Цифровой автомат
Цифровой автомат – это дискретный преобразователь информации, который способен принимать различные состояния, переходить под воздействием сигналов или команд программы решения задачи из одного состояния в другое и выдавать выходные сигналы.
Цифровой автомат является конечным, если множество его внутренних состояний, а также множество значений выходных и входных сигналов конечны. Автоматы могут быть со схемной логикой и логикой, которая хранится в памяти. Различают два класса цифровых автоматов:
- Асинхронные.
- Синхронные.
Синхронные цифровые автоматы характеризуются следующими аспектами. Они функционируют под управлением тактовых сигналов (синхронизирующие сигналы), с постоянной длительностью и постоянной частотой. Период следования тактовых сигналов должен быть больше или равен времени, которое необходимо реальному автомату для перехода из одного состояния в другое. В асинхронном цифровом автомате длительность интервала времени, в течении которого остается неизменным состояние входных сигналов, является величиной переменной, которая определяется временем, необходимым устройству для установки соответствующих выходных сигналов и завершения перехода в новое состояние. Таким образом, асинхронный цифровой автомат должен формировать сигнал о завершении очередного такта, согласно которому могут быть сняты входные сигналы, после чего начинается следующий такт, то есть появляется возможность поступления новых входных сигналов. Чтобы создать конечный цифровой автомат необходимо зафиксировать три конечных множества: множество возможных входных сигналов, множество возможных выходных сигналов и множество возможных внутренних состояний автомата. На множестве состояний автомата фиксируется одно из них в качестве начального. Состояние автомата используется для описания систем, выходные сигналы которых зависят не только от входных сигналов в данный момент времени, но и от некоторой предыстории - сигналов, поступивших на вход системы ранее. Таким образом цифровые автоматы являются последовательными схемами, обладающие памятью.
Разработка цифрового автомата
Разработка цифрового автомата состоит из следующих этапов:
- Построение структурной схемы цифрового автомата. Основными элементами цифрового автомата являются преобразователь кода, счетчик, регистр сдвига, устройство управления. Счетчик предназначен для получения взвешенного кода. Регистр сдвига предназначен для преобразования параллельного кода, который поступает с выхода преобразователя. Устройство управления используется получения управляющих сигналов цифрового автомата. Такие составляющие, как счетчик, регистр и преобразователь подлежат подробной разработке, а устройство управления разрабатывается на стадии расчета быстродействия цифрового автомата.
- Разработка преобразователя кода. Данный этап проектирования состоит из построения таблицы состояний, записи алгебраической функции, выбора микросхемы для построения принципиальной схемы, разработки принципиальной схемы, расчета быстродействия и потребления энергии.
- Разработка счетчика. На данном этапе осуществляется разработка функциональной схемы счётчика пол заданным условиям.
- Разработка регистра сдвига.
Порядок и особенности разработки цифрового автомата зависят от имеющихся исходных данных, требований технического задания, условий эксплуатации устройства и т. п.
В настоящее время существуют два основных принципа разработки цифрового автомата: принцип программируемой логики и принцип схемной логики.
В случае использования принципа схемной логики, в процессе разработки цифрового автомата подбирается некоторый набор цифровых микросхем и определяется схема соединения их выводов, обеспечивающая требуемое функционирование устройства. Автоматы, построенные согласно данному принципу, обеспечивают самое высокое быстродействие при заданном типе технологии элементов. Недостаток принципа схемной логики заключается в трудности применения последних достижений микроэлектроники, а именно интегральных микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции, что связано с тем, что для разных устройств требуются различные интегральные микросхемы, что является причиной экономической нецелесообразности производства таких автоматов в промышленных масштабах.
Принцип программируемой логики предполагает построение автомата с использованием одной или нескольких интегральных микросхем большой интеграции некоторого универсального устройства, необходимое функционирование которого обеспечивается посредством заключения в память устройства определенной программы или микропрограммы.
