Сокращения
АЛУ – арифметико-логическое устройство
АЦП – аналого-цифровой преобразователь
ВПИ – вычислительный преобразователь информации
ГСА – граф-схема алгоритма
ДКГ – двоичный код Грея
ДГК – двоичный геометрический код
ДНК – двоичный непозиционный код
ДПК – двоичный позиционный код
ДНФ – дизъюнктивная нормальная форма
ЗУ – запоминающее устройство
ИУС – информационно-управляющая система
ЛПИ – логический преобразователь информации
ЛСА – логическая схема алгоритма
КНФ – конъюнктивная нормальная форма
МИУС – микропроцессорная ИУС
МПА – микропрограммный автомат
МПС – микропроцессорная система
МСА – матричная схема алгоритма
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство
ОУ – операционное устройство
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство
ПЛИС – программируемая логическая интегральная схема
ПЛМ – программируемая логическая матрица
Рг – регистр
СДНФ – совершенная ДНФ
СКНФ – совершенная КНФ
cr – счетчик, DC – дешифратор, CD – шифратор
СС – схема синхронизации
УА – управляющий автомат
УВ – устройство ввода информации
УВВ – устройство вывода информации
УВИ – устройство ввода изображений
ФАЛ – функция алгебры логики
Ф, И, Л, А, У – подсистемы структурной модели (функциональная, информационная, логическая, адресная, управляющая)
ФМ – фотоматрица
ЦА – цифровой автомат
ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь
ЦП – центральный процессор
Введение
XXI век называют веком информационных технологий, когда понятие информации, способы распространения и обработки информации приобретают первостепенное значение не только в задачах автоматизации производственных процессов, но и в задачах организации информационного и культурного обмена в деятельности регионов, стран и континентов. Это не значит, что энергетическая, материальная сторона вопроса несущественна, это значит лишь то, что и организация энергетических и материальных потоков определяется уровнем применяемых информационных технологий.
Вместе с тем, понятие «информационные технологии» чаще всего связывают с применением универсальных ЭВМ, программных комплексов для локальных и глобальных сетей ЭВМ. Фактически информационные технологии имеют две стороны:
– технологическую и схемотехническую, позволяющую аппаратными средствами реализовать как сами ЭВМ, так и всевозможные средства приема, хранения, передачи и обработки информации;
– собственно программные средства для реализации информационных преобразований на универсальных ЭВМ или сетях ЭВМ.
Обоим этим аспектам предшествует так называемая алгоритмическая сторона информационных технологий, т.е. изучение самого процесса управления или преобразования информации, его формализация в математической или алгоритмической форме.
Настоящее пособие посвящено формальной и структурной теории автоматов, являющейся одним из важнейших разделов аппаратной реализации средств преобразования информации. Однако это направление затрагивает и вторую сторону вопроса (программное обеспечение) по двум основным аспектам:
– сами программы реализуются (выполняются) с помощью аппаратных средств;
– имеется тенденция создания так называемых систем со встроенными информационными технологиями. В таких системах программное обеспечение из оперативной памяти для универсальной ЭВМ переведено в основном в «жесткую» аппаратную реализацию на основе постоянных запоминающих устройств и программируемых матриц.
Развитие интегральных технологий микроэлектронных и оптоэлектронных схем привело к созданию сложных элементов и устройств вычислительной техники и дискретной автоматики.
Изделия микроэлектроники производятся в виде интегральных схем (ИС) с малой (МИС), средней (СИС), большой (БИС) и со сверхбольшой степенью интеграции (СБИС). Эта степень интеграции определяется через количество условных вентилей или через число p-n -переходов:
до 103 – МИС; до 104 – СИС; до 106 – БИС; свыше 106 – СБИС.
Некоторые из интегральных схем относятся к классу операционных устройств (ОУ), т.к. их использование по назначению требует наличия внешнего управления, другие же являются устройствами с автономным управлением (микропроцессоры, контроллеры и др.). Из каких бы элементов интегральной схемотехники ни состояла вся автоматизированная система, ее функционирование во времени может быть обеспечено только включением в структуру системы автоматов управления.
В этом плане роль автоматов управления в проектировании и применении автоматизированных систем является определяющей. Более того, в некоторых специализированных системах, работающих в реальном масштабе времени (самолеты, морские суда, системы ж.-д. автоматики), наряду с ОЗУ и ПЗУ автоматы управления могут составлять > 50 % радиоэлектронного оборудования.
В последнее время широко применяются так называемые самоконтролируемые автоматы, т.е. автоматы со встроенными системами контроля правильности функционирования.
Всем этим вопросам и посвящено настоящее учебное пособие.
Студенты, обучающиеся специальностям в области информационных технологий, обычно уже имеют определенное понятие о работе с цифровой техникой и персональными компьютерами, а подчас и практические навыки такой работы. Однако, будучи пользователями ЭВМ или любителями электронной техники и автоматики, при фрагментарных знаниях микропроцессорной техники они допускают в ряде случаев элементарные промахи из-за нечеткого понимания основ теории дискретных устройств (ТДУ).
Настоящее пособие предназначено для студентов, изучивших основы электротехники и электроники и знакомых с элементами цифровой техники.
Ряд разделов пособия (гл. 2, 4, 5) ориентирован на научно-исследовательскую работу студентов и дипломное проектирование, хотя в основе автор не старался чрезмерно выходить за рамки учебной программы по теории дискретных устройств для специальностей железнодорожного профиля в области информационных технологий и систем (Автоматика, телемеханика и связь, Информационные системы, Мехатроника, Приборы и системы неразрушающего контроля, Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем управления, Безопасность информации и Энергоснабжение).
В первой главе кратко излагаются все основные понятия.
Уровень сложности материала возрастает по мере изложения, однако в какой-то мере пособие является самодостаточным по данному вопросу, т.е. студенту при первом чтении для освоения знаний по программе достаточно пользоваться дополнительно только справочниками по элементной базе. С главой 2 следует лишь ознакомиться, обратив главное внимание на изучение материала гл. 3.
В настоящем пособии кратко изложены базовые понятия и методы теории дискретных устройств и даны методы абстрактного и структурного синтеза автоматов с ориентацией на применение больших интегральных схем (БИС) в виде ПЗУ, ПЛМ, ПЛИС и др.
Структурный синтез автоматов ориентирован не на задачи преобразований графов или таблиц переходов, что эффективно на элементах малой и средней интеграции, а на декомпозиционный подход с самого верхнего уровня, т.е. уровня описания алгоритмов управления.
Все положения ТДУ применимы не только в электронной технике, но и при создании устройств пневмоавтоматики, управляемых аналого-цифровых систем и устройств квазиоптического диапазона.
Учебное пособие ориентировано в первую очередь на студентов, изучающих ТДУ по односеместровой программе (без курсовых и лабораторных работ). Специальности этого профиля для ж.-д. транспорта перечислены. Этой категории студентов для освоения программы можно лишь прочитать гл. 4 и 5, т.к. они рассчитаны на научно-исследовательскую работу студента (НИРС) и дипломное проектирование, если тема проекта имеет отношение к ТДУ. Однако для студентов, изучающих ТДУ в группе специальностей «Информатика и вычислительная техника» при 2- и 3-семестровой программе с курсовыми работами рекомендуются все главы пособия и более углубленное изучение дополнительной литературы. Параграф 4.3 и два последних параграфа не относятся к теоретическим материалам курса ТДУ. Это, фактически, подробно рассмотренные примеры проектирования конкретных систем. Причем РПЗУ серии 573 хотя и используются, на их замену разработаны сейчас новые серии. Однако этот материал интересен для студента тем, что в нем в комплексе используются все основные дискретные устройства: схемы на ПЗУ, дешифраторы, многорежимные формирователи импульсов, логические преобразователи, автоматы управления, блоки индикации и др. Это пример того, как, изучив ТДУ и умея производить анализ узлов и блоков, можно перейти к проектированию относительно сложной системы со всеми подсистемами: функциональной, адресной, информационной, логической и управляющей.
В списке литературы имеются источники, не относящиеся к числу необходимых для усвоения материала, даже в числе дополнительных. Это касается материалов по пневмоматрицам, устройствам СВЧ диапазона, системам распознавания образов, нейронным системам и технологическим процессам с системами управления на базе искусственного интеллекта.
Автор включил эти материалы с двойной целью:
- убедить в том, что ТДУ применима не только к электронным схемам;
- определить области практического применения ТДУ.
Все ссылки на литературу, используемую автором при написании пособия, относятся в основном к гл. 4, 5. Однако это не значит, что гл. 4, 5 – компиляция этих источников. Более того, почти весь материал этих глав оригинален (изобретения) или базируется на теоретических работах автора. Ссылки же на других авторов потребовались для установления исторического приоритета в некоторых вопросах и сопоставления метода автора другим решениям.
В учебном пособии § 3.5 и 5.3 написаны аспирантом Ю.А. Мухопадом.
Автор выражает признательность доктору техн. наук, профессору Легалову А.И., доктору техн. наук, профессору Дунаеву М.П. и доктору техн. наук, профессору Круглову С.П., внимательно прочитавшим рукопись. Их конструктивные замечания способствовали улучшению учебного пособия.
Глава 1
БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ И КОНСТРУКЦИИ СИСТЕМ