Проектирование автомата типа Мили

СОДЕРЖАНИЕ 

1.Задание…………………………………………………..……………………...22.Введение………………………………………………………………………..3

3.Абстрактный  синтез автомата…………………………..……………….……5

4.Структурный  синтез автомата ……………………..…………………..……..7

5. Функциональная  схема автомата…………………………………………….9

6.Элементы физического синтеза……………………………………………...10

7.Описание автомата  на языке VHDL…………………………………………11

8.Моделирование  на ПК с использованием симулятора  ModelSim…………17

9.Заключение……………………………………………………………………18

10.Список литературы………………………………………………………….18 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1. ЗАДАНИЕ 

     Спроектировать  управляющий цифровой автомат типа Мили, функционирующий согласно заданной ГСА. ГСА строится соединением фрагментов (рис. 1) в заданной последовательности (2, 1, 3, 4).  Каждая операторная вершина определяет некоторый выходной сигнал. Количество  условных вершин в ГСА определяет входной алфавит автомата. Тип используемых триггеров RS.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
     

     

     2. ВВЕДЕНИЕ 

     Курсовая  работа заключается в решении  комплексной задачи синтеза дискретного  устройства с памятью по заданным условиям работы на заданной элементной базе. Решение должно быть доведено до функциональной схемы устройства (автомата).

      Термин  автомат, как правило, используется в двух аспектах. С одной стороны, автомат — устройство, выполняющее некоторые функции без непосредственного участия человека. В этом смысле мы говорим, что ЭВМ — автомат, так как после загрузки программы и исходных данных ЭВМ решает заданную задачу без участия человека. С другой стороны, термин «автомат» как математическое понятие обозначает математическую модель реальных технических автоматов. В этом аспекте автомат представляется как «черный ящик», имеющий конечное число входов и выходов и некоторое множество внутренних состояний Q={q₁(t), q₂(t),..., q_n(t)}, в которые он под воздействием входных сигналов переходит скачкообразно, т. е. практически мгновенно, минуя промежуточное состояние. Конечно, это условие не выполняется в реальности, так как любой переходный процесс длится конечное время.

      Цифровой  автомат - устройство, предназначенное для преобразования цифровой информации. Входные сигналы в цифровых автоматах представляются в виде конечного множества мгновенных сигналов. Теоретически это означает, что входные сигналы не имеют длительности, хотя практически это не так. Такое допущение упрощает рассмотрение процессов, происходящих в автоматах, так как все события (состояния) должны относиться к фиксированному моменту времени  t. Условно также принимается, что число выходных сигналов y(t) конечно и они возникают в результате действия входных сигналов. При этом следует учитывать, что одновременно с появлением выходного сигнала происходит скачкообразный  

переход автомата из состояния q_i(t) в состояние q_j(t).

      Понятие состояния автомата используется для описания систем, выходы которых зависят не только от входных сигналов в данный момент времени, но и от некоторой предыстории, т. е. сигналов, которые поступили на входы системы ранее. Состояние автомата соответствует некоторой памяти о прошлом, позволяя устранить время как явную переменную и выразить выходные сигналы как функцию состояний и входных сигналов.

Время для цифрового автомата имеет  также важное значение. Для решения задач анализа и синтеза цифровых автоматов обычно вводится автоматное время. Функционирование автомата рассматривается через дискретные интервалы времени конечной продолжительности (интервал дискретности).

     Общая теория автоматов разбивается на две большие части — абстрактную теорию автоматов  и структурную теорию автоматов. Различие между ними заключается в том, что в абстрактной теории мы отвлекаемся от структуры как самого автомата, так и его входных и выходных сигналов. Не интересуясь способом построения автомата, абстрактная теория изучает лишь те переходы, которые претерпевает автомат под воздействием входных сигналов, и те выходные сигналы, которые он при этом выдает. Абстрактная теория автоматов близка теории алгоритмов, является ее дальнейшей детализацией.

     В противоположность абстрактной  теории, в структурной теории автоматов  рассматриваются прежде всего структуры как самого автомата, так и его входных и выходных сигналов. В структурной теории изучаются способы построения автоматов из элементарных автоматов, способы кодирования входных и выходных сигналов элементарными сигналами и т.п. 
 
 
 
 
 

     

     

     3. АБСТРАКТНЫЙ СИНТЕЗ АВТОМАТА 

     Одной из разновидностей языка, позволяющей  описывать логические схемы алгоритмов, является язык граф-схем алгоритмов (ГСА).

Граф-схема алгоритма  — ориентированный связный граф, содержащий одну начальную вершину, произвольное число условных и операторных  вершин и одну конечную вершину.

               Конечная, операторная и условная  вершины имеют по одному входу,  начальная вершина входов не  имеет. Начальная и операторная  вершины имеют по одному выходу, конечная вершина выходов не  имеет, условная вершина имеет  два выхода, помеченных символами  1 и 0. Граф-схема алгоритма удовлетворяет  следующим условиям:

      1) входы и выходы вершин соединяются  друг с другом с помощью  дуг, направленных всегда от  выхода к входу;

      2) каждый выход соединен только  с одним входом;

      3) любой вход соединяется, по  крайней мере, с одним выходом;

      4) любая вершина графа лежит,  по крайней мере, на одном пути  из начальной к конечной вершине;

      5) в каждой условной вершине  записывается один из элементов  множества логических условий  Z = {Z₁,Z₂, ,...,Z_k}, разрешается в различных условных вершинах запись одинаковых элементов множества A;

      6) в каждой операторной вершине  записывается один из элементов  множества операторов  V={v₁,v₂,..., v_N }., разрешается в различных операторных вершинах запись одинаковых элементов множества V.

      Язык  ГСА используется очень часто  при описании алгоритмов функционирования как самого цифрового автомата, так и программ, выполняющих то или иное действие.

      Чтобы построить схему управляющего автомата Мили, нужно задать микропрограмму работы операционного устройства. Микропрограмма

операционного блока имеет вид, представленный на рис.2. Микропрограмма выполняется при начальном условии Н = 1. Блок производит выработку управляющих функциональных сигналов в определённой последовательности, зависящей от значений сигналов A₀-A_3.

Граф  -  схема алгоритма (ГСА)           Граф автомата Милли

 
 

4. СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ  АВТОМАТА

     Структурный синтез предполагает физическую реализацию схемы автомата из выбранного набора логических и запоминающих элементов, которая функционировала бы в соответствии с заданными таблицами переходов и выходов исходного абстрактного автомата.     

     Для построения автомата используем синхронные RS-триггеры, имеющие следующую таблицу переходов:

 

     Определим количество элементов памяти (триггеров) структурного автомата:

2^R – количество различных внутренних состояний структурного автомата

М –  мощность алфавита внутренних состояний  абстрактного автомата

2^R ≥ М

2^R ≥ 8   =>  R = 3

     Для определения функций возбуждения  триггеров составим кодированную таблицу переходов и выходов.

     

     

     Кодированная  таблица переходов и выходов