Podstawy techniki cyfrowej. Układy asynchroniczne Opracował: R.Walkowiak Styczeń 2014

Podobne dokumenty
Układy asynchroniczne

Układy asynchroniczne

Sławomir Kulesza. Projektowanie automatów asynchronicznych

Podstawowe moduły układów cyfrowych układy sekwencyjne cz.2 Projektowanie automatów. Rafał Walkowiak Wersja /2015

Podstawy Techniki Cyfrowej Teoria automatów

Synteza układów kombinacyjnych

SWB - Projektowanie synchronicznych układów sekwencyjnych - wykład 5 asz 1. Układy kombinacyjne i sekwencyjne - przypomnienie

b) bc a Rys. 1. Tablice Karnaugha dla funkcji o: a) n=2, b) n=3 i c) n=4 zmiennych.

Wstęp do Techniki Cyfrowej... Teoria automatów i układy sekwencyjne

zmiana stanu pamięci następuje bezpośrednio (w dowolnej chwili czasu) pod wpływem zmiany stanu wejść,

Temat: Projektowanie i badanie liczników synchronicznych i asynchronicznych. Wstęp:

Wstęp do Techniki Cyfrowej... Teoria automatów

Teoria układów logicznych

KATEDRA INFORMATYKI TECHNICZNEJ. Ćwiczenia laboratoryjne z Logiki Układów Cyfrowych. ćwiczenie 212

Przerzutnik ma pewną liczbę wejść i z reguły dwa wyjścia.

Asynchroniczne statyczne układy sekwencyjne

Podstawowe elementy układów cyfrowych układy sekwencyjne Rafał Walkowiak Wersja

Sławomir Kulesza. Projektowanie automatów synchronicznych

Wstęp do Techniki Cyfrowej... Układy kombinacyjne

1. SYNTEZA UKŁADÓW SEKWENCYJNYCH

Errata do książki Multisim. Technika cyfrowa w przykładach.

Wstęp do Techniki Cyfrowej... Synchroniczne układy sekwencyjne

Projekt prostego układu sekwencyjnego Ćwiczenia Audytoryjne Podstawy Automatyki i Automatyzacji

Badanie właściwości skramblera samosynchronizującego

LICZNIKI PODZIAŁ I PARAMETRY

Podstawy Automatyki. Człowiek- najlepsza inwestycja. Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Ćwiczenie nr 1 Temat: Ćwiczenie wprowadzające w problematykę laboratorium.

Ćw. 8 Bramki logiczne

Automat skończony FSM Finite State Machine

WFiIS CEL ĆWICZENIA WSTĘP TEORETYCZNY

1.Wprowadzenie do projektowania układów sekwencyjnych synchronicznych

Lista tematów na kolokwium z wykładu z Techniki Cyfrowej w roku ak. 2013/2014

1. Synteza automatów Moore a i Mealy realizujących zadane przekształcenie 2. Transformacja automatu Moore a w automat Mealy i odwrotnie

dwójkę liczącą Licznikiem Podział liczników:

Automat Moore a. Teoria układów logicznych

Podstawowe elementy układów cyfrowych układy sekwencyjne. Rafał Walkowiak

Podstawy Automatyki. Wykład 15 - Projektowanie układów asynchronicznych o programach liniowych. dr inż. Jakub Możaryn. Instytut Automatyki i Robotyki

TEMAT: PROJEKTOWANIE I BADANIE PRZERZUTNIKÓW BISTABILNYCH

Wykład nr 1 Techniki Mikroprocesorowe. dr inż. Artur Cichowski

Temat 3. Synteza układów sekwencyjnych z bramek logicznych

Laboratorium podstaw elektroniki

Materiały pomocnicze do ćwiczeń z podstaw techniki cyfrowej (przygotował R.Walkowiak) Dla studiów niestacjonarnych rok AK 2017/18

Część 3. Układy sekwencyjne. Układy sekwencyjne i układy iteracyjne - grafy stanów TCiM Wydział EAIiIB Katedra EiASPE 1

Technika Cyfrowa 1 wykład 12: sekwencyjne układy przełączające

Synteza strukturalna automatów Moore'a i Mealy

xx + x = 1, to y = Jeśli x = 0, to y = 0 Przykładowy układ Funkcja przykładowego układu Metody poszukiwania testów Porównanie tabel prawdy

Minimalizacja form boolowskich

Technika cyfrowa Synteza układów kombinacyjnych (I)

Spis treści. Przedmowa Wykaz oznaczeń Wstęp Układy kombinacyjne... 18

Definicja układu kombinacyjnego była stosunkowo prosta -tabela prawdy. Opis układu sekwencyjnego jest zadaniem bardziej złożonym.

Wstęp. Przygotowanie teoretyczne

Elementy cyfrowe i układy logiczne

1.2 Funktory z otwartym kolektorem (O.C)

Synteza strukturalna automatu Moore'a i Mealy

Asynchroniczne statyczne układy sekwencyjne

Technika cyfrowa Synteza układów kombinacyjnych

Podstawy Informatyki Elementarne podzespoły komputera

W przypadku spostrzeżenia błędu proszę o przesłanie informacji na adres

Algorytmy równoległe: ocena efektywności prostych algorytmów dla systemów wielokomputerowych

Podstawy Automatyki. Wykład 13 - Układy bramkowe. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Wykład nr 3 Techniki Mikroprocesorowe. dr inż. Artur Cichowski

Podstawowe układy cyfrowe

4. UKŁADY FUNKCJONALNE TECHNIKI CYFROWEJ

Bramki logiczne Podstawowe składniki wszystkich układów logicznych

Technika Cyfrowa. Badanie pamięci

2. PORTY WEJŚCIA/WYJŚCIA (I/O)

W jakim celu to robimy? Tablica Karnaugh. Minimalizacja

Automatyzacja i robotyzacja procesów produkcyjnych

Statyczne badanie przerzutników - ćwiczenie 3

UKŁADY SEKWENCYJNE Opracował: Andrzej Nowak

Temat 7. Dekodery, enkodery

Logiczne układy bistabilne przerzutniki.

PRZERZUTNIKI: 1. Należą do grupy bloków sekwencyjnych, 2. podstawowe układy pamiętające

Najkrótsza droga Maksymalny przepływ Najtańszy przepływ Analiza czynności (zdarzeń)

Układy kombinacyjne. cz.2

POTRZEBY A B C D E P P P P P

PAMIĘĆ RAM. Rysunek 1. Blokowy schemat pamięci

Tranzystor JFET i MOSFET zas. działania

Cyfrowe układy scalone c.d. funkcje

AKADEMIA MORSKA KATEDRA NAWIGACJI TECHNICZEJ

Laboratorium z podstaw automatyki

Podstawy Elektroniki dla Elektrotechniki. Liczniki synchroniczne na przerzutnikach typu D

Systemy cyfrowe z podstawami elektroniki i miernictwa Wyższa Szkoła Zarządzania i Bankowości w Krakowie Informatyka II rok studia dzienne

Laboratorium przedmiotu Technika Cyfrowa

Wystawienie faktury specjalnej usługowej z 8% stawką VAT do zlecenia produkcyjnego.

Cyfrowe układy sekwencyjne. 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 2

Inwerter logiczny. Ilustracja 1: Układ do symulacji inwertera (Inverter.sch)

Układy cyfrowe. Najczęściej układy cyfrowe służą do przetwarzania sygnałów o dwóch poziomach napięć:

Bramki TTL i CMOS 7400, 74S00, 74HC00, 74HCT00, 7403, 74132

ćwiczenie 202 Temat: Układy kombinacyjne 1. Cel ćwiczenia

Aby w pełni przetestować układ o trzech wejściach IN_0, IN_1 i IN_2 chcemy wygenerować wszystkie możliwe kombinacje sygnałów wejściowych.

LABORATORIUM. Technika Cyfrowa. Badanie Bramek Logicznych

INSTYTUT CYBERNETYKI TECHNICZNEJ POLITECHNIKI WROCŁAWSKIEJ ZAKŁAD SZTUCZNEJ INTELIGENCJI I AUTOMATÓW

KATEDRA INFORMATYKI TECHNICZNEJ. Ćwiczenia laboratoryjne z Logiki Układów Cyfrowych. ćwiczenie 204

Podstawy Techniki Cyfrowej Liczniki scalone

Projekt Koder HDB-3. Wykonali: Agnieszka Sikorska, Łukasz Kokosza EiTI Politechnika Warszawska Warszawa Projekt UCYF Koder HDB-3

Metoda Karnaugh. B A BC A

Elementy cyfrowe i układy logiczne

Ćwiczenie 29 Temat: Układy koderów i dekoderów. Cel ćwiczenia

Transkrypt:

Podstawy techniki cyfrowej Układy asynchroniczne Opracował: R.Walkowiak Styczeń 2014

Charakterystyka układów asynchronicznych Brak wejścia: zegarowego, synchronizującego. Natychmiastowa (niesynchronizowana) reakcja układu potencjalnie na każdą zmianę w wektorze wejściowym. Nowy stan układu ustala się po opóźnieniu wynikającym z czasów propagacji elementów zastosowanych do realizacji układu. Stan przejściowy, niestabilny dla danego wektora wejściowego układ przechodzi tylko tymczasowo (czasy propagacji układów) do tego stanu. Stan stabilny dla określonego wektora wejściowego układ wchodzi i pozostaje w tym stanie. 2

Stan niestabilny Stan przejściowy, niestabilny dla danego wektora wejściowego układ przechodzi tylko tymczasowo (na czas propagacji układów użytych do realizcji układu) do tego stanu a następnie z niego wychodzi S przejściowy a a 3

Stan stabilny dla określonego wektora wejściowego układ wchodzi i pozostaje w tym stanie. a a b Stan stabilny 4

Przykład automatu asynchronicznego wykrywającego sekwencję bitów 1 1 2 3 4 stan 0 1 wy 1 1 2 0 2 3 2 0 3 3 4 0 4 3 4 1 tp tp WE WY Automat asynchroniczny posiada tylko stany stabilne. Przejścia pod wpływem jedynek na wejściu oznaczono kolorem czerwonym grafu. Po czasie propagacji elementów układu następuje przejście do kolejnego stanu (ewentualna zmiana na wyjściu). 5

Przykład automatu asynchronicznego Automat ma 2 wejścia i jedno wyjście, wykrywa sekwencję par bitów,,. Należy założyć, że jednoczesna zmiana sygnałów wejściowych jest niemożliwa. s4 01 S3/1 s2 s1 stan 01 wy S1 S4 - S2 S1 0 S2 - S5 S2 S3 0 S3 S4 - S2 S3 1 S4 S4 S5 - S1 0 S5 S4 S5 S6-0 01 S6 - S5 S6 S1 0 01 s5 01 s6 Do każdego stanu przechodzimy kombinacją wejść, dla której nowy stan jest stabilny. 6

Minimalizacja stanów stan 01 wy S1 S4 - S2 S1 0 S2 - S5 S2 S3 0 S3 S4 - S2 S3 1 S4 S4 S5 - S1 0 S5 S4 S5 S6-0 S6 - S5 S6 S1 0 s2 1,3 S3 nie nie S4 tak 1,3 Nie S5 2,6 2,6 Nie Tak S6 2,6 1,3 nie Tak Tak s1 S2 s3 s4 s5 Pary zgodne stanów to: {S1,S4}, {S4,S5}, {S4,S6}, {S5,S6}. Pary zgodne to takie, że z każdego ze stanów pary następują przejścia do tego samego stanu, lub stanów równoważnych (para stanów: dowolny i określony są sobie równoważne). Maksymalne klasy stanów zgodnych powstają przez połączenie par i klas stanów zgodnych bez uwzględnienia stanów następnych: {S4,S5,S6}, {S1,S4}. Klasa {S4,S5,S6} powstaje z par zgodnych: {S4,S5}, {S4,S6} i {S5,S6}. Szukamy minimalnego zbioru klas zgodnych spełniającego warunek pokrycia i zamknięcia (por str. następna) 7

Minimalizacja stanów Szukamy minimalnego zbioru klas zgodnych spełniającego warunek pokrycia i zamknięcia. Warunek pokrycia zbioru klasy zgodnych oznacza pogrupowanie w ramach klas zgodnych wszystkich stanów pierwotnych (w grafie przed optymalizacją) Warunek zamknięcia oznacza przejścia (pod wpływem jednakowych słów wektora wejścia) do tych samych lub równoważnych stanów następnych. Przejścia jednakowe dotyczą dla wszystkich stanów klasy. Uwaga: W wyniku łączenia par w klasy warunek zamknięcia obowiązujący dla par mógł przestać być spełniony -np. dla klasy stanów złożonych ze stanów pochodzących z par stanów równoważnych przechodzących pod wpływem jednakowego słowa wejściowego do stanów (S5, dowolny) oraz (S6, dowolny) warunek zamknięcia jest spełniony dopiero w przypadku równoważności stanów 5 i 6. Dla naszego przykładu klasa {S4,S5,S6} spełnia warunek zamknięcia pod wpływem różnych wektorów wejściowych następuje przejście do stanu S1 lub przejście do stanu {S4,S5,S6}. Warunek pokrycia i zamknięcia spełniają równoliczne zbiory klas zgodnych {S4,S5,S6}, S1,S2,S3 {S1,S4}, {S5,S6}, S2, S3 Stosując pierwszy zbiór klas zgodnych otrzymamy następującą minimalną tabelę przejść i wyjść automatu następna strona. 8

Tablica przejść i wyjść po minimalizacji stanów stan 01 wy S1 S4 - S2 S1 0 S2 - S5 S2 S3 0 S3 S4 - S2 S3 1 S4 S4 S5 - S1 0 stan 01 wy S1 SA - S2 S1 0 S2 - SA S2 S3 0 S3 SA - S2 S3 1 SA SA SA SA S1 0 S5 S4 S5 S6-0 S6 - S5 S6 S1 0 Klasę stanów {4,5,6} oznaczono jako SA 9

stan 01 wy S1 SA - S2 S1 0 S2 - SA S2 S3 0,01, SA s1 S3 SA - S2 S3 1 SA SA SA SA S1 0 01 s2 S3/1 Automat wykrywa sekwencję par bitów,,

Kodowanie stanów - trudne stan 01 wy S1 SA - S2 S1 0 S2 - SA S2 S3 0 S3 SA - S2 S3 1 Należy unikać wielokrotnych zmian na wyjściu (zmian w ramach wektora kodującego stan) pod wpływem zmian wektora wejść SA SA SA SA S1 0 stan 01 wy - 01 0 01-01 0-01 1 0,01, SA 01 s2 01 S3/1 s1

Kodowanie stanów Dla przyjętego kodowania kolejne stany automatu charakteryzują się różnicą na jednym bicie (ich sekwencji kodującej) oprócz sytuacji przejścia ze stanu 01 pod wpływem wejść 01. Wtedy następuję przejście z 01 do. W zależności od prędkości zmian na wyjściach możliwe są potencjalnie dwa warianty zmian na wyjściu (zmiany wyjść nie muszą wystąpić równocześnie) 01 -> 01 -> Po przejściu do stanu powinno nastąpić przejście do stanu lecz w tablicy przejść takiej sytuacji jeszcze nie uwzględniono trzeba je wprowadzić. Analogiczna sytuacja dotyczy stanu. Stany i stany staną się stanami niestabilnymi przy przejściu 01-> : możliwe kolejności przejść: 01->-> lub 01->-> stan 01 wy 01 0 01-01 0 01 1 0 Zielone strzałki oznaczają przejścia do stanów pośrednich, a niebieskie do stanu stabilnego. Efektem modyfikacji jest tablica Karno na stronie kolejnej. 12

stan 01 wy 01 0 01-01 0 01 1 0 Q1Q0\x1x0 01 1 1 0 0 01-1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 Obserwowana sytuacja, w której układ osiąga stan stabilny niezależnie od kolejności w jakiej następuje zmiana zmiennych stany nosi nazwę gonitwy niekrytycznej: przejścia 01-> i 01-> spowodują ostatecznie przejście do stanu 01 (wyścig niekrytyczny). Optymalizacja dla Q1 Q1 next= x1 +Q0x0 +Q1Q0 x0 Q1Q0\x1x0 01 0 0 1 0 01-0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 Optymalizacja dla Q0 Q0 next= x1x0q1 +Q0x1 13

stan 01 wy S1 SA - S2 S1 0 S2 - SA S2 S3 0 S3 SA - S2 S3 1 SA SA SA SA S1 0 stan 01 wy - 01 0 01-01 0-01 1 0 14

Przykład automatu asynchronicznego Automat ma 2 wejścia i jedno wyjście, wykrywa sekwencję par bitów,,. 1 2 3 2 3 4 1 4 15

Inne kodowanie stanów automatu stan 01 wy S1 SA - S2 S1 0 S2 - SA S2 S3 0 S3 SA - S2 S3 1 SA SA SA SA S1 0 stan 01 wy - 01 0 01-01 0-01 1 Dla zaznaczonego na żółto przejśćia występuje gonitwa (wyścig) krytyczna brak możliwości przejścia do stanu docelowego ze względu na stan przejściowy stabilny:-> zamiast przejścia ->01. Przejścia oznaczone na czerwono niemożliwe do zrealizowana ze względu na pośrednie stany stabilne. Konieczna zmiana kodowania (rozpięcie stanów automatu na kwadracie lub sześcianie kodowym) i dodatkowo rozszerzenie przestrzeni stanów umożliwiające bezpieczne przejście miedzy stanami poprzez stany pośrednie. Przejście ->01 można zrealizować wprowadzając stany pośrednie wynikające z poszerzenia słowa kodowego: 0->1->1->1->1 0 16

,01, SA s1 s2 S3/ 01 1,01, SA s2 S3/ 1 s1 01 1 01 1 0 01 1 0 1 1 1 Czerwonym kolorem oznaczono te przejścia pomiędzy stanami, które mogą wprowadzić gonitwę. Przejścia te nie wpisują się w kwadrat kodowy. Kwadrat i sześcian kodowy zawierają krawędzie pomiędzy wierzchołkami różniącymi się na jednym bicie etykiety. Przejścia pomiędzy takimi wierzchołkami nie powodują gonitwy. 17

Hazard Krótkie zakłócenie impulsowe na wyjściu układu pojawiające się przejściowo na skutek zmian na wejściu. Hazard funkcjonalny - w odpowiedzi na zmiany kilku sygnałów wejściowych propagujące różnymi drogami do wyjścia (trudny do eliminacji). Hazard logiczny w odpowiedzi na zmianę jednego sygnału propagującą różnymi drogami do wyjścia (możliwy do eliminacji za pomocą dodatkowych elementów układu). 18

Postacie hazardu Hazard statyczny w 1 Hazard statyczny w 0 Hazard dynamiczny 0 ->1 Hazard dynamiczny 1 ->0 19

Hazard statyczny wy A B C C\BA 01 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 wy= AB + C B + AC W układzie powyżej zmiana wektora wejść (ABC) z 1 na 1 może spowodować przejściowo poziom niski na wyjściu. Wprowadzenie implikanta AC obejmującego zmiany sygnału generujące hazard pozwala na jego usunięcie. 20

A B C WY Hazard dynamiczny W układzie zmiana wektora wejść (ABC) z 1 na 1 może spowodować - po t WY pierwszym, a przed ostatecznym przejściem wyjścia do poziomu niskiego - przejściowo poziom wysoki. Jest to możliwe, gdy dolna bramka OR będzie powolna w generacji ostatecznego wyniku, a wcześniej pojawi się przejściowo 0 na górnej bramce OR spowodowane przełączeniem stanu wejścia B. Hazard ten można również usunąć we wcześniej omówiony sposób. 21