Разработка генератора логической последовательности заданной формы — это разработка устройства, способного генерировать логическую последовательность сигналов необходимого формата.
Общие сведения о дискретных автоматах
В технической сфере под термином «автомат» понимается комплекс механизмов и оборудования, в котором процессы сбора, обработки, трансляции и применения энергии, материалов и информации, требуемые для исполнения её функций, реализуются без прямого участия людей. К системам данного вида могут быть отнесены, например, автоматические станки, автоматы расфасовки разных продуктов, автоматы, осуществляющие съемку и изготовление фотографий, автоматы, продающие разные товары, и многие другие.
В кибернетике уже достаточно давно используется и прочно в ней закрепился термин «дискретный автомат» или сокращённо просто «автомат», который обозначает гораздо более абстрактное понятие, то есть, модели, имеющие следующий набор особенностей:
- На входы модели в каждый из дискретных моментов времени $t_1, t_2, ...$ может поступать набор из $m$ входных величин $x_1, x_2, ... x_m$ каждая из которых способна принимать не бесконечное количество фиксированных значений из входного алфавита $X$.
- На выходах модели должны наблюдаться n выходных величин $y_1, ... y_n$ каждая из которых способна принять конечное количество фиксированных значений из выходного алфавита $Y$.
- В любой момент времени модель способна находиться в одном из состояний $z_1, z_2, ... z_n$.
- Состояние модели в любой момент времени должно определяться входной величиной $x$ в этот момент и состоянием $z$ в предыдущий момент времени.
- Модель выполняет процесс преобразования ситуации на входе $x = {x_1. x_2, ..., x_m}$ в ситуацию на выходе $y = {y_1, y_2, ..., y_n}$ в зависимости от ее состояния в предшествующий момент времени.
Данная модель считается удобной для описания многих кибернетических систем. Автоматы, у которых ситуация «у» на выходах может быть однозначно определена ситуацией «х» на входах, относятся к классу автоматов, не имеющих памяти. Автоматы, у которых «у» обладает зависимостью не только от величины «х» в текущий момент, но и от состояния модели «z», задаваемого значениями «х» в предшествующие моменты времени, следует отнести к классу автоматов с конечной памятью.
Теория дискретных автоматов обладает большим значением при решении определённых фундаментальных проблем информатики, связанных с принципиальными возможностями информационной обработки в информационных системах.
Разработка генератора логической последовательности заданной формы
Процесс преобразования входных величин в выходные, который осуществляют дискретные автоматы не имеющие памяти и работающие в двухбуквенном алфавите, аналогичны преобразованиям, выполняемым в формальной логике. По этой причине они могут считаться логическими автоматами, а функции, которые описывают преобразования, исполняемые логическими автоматами, являются логическими функциями. В качестве математического аппарата, который необходим для разрешения задач анализа и синтеза логических автоматов, используется алгебра логики. Основы алгебры логики были заложены английским ученым Джорджем Булем в девятнадцатом веке, вследствие чего её принято ещё называть булевой алгеброй.
Цифровой автомат (ЦА) как устройство, предназначенное для автоматической обработки цифровой и логической информации по определённым алгоритмам, может считаться комплексом, состоящим из операционного автомата (ОА) и управляющего автомата (УА), как это изображено на рисунке ниже.
Рисунок 1. Цифровой автомат. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Операционный автомат служит для выполнения заданной совокупности требуемых процедур алгоритма. Управляющий автомат предназначен для определения очерёдности операций согласно исполняемому алгоритму, в зависимости от условий, которые тоже выдаются операционным автоматом как логические (осведомительные) сигналы. Таким образом управляющий автомат осуществляет координацию работы узлов ОА. Управляющий автомат вырабатывает в некоторой временной очерёдности управляющие сигналы, под влиянием которых в модулях ОА выполняются требуемые операции.
Функционирование автомата, который может рассматриваться как генератор логической последовательности, подразделяется на такты, то есть, дискретные временные интервалы. Любая элементарная операция, выполняемая в одном из модулей ОА в течение одного такта, носит название микрооперации. Совокупность микроопераций, подлежащих исполнению в ОА параллельно в одном такте, называется микрокомандой. Очерёдность микрокоманд, реализующая исполняемый алгоритм, называется микропрограммой.
Это означает что, когда в ОА предусматривается возможность исполнения «n» разных микроопераций, то из УА должны исходить «n» управляющих воздействий, каждое из которых должно соответствовать определённой микрооперации. И если необходимо в ОА выполнить какую-нибудь микрооперацию, то следует из УА по определённой управляющей цепи, соответствующей данной микрооперации, выдать сигнал (например, это может быть напряжение уровня логической единицы). А так как УА фактически определяет микропрограмму, то есть, какие именно, и в какой временной последовательности нужно выполнять микрооперации, то УА получил название микропрограммного автомата.
Существуют следующие подходы к разработке микропрограммных автоматов, то есть, генераторов логической последовательности:
- Использование принципов схемной логики, то есть это автоматы, имеющие жесткую логику.
- Использование принципов программируемой логики.
В первом варианте в процессе реализации проекта необходимо подобрать определённую совокупность цифровых микросхем (как правило, малой и средней степени интеграции) и разработать такую схему соединения их выводов, которая способна гарантировать необходимое функционирование. При проектировании автоматов на жёсткой логике перед фактической реализацией следует выполнить моделирование их работы на компьютере.
