Моделирование автомата на жесткой логике

Цифровой автомат

Цифровой автомат (ЦА) в качестве устройства для автоматической обработки цифровых информационных данных по заданным алгоритмам является совокупностью операционного автомата (ОА) и управляющего автомата (УА), как показано на рисунке ниже.

Рисунок 1. Цифровой автомат. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Операционный автомат предназначен для исполнения определённого набора необходимых операций алгоритма. Управляющий автомат служит для задания последовательности действий в соответствии с алгоритмом, в зависимости от условий, которые тоже формируются ОА как логические сигналы, то есть координирует работу узлов ОА. Управляющий автомат формирует в определённой временной последовательности управляющие сигналы, под воздействием которых в узлах ОА осуществляются необходимые действия.

Работа автомата делится на такты, то есть, дискретные интервалы времени. Каждая такая элементарная операция, исполняемая в одном из узлов ОА в течение одного тактового периода, именуется микрооперацией. Набор микроопераций, которые должны исполняться в ОА параллельно в одном такте, именуется микрокомандой. Последовательность микрокоманд, которая реализует заданный алгоритм, именуется микропрограммой.

То есть, когда в ОА предусмотрена возможность выполнения «n» разных микроопераций, то из УА должны выходить «n» управляющих цепей, каждая из которых должна соответствовать конкретной микрооперации. И когда требуется в ОА исполнить какую-либо микрооперацию, необходимо из УА по нужной управляющей цепи, которая соответствует этой микрооперации, подать сигнал (к примеру, напряжение уровня логической единицы). Поскольку УА должен определять микропрограмму, то есть, какие конкретно, и в какой временной очерёдности следует исполнять микрооперации, он стал называться микропрограммным автоматом.

Выработка сигналов управления y1, у2 yn для исполнения микрокоманд должна происходить в зависимости от состояния узлов ОА, которое определяется сигналами х1, x2, ..., xs, подающимися с соответствующих выходов ОА на входы УА. Управляющие сигналы y1, у2 yn могут также иметь зависимость от внешних сигналов xs+1,.., xL.

Чтобы сократить количество управляющих цепей, выходящих из УА (для тех случаев, когда он конструктивно исполнен отдельно от операционного автомата), микрокоманды могут быть закодированы. Итоговые результаты обработки, исполненной в ОА, должны сниматься с его выходов z1, z2, .zm, как показано на рисунке ниже

Рисунок 2. Цифровой автомат. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Известны два различных подхода к созданию микропрограммных автоматов (управляющих автоматов):

1. Применение принципа схемной логики, то есть это автоматы с жесткой логикой.
2. Применение принципа программируемой логики.

В первом случае в ходе создания проекта подбирается некоторый набор цифровых микросхем (обычно малой и средней степени интеграции) и разрабатывается такая схема соединения их выводов, которая может обеспечить требуемое функционирование.

Процесс проектирования автоматов на жёсткой логике перед их практической реализацией необходимо завершить моделированием их функционирования на компьютере. Наиболее сложной при моделировании автомата считается реализация системы булевых функций. Причем для автоматов Мура речь может идти о схеме F1, то есть, о булевых функциях, которые осуществляют переход a(t)→a(t+1)). С этой точки зрения автоматы Мура обладают выгодными отличиями от автоматов Мили, которые заключаются в тривиальной простоте схемы формирования выходных сигналов, реализуемой набором схем логического «ИЛИ».

Моделирование автомата на жесткой логике

Самым простым методом моделирования является метод, в котором моделируется автомат путём вложения в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) компьютера всей таблицы, хранящей переходы и выходы автомата. Естественно, что для стандартной схемы данный подход может быть использован только для самых простых автоматов, имеющих три, четыре логических условия и количество возможных состояний в границах одного десятка. Самым эффективным метод реализации модели на компьютере является метод на базе применения кода маски. Суть метода состоит в следующем:

1. Булевы функции F1 после минимизации совершенной дизъюнктивной нормальной формы (СДНФ) должны быть записаны в дизъюнктивную нормальную форму (ДНФ).
2. Поскольку кроме множества [x], отражающего коды a(t), в качестве аргумента F2 используется множество {α}, то образуется конкатенация {α} {x}. При этом для каждого дизъюнктивного члена конъюнкции ДНФ не все переменные из {α} или {x} могут присутствовать. Однако в модели их следует указывать все, сделав пометку на отсутствующих αi или хj при помощи знака «безразличия», который означает, что будут они равны «1» или «0», значение функции не изменяется. Как правило, таким знаком является символ «~».
3. Код a(t) должен быть обозначен последовательностью разрядов хj множества {x(t)}, а код a(t + 1) должен обозначаться отдельными символами.
4. Далее для каждой конъюнкции yi может быть описан код маски, который разрешает проверку совпадения текущего кода X и Y при помощи установки нуля в разрядах, соответствующих ложности, или единицы в разрядах кода маски соответствующих истинности. Так как количество конъюнкций k(i) разное для каждого yi, то и количество кодов маски будет равно i*k(i).
5. Затем следует вычислить текущее а(t + 1) и определить yi, и прежде чем проводить операцию сложения по mod 2, необходимо все конъюнкции yi умножить на код маски, соответствующий этой конъюнкции. Только данный получившийся код необходимо сравнивать (сложением) с «правильными» значениями соответствующей конъюнкции yi.
6. Очевидно, что операция сравнения должна проводиться не для всех k(i), а только до получения первого ответа yi = 1. Если же необходимо выработать решение yi = 0, то следует вести сравнение до последнего i = m.
7. Необходимо отметить, что все «правильные» значения конъюнкций yi должны быть сформированы в памяти компьютера отдельным массивом.