Асинхронные и синхронные цифровые устройства

Шесть объектов (параметров) цифрового устройства

Понятие конечного автомата

Комбинационные и последовательностные цифровые устройства

На основании вышеизложенного можно дать определение комбинационного цифрового устройства и последовательностного цифрового устройства как двух видов, на которые подразделяются цифровые устройства.

Комбинационное цифровое устройство (устройство без памяти) – устройство, в котором комбинации состояний входов однозначно соответствует комбинация состояний выходов.

Последовательностное цифровое устройство (устройство с памятью) – устройство, в котором комбинация состояний выходов определяется не только комбинацией состояний входов в данный момент, но и комбинацией состояний входов в предыдущие моменты времени [1,3,10,14, 17,18,19,20,22,29,30,31,32].

Структурная схема цифрового устройства (рис. 1.2) представляет собой последовательностное устройство. Её блок ЛП (КС) является комбинационной схемой.

Иногда комбинационную схему называют цифровым устройством с одним внутренним состоянием.

Таким образом, любое последовательностное устройство состоит из комбинационного устройства (логического преобразователя) и элементов памяти.

Часто комбинационное устройство называют логическим блоком ввиду того, что оно как будет показано ниже, строится из логических элементов, а совокупность элементов памяти, в качестве которых чаще всего используется триггеры, называют блоком памяти.

Структурная схема (рис. 1.2), в теории автоматов называется так же структурной моделью конечного автомата. Существует абстрактная модель конечного автомата, которая не рассматривается в данном пособии.

Автомат называется конечным ввиду того, что конечно множество комбинаций состояний входов (их число равно 2ⁿ), множество комбинаций состояний выходов (их число равно 2^k), множество внутренних состояний (их число равно 2^s) [4, 7,8,10,29,30,31,32].

Методы теории автоматов [4, 8] лежат в основе инженерных методов синтеза цифровых устройств [7, 28]. Поэтому часто при инженерном синтезе цифровых устройств используется термин «цифровой автомат», «автомат с памятью», «автомат без памяти» и даже «конечный автомат» и т.п.

В данном пособии мы будем использовать термин «цифровое устройство» или просто «устройство» с указанием его особенностей.

Цифровое устройство (конечный автомат, рис. 1.2) определяется шестью объектами (параметрами), которые также определяют конкретное цифровое устройство, реализованное в соответствии с этой структурной схемой [4,8]:

- конечным множеством состояний входов

ρ= { ρ₁, ρ₂ ….ρ_N}, где N=2ⁿ;

- конечным множеством состоянии выходов

Λ = {λ₁, λ₂…. λ_Р }, где Р = 2^k;

- конечным множеством внутренних состояний

κ = {æ₀, æ₁…. æ_S-1 }, где S = 2^s

- функциями переходов, определяющими порядок смены внутренних состояний (это функции алгебры логики, которые описывают цепи воздействующие на каждый из элементов памяти, то есть на внутренние выходы z_k+1,……z_k+s).

- функциями выходов (это функции алгебры логики, которые описывают цепи, воздействующие на каждый из внешних выходов z₁, z₂ … z_k)

- начальным внутренним состоянием æ₀, которое выделяется из множества внутренних состояний, то есть состоянием, в котором устройство находится в исходном состоянии (в частности после включения питания).

Понятие о функциях алгебры логики и способах представления цифровых схем с их помощью будет рассмотрено ниже. Из вышесказанного ясно, что комбинационная схема полностью описывается функциями переходов и функциями выходов.

В реальных цифровых устройствах, выполняемых в соответствии с вышеописанной моделью, происходят физические процессы, имеющие определенные длительности. Это переход элементов памяти из одного состояния в другое, который определяется их временем срабатывания (быстродействием), а также процесс распространения сигналов по цепям логического преобразователя (комбинационной схемы) разный по длительности для разных цепей. Разброс времен срабатывания элементов памяти приводит к тому, что переход от одной из комбинаций их состояний к другой происходит через кратковременные промежуточные комбинации состояний, в которых одни из элементов памяти переключались, а другие нет. На выходах комбинационной схемы при изменении комбинаций состояний входов также могут появляться кратковременные промежуточные комбинации состояний выходов из-за разных задержек сигналов в разных цепях. Эти явления в элементах памяти и в комбинационной схеме могут привести к сбоям в работе устройства (отклонениям от заданного алгоритма обработки информации). Такие отрицательные явления называются состязаниями (или гонками, перескоками).

Реальные цифровые устройства по способу обеспечения переходов из одного состояния в другое подразделяются на асинхронные и синхронные [4, 6, 7, 8, 10, 11, 16, 20].

В асинхронных цифровых устройствах переключения элементов происходит без внешнего управления под воздействием внешних входов и в зависимости от состояния элементов памяти.

По существу структурная схема (рис. 1.1) является схемой асинхронного цифрового устройства (асинхронного автомата).

Указанные явления присущи только асинхронным схемам. Методами исключения этих явлений являются:

- соседнее кодирование внутренних состояний, когда комбинации состояний элементов памяти при переходе от состояния к состоянию отличаются состоянием одного элемента памяти (такое кодирование называется ещё кодом Грея);

- кодирование состояний, при котором состязания не приводят к сбоям в работе (состязания не являются критическимиостязания не являются при котором состязания не приводят к сбоям в работе () () управления под воздействием внешних входов и в);

- построение логического преобразователя, при котором ложные сигналы либо не возникают, что достигается анализом цепей распространения сигналов и обеспечением их одинаковой задержки, либо обеспечение того, чтобы они не приводили к сбоям (некритические состязания), либо обеспечение задержки на переключение элементов памяти, при которой кратковременные импульсы на их входах не вызывают их срабатывания.

Задача исключения состязаний в асинхронных устройствах является непростой задачей. Более подробно об этом сказано в [7].

В синхронных (тактируемых) устройствах протекающие процессы упорядочиваются по времени с помощью специальных синхросигналов, вырабатываемых общим для всего устройства генератором.

Элементы памяти принимают информацию в момент синхроимпульса, когда переходные процессы уже закончились и выдают информацию на выход в тот момент, когда их входы её не принимают.

Это достигается, например, использованием двухуровневой памяти, когда каждый из элементов памяти является, например, двухступенчатым D-триггером, когда по одному из фронтов синхроимпульса информация принимается из комбинационной схемы, а по другому она передается во вторую ступень и на входы комбинационной схемы, но при этом прием информации в триггер запрещен, поэтому все переходные процессы и во второй ступени триггера, и в комбинационной схеме не фиксируется триггерами. К моменту наступления фронта, после которого информация принимается триггером все переходные процессы заканчиваются. Состязания элементов памяти и в комбинационной схеме не влияют на работу устройства [6,10,11,15].

Синхронные цифровые устройства гораздо чаще используются в современной цифровой технике, так как они проще при проектировании, в частности из-за достаточно просто решаемой задачи устранения критических состязаний. Однако, необходимо отметить, что асинхронные устройства обладают большим быстродействием, так как в синхронных устройствах интервалы между синхроимпульсами рассчитываются исходя из наихудшего по быстродействию элемента памяти [6,11].

При разработке синхронных устройств используются те же основополагающие принципы и методы, что и при разработке асинхронных устройств, с учетом дополнительного входа синхронизации.

Дата добавления: 2014-11-29