Устройство управления синхронного цифрового автомата

Введение.

Характерная черта научно-технического прогресса, определяющего дальнейший мощный подъём общественно-технического производства: широкое внедрение достижений вычислительной и микропроцессорной техники во все отрасли народного хозяйства. Решение задач научно-технического прогресса требует применения средств вычислительной техники на местах экономистов, инженеров, экономического персонала.

В связи с постоянным возрастанием масштабов производства, усложнением экономических связей, требований научно-технической революции в народном хозяйстве всё больше возникают потребности в автоматизации и компьютеризации экономики страны, что является необходимым условием для выхода Украины на мировой рынок.

Особое значение получает разработка автоматических систем управления технологическими и производственными процессами и оснащения их роботами-манипуляторами, приборами управления и контроля.

Автоматизация и роботизация производства — замена человеческого труда трудом машин, автоматов и роботов позволяет во много раз повысить производительность труда и качество продукции. Внедрение автоматизации и роботизации позволяет во много раз повысить проводить различные работы в тех отраслях хозяйства, где использование человеческого труда является неприемлемым из-за опасности для жизни и здоровья рабочих. Кроме того, точность выполнения работы, производимой машиной намного выше точности работы, выполненной человеком, что делает необходимым применение роботов и автоматов при изготовлении миниатюрной и высокоточной продукции.

Но роботы и автоматы — всего лишь механизмы, приводимые в действие механической либо иным видом энергии. Очевидно, что для использования этих механизмов требуются специальные системы управления. До изобретения ЭВМ, эти функции возлагались либо на человека, либо на сложные и громоздкие механические системы, из-за чего редко удавалось достичь высокой точности, кроме того, это требовало больших затрат финансовых средств и энергии, что приводило к повышению себестоимости продукции.

Другой стороной научно-технического прогресса явилось развитие науки, которая является основой для роста новых технологий и видов производства, которые, в свою очередь, стимулируют развитие науки. Нетрудно понять, что с развитием науки, всё более усложняется суть явлений, рассматриваемых ею, а, поскольку практически любое явление можно анализировать при помощи математики, то усложняются и расчёты, выполняемые человеком.

Поэтому, ещё с древнейших времён человек старался облегчить процесс математических вычислений. Сначала для этих целей использовались 10 пальцев и подручные предметы, затем — счёты, и, наконец, с изобретения в XVII веке Блез Паскалем первой суммирующей и вычитающей машины, начинается история развития вычислительной техники. С разработкой в 1910 году первой ЭВМ удалось решить массу проблем, особенно в области математических и статистических расчётов, которые человек не мог осуществить с такой точностью и скоростью, которые обеспечивала вычислительная техника.

Первые поколения ЭВМ создавались а основе электронных ламп, затем — транзисторов, и, поэтому, из-за своей высокой стоимости не находили широкого применения.

Лишь в 1959 году, когда Р. Нойс изобрёл микросхему, значительно снизилась себестоимость, потребляемая мощность, габариты и сложность ЭВМ, что способствовало их популяризации и всеобщему распространению, особенно в сфере управления производством.

Достижения микроэлектронной технологии позволило значительно расширить возможности всех классов ЭВМ.

Простота и гибкость использования компьютеров, в большей мере обусловлена применением программного обеспечения, что позволяет быстро и с наименьшими затратами изменить предназначение ЭВМ.

До настоящего времени были разработаны 4 поколения ЭВМ, причём первые 3 уже не используются. Четвёртое поколение ЭВМ, созданное на основе сверхбыстрых БИС способно выполнять сотни миллионов операций в секунду.

Успехи в развитии микропроцессоров и микро-ЭВМ ознаменовались созданием нового класса средств вычислительной техники — персональных компьютеров, в которых удачно сочетаются удобство, малые габариты, простота использования и широкая сфера применения со сравнительно низкой стоимостью.

Использование ПК во многих случаях позволяет повысить продуктивность и качество труда. Такие ЭВМ имеют довольно понятный интерфейс, благодаря чему работа с ними не требует особой подготовки. Широкий спектр программного обеспечения даёт возможность быстро изменить назначение данной ЭВМ.

Существует и быстро пополняется множество различных моделей персональных компьютеров. В новых моделях, которые предоставляются пользователю, возможности быстро расширяются, в первую очередь за счёт увеличения производительности процессоров, ёмкостей основной и внешней памяти, повышения качества и гибкости электронной графики, качества печати и т. д.

Сейчас, наряду с усовершенствованием персональных ЭВМ, широко ведутся разработки в области искусственного интеллекта, который позволил бы компьютеру самостоятельно принимать решения, не требуя при этом вмешательства человека.

Основой для разработки следующего (пятого) поколения ЭВМ станут всё большая миниатюризация и внедрение биотехнологий.

Принцип работы любой ЭВМ основан на проведении операций над числами, представленными двоичными (реже — двоично-десятеричными или другими) кодами в виде совокупности низких и высоких уровней напряжений или токов. Также, но значительно реже, встречаются ЭВМ, оперирующие аналоговой информацией. Поэтому на аппаратном уровне ЭВМ представлена двумя видами схем — комбинационными логическими схемами и цифровыми автоматами, структура которых зависит от того, какую из составных частей ЭВМ они реализуют и от назначения ЭВМ в целом.

При проектировании ЭВМ и вычислительных систем значительное внимание придают выбору операционных блоков АЛУ для реализации заданных логических и арифметических операций

Развитие электронной вычислительной техники, информатики и применения их средств и методов в народном хозяйстве, научных исследованиях, образовании и иных сферах человеческой деятельности является на данный момент приоритетным направлением развития научно-технического прогресса. Это приводит к необходимости широкой подготовки специалистов по электронным вычислительным машинам, системам и сетям, программному обеспечению и прикладной математике, автоматизированным системам обработки данных и управления, а также другим направлениям, связанным с интенсивным использованием вычислительной техники. Всем этим специалистам необходимы достаточно глубокие знания принципов построения и функционирования современных электронных вычислительных машин, комплексов, систем и сетей, микропроцессорных средств, персональных компьютеров. Такие знания необходимы не только специалистам различных областей вычислительной техники, но и лицам, связанным с созданием программного обеспечения и применением ЭВМ в различных областях, что определяется тесным взаимодействием аппаратных и программных средств ЭВМ, тенденций аппаратной интеграции системных и специализированных программных продуктов, что позволяет достичь увеличения продуктивности, надёжности, функциональной гибкости, большей приспособленности вычислительных машин и систем к эксплуатационному обслуживанию.

Заданием на данный курсовой проект является проектирование для некоторого цифрового автомата устройства управления на основе жёсткой логики, формирующего на десяти выходных шинах последовательности цифровых управляющих сигналов по заданным кодам микрокоманд.

Введение.

Характерная черта научно-технического прогресса, определяющего дальнейший мощный подъём общественно-технического производства: широкое внедрение достижений вычислительной и микропроцессорной техники во все отрасли народного хозяйства. Решение задач научно-технического прогресса требует применения средств вычислительной техники на местах экономистов, инженеров, экономического персонала.

В связи с постоянным возрастанием масштабов производства, усложнением экономических связей, требований научно-технической революции в народном хозяйстве всё больше возникают потребности в автоматизации и компьютеризации экономики страны, что является необходимым условием для выхода Украины на мировой рынок.

Особое значение получает разработка автоматических систем управления технологическими и производственными процессами и оснащения их роботами-манипуляторами, приборами управления и контроля.

Автоматизация и роботизация производства — замена человеческого труда трудом машин, автоматов и роботов позволяет во много раз повысить производительность труда и качество продукции. Внедрение автоматизации и роботизации позволяет во много раз повысить проводить различные работы в тех отраслях хозяйства, где использование человеческого труда является неприемлемым из-за опасности для жизни и здоровья рабочих. Кроме того, точность выполнения работы, производимой машиной намного выше точности работы, выполненной человеком, что делает необходимым применение роботов и автоматов при изготовлении миниатюрной и высокоточной продукции.

Но роботы и автоматы — всего лишь механизмы, приводимые в действие механической либо иным видом энергии. Очевидно, что для использования этих механизмов требуются специальные системы управления. До изобретения ЭВМ, эти функции возлагались либо на человека, либо на сложные и громоздкие механические системы, из-за чего редко удавалось достичь высокой точности, кроме того, это требовало больших затрат финансовых средств и энергии, что приводило к повышению себестоимости продукции.

Другой стороной научно-технического прогресса явилось развитие науки, которая является основой для роста новых технологий и видов производства, которые, в свою очередь, стимулируют развитие науки. Нетрудно понять, что с развитием науки, всё более усложняется суть явлений, рассматриваемых ею, а, поскольку практически любое явление можно анализировать при помощи математики, то усложняются и расчёты, выполняемые человеком.

Поэтому, ещё с древнейших времён человек старался облегчить процесс математических вычислений. Сначала для этих целей использовались 10 пальцев и подручные предметы, затем — счёты, и, наконец, с изобретения в XVII веке Блез Паскалем первой суммирующей и вычитающей машины, начинается история развития вычислительной техники. С разработкой в 1910 году первой ЭВМ удалось решить массу проблем, особенно в области математических и статистических расчётов, которые человек не мог осуществить с такой точностью и скоростью, которые обеспечивала вычислительная техника.

Первые поколения ЭВМ создавались а основе электронных ламп, затем — транзисторов, и, поэтому, из-за своей высокой стоимости не находили широкого применения.

Лишь в 1959 году, когда Р. Нойс изобрёл микросхему, значительно снизилась себестоимость, потребляемая мощность, габариты и сложность ЭВМ, что способствовало их популяризации и всеобщему распространению, особенно в сфере управления производством.

Достижения микроэлектронной технологии позволило значительно расширить возможности всех классов ЭВМ.

Простота и гибкость использования компьютеров, в большей мере обусловлена применением программного обеспечения, что позволяет быстро и с наименьшими затратами изменить предназначение ЭВМ.

До настоящего времени были разработаны 4 поколения ЭВМ, причём первые 3 уже не используются. Четвёртое поколение ЭВМ, созданное на основе сверхбыстрых БИС способно выполнять сотни миллионов операций в секунду.

Успехи в развитии микропроцессоров и микро-ЭВМ ознаменовались созданием нового класса средств вычислительной техники — персональных компьютеров, в которых удачно сочетаются удобство, малые габариты, простота использования и широкая сфера применения со сравнительно низкой стоимостью.

Использование ПК во многих случаях позволяет повысить продуктивность и качество труда. Такие ЭВМ имеют довольно понятный интерфейс, благодаря чему работа с ними не требует особой подготовки. Широкий спектр программного обеспечения даёт возможность быстро изменить назначение данной ЭВМ.

Существует и быстро пополняется множество различных моделей персональных компьютеров. В новых моделях, которые предоставляются пользователю, возможности быстро расширяются, в первую очередь за счёт увеличения производительности процессоров, ёмкостей основной и внешней памяти, повышения качества и гибкости электронной графики, качества печати и т. д.

Сейчас, наряду с усовершенствованием персональных ЭВМ, широко ведутся разработки в области искусственного интеллекта, который позволил бы компьютеру самостоятельно принимать решения, не требуя при этом вмешательства человека.

Основой для разработки следующего (пятого) поколения ЭВМ станут всё большая миниатюризация и внедрение биотехнологий.

Принцип работы любой ЭВМ основан на проведении операций над числами, представленными двоичными (реже — двоично-десятеричными или другими) кодами в виде совокупности низких и высоких уровней напряжений или токов. Также, но значительно реже, встречаются ЭВМ, оперирующие аналоговой информацией. Поэтому на аппаратном уровне ЭВМ представлена двумя видами схем — комбинационными логическими схемами и цифровыми автоматами, структура которых зависит от того, какую из составных частей ЭВМ они реализуют и от назначения ЭВМ в целом.

При проектировании ЭВМ и вычислительных систем значительное внимание придают выбору операционных блоков АЛУ для реализации заданных логических и арифметических операций

Развитие электронной вычислительной техники, информатики и применения их средств и методов в народном хозяйстве, научных исследованиях, образовании и иных сферах человеческой деятельности является на данный момент приоритетным направлением развития научно-технического прогресса. Это приводит к необходимости широкой подготовки специалистов по электронным вычислительным машинам, системам и сетям, программному обеспечению и прикладной математике, автоматизированным системам обработки данных и управления, а также другим направлениям, связанным с интенсивным использованием вычислительной техники. Всем этим специалистам необходимы достаточно глубокие знания принципов построения и функционирования современных электронных вычислительных машин, комплексов, систем и сетей, микропроцессорных средств, персональных компьютеров. Такие знания необходимы не только специалистам различных областей вычислительной техники, но и лицам, связанным с созданием программного обеспечения и применением ЭВМ в различных областях, что определяется тесным взаимодействием аппаратных и программных средств ЭВМ, тенденций аппаратной интеграции системных и специализированных программных продуктов, что позволяет достичь увеличения продуктивности, надёжности, функциональной гибкости, большей приспособленности вычислительных машин и систем к эксплуатационному обслуживанию.

Заданием на данный курсовой проект является проектирование для некоторого цифрового автомата устройства управления на основе жёсткой логики, формирующего на десяти выходных шинах последовательности цифровых управляющих сигналов по заданным кодам микрокоманд.

Общая часть.

Преобразование информации в ЭВМ производится электронными схемами двух типов: комбинационными схемами и цифровыми автоматами (накапливающими или последовательностными схемами).

Более сложный класс преобразователей дискретной информации составляют цифровые автоматы. ЦА в отличие от комбинационной схемы имеет некоторое конечное число различных внутренних состояний.

Под воздействием входного слова ЦА переходит из одного состояния в другое и выдаёт выходное слово. Выходное слово в такте на выходе ЦА в общем случае определяется входным словом, поступившем на вход автомата в этот такт и внутренним состоянием автомата, которое явилось результатом воздействия на автомат входных слов в предыдущие такты.

Комбинация входного слова и текущего состояния автомата в данном случае определяет не только входное слово, но и то состояние, в которое автомат перейдёт к началу следующего такта.

В ЭВМ в качестве элементарных автоматов используются главным образом триггеры. Особенности построения цифровых устройств связаны со способом передачи информации между логическими элементами.

Основные понятия теории автоматов.

В данной части курсового проекта будут рассмотрены некоторые виды цифровых автоматов, принципы их построения и их различия, в зависимости от вида. Углубленная проработка данного вопроса необходима для оптимального решения задания курсового проекта.

Термин автомат, как правило, используется в двух аспектах. В первом случае, автомат  это устройство, выполняющее некоторые функции без непосредственного участия человека. Исходя из этого определения, можно сказать, что ЭВМ — автомат, так как после загрузки программы и исходных данных ЭВМ решает заданную задачу без участия человека. Во втором случае, термин "автомат" как математическое понятие обозначает математическую модель реальных технических автоматов. В этом аспекте автомат представляется как "чёрный 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. Но это условие идеализированно, поскольку очевидно, что реальный переходный процесс длится конечное время.

Автомат называется конечным, если множество его внутренних состояний и множество значений входных сигналов — конечные множества.

В практике часто используется понятие цифрового автомата, под которым понимают устройство, предназначенное для преобразования цифровой информации.

Входные сигналы в цифровых автоматах представляются в виде конечного множества мгновенных сигналов. В целях упрощения рассмотрения процессов, происходящих в цифровых автоматах, поскольку все события (состояния) должны относиться к фиксированному моменту времени t, то теоретически считают, что входные сигналы не имеют длительности, но реально это не так. 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 q₁(t) в состояние q₂(t).

П
усть имеется цифровой автомат с одним входом:

Рис. 1. Абстрактный автомат с одним входом и одним выходом

Математической моделью цифрового автомата является абстрактный автомат, заданный совокупностью шести объектов:

1) конечное множество Х входных сигналов (входной алфавит автомата):

Х={x₁(t), x₂(t) … х_n(t)};

2) конечное множество Y выходных сигналов (выходной алфавит автомата):

Y={y₁ (t), y₂(t) … y_k(t)};

3) произвольное множество Q состояний автомата:

Q={q₁(t), q₂(t) … q_s(t)};

4) начальное состояние автомата q₀, как элемент множества Q:

q₀(t)Q;

5) функция (q, x) (функция перехода автомата из одного состояния в другое);

6) функция (q, х) (функция выходов автомата).

Через понятие "абстрактный автомат" реализуется некоторое отображение множества слов входного алфавита Х во множество слов выходного алфавита Y.

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).

Существует два способа введения автоматного времени, по которым цифровые автоматы делят на два класса. В синхронных автоматах моменты времени, в которых фиксируются изменения состояний автомата, задаются специальным устройством — генератором синхросигналов, выдающим импульсы через равные промежутки времени (постоянный интервал дискретности). В асинхронных автоматах моменты перехода автомата из одного состояния в другое заранее не определены и зависят от каких-то событий. В таких автоматах интервал дискретности является переменным.

Общая теория автоматов при сделанных выше допущениях разбивается на две больших части — абстрактную теорию цифровых 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.

Автоматы классифицируют по двум наиболее распространенным признакам: