Модели цифровых устройств
Цифровое устройство – это техническое приспособление, которое используется для обработки и получения информации в цифровой форме.
Цифровое устройство может быть выполнено на различной элементной базе: электронной (диоды и транзисторы), оптической, микроэлектронной (микросхемы) или электромеханической (электромагнитное реле). При построении цифрового устройства обычно используются один из двух основных подходов:
- Функциональный.
- Структурный.
Функциональный подход заключается в абстрагировании от внутренней структуры устройства и рассмотрении исключительно его логики функционирования. Как правило, в качестве функциональной модели используется система булевых уравнений:
$Z_1 = f_1(X_1, ..., X_n)$ ….
$Z_m = f_m(X, ..., X_n)$
где, $Х = (X_1, ...., X_n)$ - входные переменные, которые принимают двоичные значения; $Z = (Z_1, ...., Z_n) $ - выходные переменные, которые принимают двоичные значения.
Схема цифрового устройства, которая описывается булевыми уравнениями, изображена на рисунке ниже.
Рисунок 1. Схема цифрового устройства. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Данных о логике функционирования цифрового устройства, описываемых функциональными моделями, недостаточно для успешного моделирования. Поэтому при построении цифрового устройства применяется структурная модель, в качестве которой используется логическая сеть или схема.
Логическая схема – это ориентированный граф, вершинами которого являются логические элементы, узлы разветвления, входы и выходы.
Направленные дуги графа представляют собой соединения сети. Правильной логической сетью или схемой является та, у которой выходы двух составляющих не соединены вместе, а каждая функция может быть представлена как булева функция выхода комбинационного устройства. Основу логической сети составляют элементы следующих типов: элементы памяти, работа которых описывается моделью конечного автомата; составляющие, функционирование которых описывается булевыми функциями. На рисунке ниже представлена последовательная схема, которая задана конечным автоматом.
Рисунок 2. Схема. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Этапы проектирования цифровых устройств
Процесс проектирования цифрового устройства состоит из следующих этапов:
- На первом этапе проектирования уточняется техническое задание и осуществляется его перевод на язык технического описания. Анализируются взаимодействия между окружающей средой и проектом. Согласовываются основные особенности поведения проекта, в том числе интерфейсные вопросы.
- На втором этапе проектирования проводится анализ поведения проекта. Его структура делится на несколько функционально законченных узлов. Делается до получения структуры, элементы которой смогут обеспечивать необходимое поведение устройства.
- На третьем этапе проектирования разрабатываются описания для отдельных компонентов устройства. Проверяется их семантическая и синтаксическая корректность описания.
- На четвертом этапе проектирования разрабатываются описания для верхних уровней иерархии. На данном этапе цифровое устройство и его составляющие представляются как совокупность компонентов и связей между ними. Выполнение работ данного может быть совмещено с работами третьего этапа.
Важной составляющей всех этапов процесса проектирования цифрового устройства является его тестирование. Процедуре тестирования уделяется большое количество работ. Тестирование осуществляется не только после описания устройства, но и во время процесса описания компонентов и устройства в целом. Почти на всех устройствах создаются тестовые последовательности. Только в комбинационных схемах тестовая последовательность может совпадать с таблицей истинности, являющееся основой для разработки тестов. Обычно, создается не один тестовый пример, а целый ряд различных устройств.
При разработке высокоскоростных систем и устройств стремятся реализовать проекты таким образом, чтобы большинство отдельных компонентов функционировало в индивидуальном автономном режиме. Каждое устройство, работающее в собственной временной сетке, называется кластером, а большинство систем строится по многокластерному принципу. Таким образом процедура проектирования включает разработку большого количества интерфейсов, что способствует значительному усложнению процесса проектирования.
Классическим решением, которое обеспечивает необходимый уровень надежности процедуры обмена данными являются принципы квитирования. Реализация данного принципа основана на взаимодействии введения в цепь обмена информацией двух управляющих сигналов: один из которых идет от источника информации, а второй от приемника информации и соответствующих информационных сигналов, сообщающих о завершении цифровым устройством какой-либо операции.
