Реферат: Кодовый замок
Реферат: 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
– 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) иY=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.
|
|
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 QH = 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).
Алфавит состояний автомата
| D4 | D3 | D2 | D1 | D0 | |
| Q0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Q1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| Q2 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| Q3 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| Q4 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| Q5 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| Q6 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| Q7 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| Q8 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| Q9 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| Q10 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| Q11 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| Q12 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| Q13 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| Q14 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| Q15 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| Q16 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
В соответствии с заданием и алфавитом состояний строим граф переходов
 |
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 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | Q1 |
| Q0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 7 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | Q5 |
| Q0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | Q9 |
| Q0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 5 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | Q13 |
| Q1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | Q2 |
| Q2 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 5 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | Q3 |
| Q3 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 4 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | Q4 |
| Q4 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 5 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | Q0/Z1 |
| Q5 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 5 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | Q6 |
| Q6 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 7 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | Q7 |
| Q7 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 3 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | Q8 |
| Q8 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 7 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | Q0/Z1 |
| Q9 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | Q10 |
| Q10 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 4 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | Q11 |
| Q11 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 5 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | Q12 |
| Q12 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 4 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | Q0/Z1 |
| Q13 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 4 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | Q14 |
| Q14 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | Q15 |
| Q15 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | Q16 |
| Q16 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 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 | x | x | x | x | x | все другие комбинации | x | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 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.
I. 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.
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
Литература.
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.
