифратор выдаст на выходе а7 логический 0, а на остальных выходах будет состояние логической единицы.

В качестве примера разберём, что будет на входе D16. На выходе значение х6=1, инвертируем его и при умножении на а7 всё выражение равно 0. Далее этот ноль поступает на элемент D12, так как на этот элемент поступил хотя бы один ноль – на выходе будет логическая единица, это значение соответствует значению у3. Исходя из таблицы функционирования (таблица 3), значение у3=1, что говорит о том, что на данном переходе значение правильное. Таким образом, проверяются все значения выходных сигналов y1, у2, у4, у5, у6, у7 и значения сигналов управления триггерами К1, J1, К2, J2, K3, J3, K4, J4. Если значения на выходе этих сигналов совпадут со значениями таблицы функционирования на переходе из а2 в а4, то из этого следует, что схема составлена правильно, а если не совпадут, то необходимо проверить правильность её построения, иначе схема будет работать неправильно. Сигналы у1=0, у2=0, у4=0, у5=0, у6=1 и у7=0. Это соответствует значениям в таблице 3 на данном переходе. Следующими проверим выходное значение сигналов управления триггерами: К1 = 0, J1= 0, К2= 1, J2= 0, K3= 1, J3= 0, K4= 0, J4= 0. Все значения выходных сигналов верны, значит, схема построена правильно.

Проверка схемы на переходе является важным и заключительным этапом в построении цифрового автомата.

Заключение

В ходе курсовой работы был выполнен расчет и построена схема цифрового автомата по принципу схемной логики. Построенный цифровой автомат реализует последовательность цифровых кодов и выдачу управляющих сигналов. Данное устройство может применяться в управляющих системах обработки информации и в системах управления, каким – либо технологическим процессом.

После построения схемы цифрового автомата следовала проверка её работы на переходе, заданном преподавателем. Проделав проверку схемы можно сделать вывод, что построенная схема работает правильно. Так как переход из одного состояния в другое под действием внешнего признака, необходим для осуществления данного перехода, сопровождается формированием сигналов управления триггерами на заданном переходе происходит формирование именно тех сигналов, которые необходимо для того, чтобы регистр состояний, построенный на триггерах, сформировал кодовую комбинацию состояния, в которое должен перейти автомат при подаче следующего тактирующего импульса.

В ходе работы были также закреплены теоретические знания и приобретены практические навыки по расчету и построению схемы цифрового автомата при заданном алгоритме функционирования.

Список использованных источников

Аванесян, Г.Р., Левшин, В.П. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ: Справочник. – Москва: Машиностроение, 1993.

Калабеков, Б.А., Мамзелев, И.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы. – Москва: Радио и связь, 1987.

Цыбаков, Б.В. Вычислительная техника: Методические указания к курсовой работе. АКТ (филиал) СПбГУТ. – Архангельск, 2000.