Синтез цифрового автомата (стр. 2 из 5)
Формирование управляющих сигналов
(рис. 1) для выполнения определенных микрокоманд может зависеть от состояния узлов операционного устройства, определяемого сигналами 
, которые передаются по определенным цепям с соответствующих выходов операционного устройства на входы управляющего устройства. Управляющие сигналы могут зависеть также от внешних сигналов 
.Для уменьшения числа управляющих цепей, выходящих из управляющего устройства, в тех случаях, когда последнее конструктивно выполняется отдельно от операционного устройства, микрокоманды определенным образом кодируются. При этом операционное устройство формирует управляющие сигналы с помощью преобразователя кодов, преобразующего поступающую из управляющего устройства кодовую комбинацию микрокоманды в управляющие сигналы.
Результаты обработки, выполняемой в операционном устройстве, снимаются с его выходов
.Существуют два принципиально различных подхода в проектировании микропрограммного автомата (управляющего устройства): использование принципа схемной логики или принципа программируемой логики.
В первом случае, т.е. при использовании принципа схемной логики, в процессе проектирования подбирается некоторый набор цифровых микросхем (обычно малой и средней степени интеграции) и определяется такая схема соединения их выводов, которая обеспечивает требуемое функционирование (т.е. функционирование процессорного устройства определяется тем, какие выбраны микросхемы и по какой схеме выполнено соединение их выводов).
Устройства, построенные по такому принципу, способны обеспечивать наивысшее быстродействие при заданном типе технологии элементов. Недостаток этого принципа построения процессорных устройств состоит в трудности использования последних достижений микроэлектроники – интегральных микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции (БИС и СБИС). Это связано с тем, что для разных процессорных устройств потребуются различные БИС. Такие БИС окажутся узкоспециализированными. Число типов БИС будет большим, а потребность в каждом типе БИС окажется низкой. Это приведет к экономической нецелесообразности выпуска их промышленностью.
Эти обстоятельства заставляют обратиться к другому подходу в проектировании цифровых устройств, основанному на использовании принципа программируемой логики. Этот подход предполагает построение с использованием одной или нескольких БИС некоторого универсального устройства, требуемое функционирование (т.е. специализация) которого обеспечивается заключением в память устройства определенной программы (или микропрограммы). В зависимости от введенной программы такое универсальное устройство способно выполнить самые разнообразные функции. Число типов БИС в этом случае оказывается небольшим, а потребность в БИС каждого типа высокой. Это обеспечивает целесообразность их выпуска промышленностью. Набор типов БИС, обеспечивающих построение таких универсальных устройств, образует микропроцессорный комплект (МКТ). Устройства, реализуемые на МПК, – микропроцессорные устройства (МПУ).
Микропроцессорные комплекты стали выпускаться относительно недавно. Они представляют собой комплекты БИС, позволяющие совместно со сравнительно небольшим числом микросхем средней и малой степени интеграции создавать миниатюрные вычислительные устройства для разнообразных применений.
Если в устройстве, построенном по принципу схемной логики, всякое изменение или расширение выполняемых функций влечет за собой демонтаж устройства и монтаж устройства по новой схеме, то при использовании МПУ благодаря использованию принципа программируемой логики такое изменение функционирования достигается заменой хранящейся в памяти программы новой программой, соответствующей новым выполняемым устройством функциям. Такая гибкость применений, наряду с другими, связанными с использованием БИС достоинствами, заключающимися в низкой стоимости, малых габаритных размерах, высокой точности и помехозащищенности, характерных для цифровых методов, обусловили широкое внедрение МПУ в разнообразные сферы производства, аппаратуру для научных исследований и бытовые устройства.
Микропроцессорные устройства обеспечили широкое использование цифровых методов в различных технических направлениях. Бурное внедрение этих новых методов рассматривается как революция в технике.
2. Основные понятия о цифровом автомате
Цифровые автоматы – это логические устройства, в которых помимо логических элементов имеются элементы памяти. Значение выходных сигналов такого устройства зависит не только от аргументов на входе в данный момент времени, но и от предыдущего состояния автомата, которое фиксируется элементами памяти. В качестве элементов памяти могут использоваться триггеры. Каждое внутреннее состояние цифрового автомата определяется исходным состоянием триггеров и последовательностью входных сигналов, действующих на входе в данный момент времени, поэтому такие устройства называются последовательностными схемами. К последовательностным схемам можно отнести – триггеры, счетчики, регистры. В общем случае структурная схема цифрового автомата может быть представлена в виде набора трех узлов – комбинационной схемы формирования выходных сигналов, комбинационной схемы формирования сигналов управления триггерами и, собственно, памяти (рис. 2).
Рисунок 2. Управляющее устройство со схемной логикой.
На вход комбинационной схемы управления триггерами поступает комбинации входных сигналов
, комбинации сигналов, отражающих состояние элементов памяти 
. С учетом этих множеств комбинационная схема формирует серии сигналов, управляющих состоянием триггеров. Кодовые комбинации состояния триггеров образуют внутренние состояния цифрового автомата, которые принято обозначать буквой a. Комбинационная схема формирования выходных сигналов создает сигналы 
, которые могут использоваться для управления некоторыми узлами, для активизации процессов в других схемах. Эти сигналы могут зависеть только от внутренних состояний: в этом случае устройство принято называть автоматом Мура. А если выходные сигналы зависят и от входных сигналов , то – автоматом Мили.Таким образом, для задания цифрового автомата необходимы три множества:
– множество входных сигналов
;– множество выходных сигналов
;– множество внутренних состояний
.На указанных трех множествах задают две функции – функцию переходов и функцию выходов. Для автомата Мили эти функции имеют вид:
 , | (1) |
 , | (2) |
где
– новое состояние цифрового автомата, 
– предыдущее состояние автомата, 
– выходные сигналы текущего времени, 
– сигналы на входе в данный момент времени.Для автомата Мура:
| , | (3) |
 . | (4) |
Последовательность действий автомата по формированию выходных сигналов и сигналов управления триггерами с учетом входных сигналов может быть задана с помощью алгоритма. Алгоритм фактически является формализованным представлением задачи по построению цифрового устройства, где определены группы выходных сигналов для инициализации устройств схемы (например, операционного устройства процессора в зависимости от поступления тех или иных входных сигналов
). Задавать цифровой автомат удобно с помощью графа. Графом называется непустое конечное множество узлов (вершин) вместе с множеством дуг (ветвей), соединяющих пары различных узлов. Граф обычно представляется в наглядной форме, при этом вершины изображаются точками или кругами, которые помечаются с целью идентификации, а ветви изображаются линиями, соединяющими соответствующие узлы. Если каждой дуге также приписано направление, то такой граф называется ориентированным. Если направления не указаны, то граф называется неориентированным. Данные представления полезны ввиду их наглядности. Вершины обычно соответствуют объектам некоторого вида (в цифровом автомате – внутренним состояниям), а дуги – физическим или логическим связям между ними. Таким образом, графы можно использовать для математического моделирования самых разнообразных систем и структур: электрических схем, вычислительных сетей и т.д.