Задачи и последовательность синтеза дискретных устройств с памятью

Синтез дискретных устройств с памятью

Как известно, основной задачей синтеза является создание дискретного устройства, удовлетворяющего заданным условиям работы и дополнительным требованиям по минимальности числа элементов, типам применяемых логических элементов, памяти, надежности, технологичности, удобству контроля и т.д.

Синтез ДУ с памятью, также как и синтез ДУ без памяти, подразделяется на три этапа: абстрактный синтез, структурный синтез, физический синтез. При синтезе дискретных устройств с памятью все эти этапы выражены достаточно характерно.

Часто этапы абстрактного и структурного синтеза объединяют общим названием “логический синтез”.

Как правило, в технике используются дискретные устройства большой сложности, условия работы которых в целом либо вообще нельзя выразить, либо эта формулировка оказывается чрезвычайно громоздкой. Поэтому в общем случае синтез дискретного устройства (автомата) с памятью должен называться с так называемого блочного синтеза. Он заключается в том, что формулируется общий алгоритм функционирования автомата и на основе анализа этого алгоритма автомат подразделяется на отдельные дискретные устройства (блоки). Одновременно устанавливаются взаимосвязи между блоками, разрабатываются условия синхронизации их работы.

Далее формулируются условия работы, которые должны реализовать отдельные дискретные устройства (блоки), и производится синтез этих отдельных ДУ по заданным условиям их работы, после чего путем установления внешних связей отдельных блоков добиваются, чтобы реализовался требуемый алгоритм работы всего автомата.

Следовательно, задача синтеза автомата сводится к синтезу его из отдельных блоков и значительно упрощается. Такими отдельными функциональными блоками (устройствами) могут являться: логические преобразователи, шифраторы, дешифраторы, сумматоры, элементарные автоматы памяти (элементы памяти), счетчики, регистры, распределители, операционные устройства, устройства управления, запоминающие устройства, входные и выходные устройства. Для достаточно простых автоматов очень удобным является деление автомата с памятью на три блока: блок управления памятью, блок памяти и блок формирования выходных сигналов.

В дальнейшем задачу синтеза ДУ с памятью мы будем рассматривать применительно к синтезу отдельных функциональных блоков.

Целью абстрактного синтеза ДУ с памятью является переход от словесной формулировки условий работы проектируемого ДУ к формальной записи их в виде таблиц (табличной форме записи условий работы промежуточных и исполнительных элементов для контактных ДУ, табличной форме записи условий функционирования элементов памяти и появления сигналов на выходе - для бесконтактных ДУ) и символической формы.

На этапе абстрактного синтеза обычно пренебрегают теми физическими элементами на которых будет построено ДУ, и не рассматривают какие значения могут принимать входы и выходы. Важно, чтобы было установлено лишь число возможных различных внутренних состояний ДУ и условия формирования тех или иных состояний выходов (исполнительных элементов) при поступлении на его входы той или иной последовательности входных сигналов.

Основным критерием при абстрактном синтезе является обеспечение минимального количества элементов памяти при выполнении заданных условий работы. Отметим однако, что иногда для исключения состязаний элементов памяти приходится идти на увеличение их числа.

Наиболее универсальным методом абстрактного синтеза ДУ с памятью является метод построения таблиц переходов-выходов при котором синтезируемое ДУ представляется состоящим из блока памяти и логического преобразователя, который является комбинационным ДУ и состоит из блока управления памятью и блока формирования выходных сигналов.

В процессе решения задачи логического синтеза последовательно определяются характеристики и функциональные схемы этих блоков, которые потом объединяются в функциональную схему синтезируемого ДУ.

Существо метода заключается в следующем: на основании словесной формулировки условий функционирования ДУ составляется его формальное описание в виде первичной таблицы переходов-выходов, каждая строка которой соответствует одному внутреннему состоянию ДУ. Затем производится минимизация числа внутренних состояний (объема памяти ДУ) путем минимизации числа строк первичной таблицы переходов, в результате получают минимизированную, или вторичную таблицу переходов, которая описывает работу блоков памяти и управления памятью.

Далее минимизированная таблица переходов приводится к реализуемому виду. Для этого находится минимальное число элементов памяти и производится кодирование его внутренних состояний, что означает сопоставление с внутренним состоянием ДУ определенной комбинации состояний выбранных элементов памяти. Особое внимание уделяется определению такого варианта кодирования, при котором переходные процессы, возникающие в моменты изменения состоянию памяти ДУ, не будут влиять на правильность его функционирования.

По выбранным вариантам кодирования внутренних состояний строятся таблицы переходов-выходов.

Для заданных предварительно или выбранных элементов памяти строится таблица возбуждений, которая полностью описывает блок управления памятью.

По полученным таблицам возбуждений и выходов (или, если специальных элементов памяти нет, по таблице переходов-выходов) записывают условия работы блока управления памятью и формирования выходных сигналов в аналитическом виде или в символической форме.

На этом этап абстрактного синтеза ДУ с памятью заканчивается.

Далее следует этап структурного синтеза. Полученные условия функционирования блоков управления памятью и формирования выходных сигналов минимизируются (одним из ранее рассмотренных способов) и преобразуются к виду, наиболее удобному для реализации на заданной (выбранной) системе элементов.

По полученным минимизированным логическим выражениям строятся функциональные схемы отдельных блоков автомата, выявляются общие элементы и производится оптимизация функциональной схемы логического преобразователя. Полученные схемы объединяются в единую функциональную схему синтезируемого автомата (для контактных ДУ - структуру). Отметим, что структурный синтез ДУ с памятью принципиально ничем не отличается от структурного синтеза комбинационных ДУ и проводится по тем же правилам.

Следующий этап – это этап физического синтеза (технического проектирования), который и начинается с построения функциональной схемы ДУ.

Итак, абстрактный синтез ДУ с памятью методом таблиц переходов-выходов включает в себя следующие этапы:

1) Построение первичной таблицы переходов-выходов. Этот этап является наиболее сложным. Он заключается в переходе от словесной формулировки условий работы проектируемого ДУ к табличной форме записи.

2) Минимизация первичной таблицы – построение минимизированной таблицы переходов.

3) Построение реализуемой (свободной от состязаний элементов памяти) таблицы переходов. Данный этап называют этапом кодирования строк таблицы переходов. Он, в свою очередь, включает в себя:

= определение всех переходов;

= построение диаграмм переходов;

= кодирование строк;

= построение реализуемой таблицы переходов и расстановку переходов.

4) Построение таблицы переходов-выходов и таблицы возбуждений.

5) Получение условий функционирования блоков управления памятью и формирования выходных сигналов (в символической форме или СДНФ).

Рассмотрим подробно каждый из этих этапов.