Учебное пособие: Синтез конечного автомата для устройства управления ЭВМ
Учебное пособие: Синтез конечного автомата для устройства управления ЭВМ
Министерство образования Российской Федерации
Российский химико-технологический университет
им. Д.И. Менделеева
Новомосковский институт
Синтез конечного автомата для устройства управления ЭВМ
Методические указания
Под редакцией к. т. н., доцента В.И. Воробьева
Новомосковск 2007
УДК 681.322
ББК 32.973
С 387
Рецензенты:
кандидат технических наук, доцент кафедры "Электротехника", НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева Е.Б. Колесников,
доцент, кандидат технических наук, доцент кафедры "Метрология и системы управления качеством", НИ РХТУ им.Д.И. Менделеева Ю.И. Азима.
Составитель: Прохоров B. C.
С 387 Синтез конечного автомата для устройства управления ЭВМ: Методические указания / Под редакцией В.И. Воробьева; РХТУ им.Д.И. Менделеева, Новомосковский ин-т; Сост.: B. C. Прохоров. – Новомосковск, НИ РХТУ им Д.И. Менделеева, 2007. - 20 с.
Предложено индивидуальное задание по синтезу конечного автомата для устройства управления ЭВМ для студентов специальности "Автоматизированные системы обработки информации и управления" по курсу "Схемотехника". Рассмотрен порядок и особенности синтеза этого автомата.
Содержание
Введение. 4
1. Порядок синтеза конечного автомата для устройства управления ЭВМ 5
2. Индивидуальное задание. 20
Библиографический список. 21
Введение
Устройство управления и синхронизации является наиболее сложным в структуре микропроцессора. Оно влияет на все процессы и управляет их протеканием. Каждая команда программы может быть разделена на этапы извлечения и выполнения. Каждый из них в свою очередь может быть разделен на элементарные микропрограммы. Микропрограммы каждой команды находятся в секции декодирования и выполняются блоком управления и синхронизации.
Управляющий автомат генерирует управляющие сигналы выборки команд из памяти и формирования в счетчике команд адреса следующей команды. Затем управляющий автомат дешифрирует код операции в команде и генерирует соответствующую коду операции серию управляющих сигналов, обеспечивающую реализацию в микропроцессоре заданной операции.
Выполнение индивидуального задания позволит понять суть процессов, протекающих в устройстве управления, и самостоятельно провести анализ и синтез несложных узлов и блоков ЭВМ.
1. Порядок синтеза конечного автомата для устройства управления ЭВМ
Обобщенная структурная схема конечного автомата КА (рис.1) содержит запоминающее устройство ЗУ (память на
триггерах Т1-Тn) и два комбинационных устройства КУ для формирования сигналов q1, q2,...,qn управления триггерами (КУ1) и для формирования требуемых выходных сигналов y1, y2,...,yk (КУ2).
Рис.1 Обобщенная структурная схема КА
КА работает циклами, заканчивая их всякий раз возвращением в исходное состояние.
По сигналу с ДШ команд схема запуска формирует входной сигнал x, который принимает только два значения: x1=0 (пауза в работе КА) и x2=1 (запуск и работа КА).
В ходе выполнения цикла КА в заданные моменты времени t1, t2, t3,... проходит через определенную последовательность внутренних состояний a(t) =al (l=0, 1,..., S), сменяющих друг друга при поступлении очередного тактового импульса Ф. При этом каждый цикл функционирования КА начинается в момент t поступления на его вход сигнала запуска x(t) =1.
Часть этих состояний (и тактов), пребывание в которых сопровождается выдачей импульса на какой-либо выход y1, y2,..., y16, можно назвать активными, а остальные, обеспечивающие заданные паузы между выдачами импульсов, - пассивными.
В качестве примера рассмотрим задачу синтеза КА с 1 входом и 16 выходами, который после запуска выдает импульс:
через (j+1) =(1+1) =2 тактовых интервалов - на выход с
номером (i+1) =(1+1) =2;
2) через (i+1) =(1+1) =2 тактов - на выход с номером
(j+1) =(1+1) =2;
3) через (i+j+9) =(1+1+9) =11 тактов - на выходы с номерами (j+4) =(1+4) =5 и (i+6) =(1+6) =7 и формирует сигнал “сброс” W=1, необходимый для возвращения КА в исходное состояние.
Здесь i=1, j=1 - предпоследняя и последняя цифры в номере зачетной книжки.
В состав КА входит генератор тактовой частоты. Он предназначен для синхронизации (т.е. согласования во времени) работы компонентов КА. Генератор формирует периодическую последовательность импульсов Ф с заданной частотой.
Тактовый интервал равен периоду периодической последовательности импульсов Ф.
В соответствии с заданием можно получить временную диаграмму работы КА (рис.2). Задание рекомендуется выполнить в следующем порядке:
1) по последним цифрам i и j номера зачетной книжки рассчитывают общее число состояний (S+1) КА, определяют необходимое количество триггеров n, активные состояния (такты) автомата, номера активных выходов;
2) строят граф, который задает алгоритм функционирования КА; составляют таблицы состояний и выходных сигналов КА, а по ним составляют таблицы истинности для сигналов на активных выходах и синтезируют функциональную схему КУ1, КУ2 в логическом базисе, заданном табл.1.
Таблица 1
Базис для синтезируемой схемы
| Последняя цифра номера зачетной книжки | четная | нечетная |
| Базис | или-не | и, или, не |
3) В соответствии с ГОСТ 2.743-82 “Обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой техники” вычерчивают полную принципиальную электрическую схему КА, включая схему запуска, цепи возврата в исходное состояние (цепи “сброса”). ИМС выбирают из табл.2.
Таблица 2
Рекомендуемый перечень микросхем
| Условное обозначение ИМС | Состав и функциональное назначение ИМС | Тип логики |
| К155ЛЕ1 | 4x2 ИЛИ-НЕ | ТТЛ |
| К155ЛН1 | 6x НЕ | ТТЛ |
| К155ЛИ1 | 4x2 И | ТТЛ |
| К155ЛЕ4 | 3x3 ИЛИ-НЕ | ТТЛ |
| Продолжение табл.2 | ||
| К155ЛЛ1 | 4x2 ИЛИ | ТТЛ |
| К155ТВ1 | JK-триггер с элементом 3Н на входе | ТТЛ |
| К555ЛЕ1 | 4x2 ИЛИ-НЕ | ТТЛШ |
| К555ЛН1 | 6x НЕ | ТТЛШ |
| К555ЛИ1 | 4x2 И | ТТЛШ |
| К555ЛИ3 | 3x3 И | ТТЛШ |
| К555ЛЕ4 | 3x3 ИЛИ-НЕ | ТТЛШ |
| К555ТВ6 | Два JK-триггера со сбросом | ТТЛШ |
| К531ЛЕ1П | 4x2 ИЛИ-НЕ | ТТЛШ |
| К531ЛН1П | 6-НЕ | ТТЛШ |
| К531ЛИ3П | 3x3 И | ТТЛШ |
| К531ТВ9П | JK-триггер с предварительной установкой | ТТЛШ |
| К531ТВ11П | JK-триггер с установкой единицы и синхронизацией | ТТЛШ |
Рис. 2. Временная диаграмма работы КА
Из временной диаграммы видно, что активными тактами в рабочем цикле КА будут такты с номерами 2 и 11; активными выходами - выходы с номерами 2, 5,
7. Каждый цикл функционирования КА начинается в момент поступления на его вход сигнала запуска x(t) =1. При поступлении очередного тактового импульса Ф, максимальное число которых в цикле КА равно максимальному числу рабочих тактов R=i+j+9=1+1+9=11.
КА проходит ряд сменяющих друг друга состояний a(t) =al (l=0, 1,..., S). Число рабочих состояний равно S, а общее число состояний КА, включая исходное a0, равно S+1 и связано с максимальным числом рабочих тактов R соотношением SR.
Выполнение этого условия обеспечивает возможность выдачи выходного импульса на любом такте цикла.
Минимально необходимое количество триггеров определяется из соотношения nlog2(S+1).
Для разрабатываемого КА минимальное количество триггеров n=4, так как 24>11.
Для определения активных состояний следует задать определенный порядок их чередования в рабочем цикле КА, т.е. функцию переходов. Целесообразно принять алгоритм функционирования КА с функцией переходов, обеспечивающей естественный порядок смены состояний (рис.3). В этом случае КУ1 и память синтезируемого КА превращаются в суммирующий двоичный счетчик с параллельным переносом и коэффициентом пересчета Ксч=i+j+9=1+1+9=11, а КУ2 - в дешифратор состояний.
Рис.3. Алгоритм функционирования КА, заданный с помощью графа
Выходной сигнал КА может принимать значение произвольного 16-разрядного двоичного числа. Выходные сигналы КА могут быть описаны табл.3.
Таблица 3
Таблица выходных сигналов КА
| Значения yl | Уровень сигнала на выходе Vl (l=0, 1,..., S) | |||
| выходного | активном | пассивном | ||
| сигнала y(tl) | V2 | V5 | V7 | Остальные (l=2,5,7) |
| y0 | 0 | 0 | 0 | 0...0 |
| y2 | 1 | 0 | 0 | 0...0 |
| y5 | 0 | 1 | 0 | 0...0 |
| y7 | 0 | 0 | 1 | 0...0 |
| Все остальные | 0 | 0 | 0 | 0...0 |
Каждое состояние КА отождествляется с записанным в триггеры n-разрядным двоичным числом (табл.4).
Таблица 4
Таблица состояний КА
| Сигналы Qk(t) на прямых выходах триггеров T4, T3, T2, T1 | ||||
| Q4(t) | Q3(t) | Q2(t) | Q1(t) | |
| 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 |
| a10 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| a11 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| a12 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| a13 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| a14 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| a15 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Для КА с естественной сменой состояний в порядке возрастания их номеров активными оказываются состояния а2, а11 (на втором и одиннадцатом тактах).
Для синтеза КУ1 и КУ2 следует задать таблично функцию переходов (табл.5) и функцию выходов (табл.6).
Таблица 5
Таблица функции переходов
