Каталог :: Цифровые устройства

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.
     
б)
а)
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

00000

Q1

00001

Q2

00010

Q3

00011

Q4

00100

Q5

00101

Q6

00110

Q7

00111

Q8

01000

Q9

01001

Q10

01010

Q11

01011

Q12

01100

Q13

01101

Q14

01110

Q15

01111

Q16

10000
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

0000000000000001

Q1

Q0

0000011170000101

Q5

Q0

0000000110001001

Q9

Q0

0000010150001101

Q13

Q1

0000100110000010

Q2

Q2

0001010150000011

Q3

Q3

0001110040000100

Q4

Q4

001001015

1

000000

Q0/Z1

Q5

0010110150000110

Q6

Q6

0011011170000111

Q7

Q7

0011101130001000

Q8

Q8

010001117

1

000000

Q0/Z1

Q9

0100100000001010

Q10

Q10

0101010040001011

Q11

Q11

0101110150001100

Q12

Q12

011001004

1

000000

Q0/Z1

Q13

0110110040001110

Q14

Q14

0111000000001111

Q15

Q15

0111100110010000

Q16

Q16

100000000

1

000000

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

xxxxxвсе другие комбинацииx0

1

00000

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.