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)
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.
а)
б)
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.
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
тактируемыйрегистр
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. |