Курсовик Синтез управляющих автоматов

Политехнический словарь определяет понятие "автоматическое управление" как управление каким-либо объектом в соответствии с заданным алгоритмом без непосредственного участия человека. Осуществляется с помощью технических средств, обеспечивающих автоматический сбор, передачу, хранение и обработку информации, а также формирование управляющих воздействий (сигналов) на объект управления. Автоматическое управление широко применяется для повышения производительности труда, качества и точности управления, для освобождения человека от работы в труднодоступных или опасных для здоровья условиях, а также, при выполнении операций, требующих невозможных для человека скоростей обработки информации.

В теории автоматов различают устройства с жесткой логической схемой, которые реализованы на конкретных логических элементах и не могут быть подвергнуты каким-либо изменениям без непосредственного вмешательства в структуру автомата.

Кроме этого различают автоматы с микропрограммным управлением, когда каждая команда является обращением к так называемой микропрограмме набором микрокоманд, определяющих выполнение элементарных операций, составляющих в совокупности процесс автоматизации.

При описании функционирования различных средств вычислительной техники достаточно часто используется их представление с помощью модели Глушкова В.М., состоящей из двух тесно взаимодействующих блоков в соответствии с рисунком 1. Один из них выполняет функции операционного автомата (ОА), а другой – управляющего автомата (УА). Такой подход упрощает проектирование, а также облегчает понимание процесса функционирования операционного устройства.

D

Код операции

X

Y

R

Рисунок 1 – Обобщённая структура операционного устройства

Операционный автомат реализует действия над исходной информацией D с целью получения результатов R, то есть является исполнительной частью устройства. Он состоит из регистров, сумматоров и других узлов, которые производят приём из внешней среды и хранение кодов исходных операндов D, их преобразование согласно реализуемому алгоритму и выдачу во внешнюю среду результата преобразования R. Операционный автомат вычисляет и выдаёт в УА осведомительные сигналы X={ x1 , x1 … xL}, которые характеризуют состояние узлов ОА после выполнения очередного шага алгоритма.

Управляющий автомат генерирует распределённую во времени последовательность управляющих сигналов Y={ y1 , y2 … yM}, которые порождают в ОА выполнение соответствующей алгоритму последовательности микроопераций, то есть УА задаёт порядок выполнения действий в ОА. Последовательность управляющих сигналов определяется функциями перехода УА, которые зависят от сигналов кода операции q, поступающих в УА извне, и значений осведомительных сигналов X={ xi}, характеризующих состояния узлов ОА.

В данной курсовой работе будут рассмотрено проектирование микропрограммных УА: абстрактный и структурный синтез УА с жёсткой логикой, а также построение УА с программируемой логикой с естественной адресацией микрокоманд.

1 Анализ исходных данных

1.1 Получение логической схемы алгоритма работы ОУ

Язык ЛСА является аналитической интерпретацией языка ГСА и может быть использован для более компактной формы записи алгоритма функционирования ЦА.

Язык ЛСА впервые был предложен А.А. Ляпуновым в 1953 году для записи микропрограмм. В дальнейшем он стал широко использоваться в качестве начального языка задания алгоритмов функционирования управляющих устройств.

Запись алгоритма на языке ЛСА представляет собой конечную строку, состоящую из символов операторов A={A0 , A1 , … , Ak}, логических условий

X= { x1 , … xL} и верхних и нижних стрелок, которым приписаны натуральные числа ( ↑i ↓i , i = 1,2,3,…). Например, A1xm↑iA2…↓iAn означает, что после выполнения оператора A1 в зависимости от значения логического условия xm может быть выполнен оператор A2, стоящий непосредственно за xm↑i , если xm = 1 или оператор An справа от стрелки ↓i , если xm = 0.

Основная часть алгоритма работы УА задаётся на языке ЛСА следующей записью:

A0 ↓1x0↑1A1 x2 ↑2 A2x3↑3A3A4A5 ↓9↓4A6 x4↑4 W ↑5↓2 x3↑6A7↓8 A4 x5↑7 A8 W ↑5↓6 x6↑5A7↓3↓7 x7↑8A3 A9 W ↑9↓5Ak ;

В этой ЛСА использованы логические условия, которые всегда принимают нулевое значение, то есть тождественно ложные логические условия w. После оператора w всегда производится переход по стрелке, которая стоит справа от него.

В нашей ЛСА также имеются циклы из логических условий : ↓1 x0↑1. Исходя из этого, мы должны ввести в ЛСА пустой оператор Ae(ye) , отмеченный пустым выходным сигналом. Согласно этому правилу дополним нашу ЛСА:

A0 ↓1x0↑1A1 x2 ↑2 A2x3↑3A3A4A5 ↓9↓4A6 x4↑4 W ↑5↓2 x3↑6A7↓8 A4 x5↑7 A8 W ↑5↓6 x6↑5A7↓3↓7 x7↑8A3 A9 W ↑9↓5Ak ;

Так как по заданной ЛСА впоследствии нужно построить таблицу переходов автомата Мили или Мура выполним её сквозную нумерацию:

A0 w↑10 ↓1Ae(ye) ↓10x0↑1A1 x2 ↑2 A2x3↑3A3A4A5 ↓9↓4A6 x4↑4 W ↑5↓2 x3↑6A7↓8 A4 x5↑7 A8 W

↑5↓6 x6↑5A7↓3↓7 x7↑8A3 A9 W ↑9↓5Ak ;

После чего определяем множество входных и выходных сигналов УА. Согласно заданию на курсовую работу нам задано содержимое каждого оператора:

A0(y0); A1(y1,y5); A2(y2,y3); A3(y3,y4,y6); A4(y5); A5(y6,y9); A6(y7,y10); A7(y8); A8(y10,y12); A9(y11); Ak(yk); Ae(ye);

Исходя из вышеприведённых данных получаем множество выходных сигналов

Y = {yi}:

Y = { y0,y1,y2,y3,y4,y5,y6,y7,y8,y9,y10,y11,y12,yk,ye } ;

Теперь определяем множество входных сигналов УА X = {xi}, которое определяется множеством логических условий в заданной микропрограмме :

X = { x0,x1,x2 ,x3 ,x4 ,x5 ,x6 ,x7 } ;

1.2 Выбор типа микропрограммного автомата, элемента памяти и элементной базы

Согласно заданию выбирается тип микропрограммного автомата. В нашем случае выбор остановился на автомате Мили. Для построения памяти будет использован D – триггер. Системы канонических уравнений (СКУ) и системы выходных функций будут реализованы в базисе И-НЕ на элементах серии К-555.

1.3 Преобразование логической схемы алгоритма в граф - схему алгоритма

При преобразовании ЛСА в ГСА каждому оператору в ЛСА ставится в соответствие операторная вершина и каждому логическому условию (кроме тождественно ложного  оператора)  условная вершина ГСА.

Рисунок 1.1 – Начальная вершина ГСА Рисунок 1.3 – Операторная вершина ГСА

Рисунок 1.2 – Конечная вершина ГСА Рисунок 1.4 – Условная вершина ГСА

На первом этапе осуществляется построение отдельных фрагментов ГСА, число которых зависит от количества символов  в ГСА и равно +1. Начальный фрагмент ГСА содержит операторные и условные вершины, соответствующие всем операторам и логическим условиям, которые записаны в ЛСА перед первым символом . При этом все вершины соединены последовательно в том порядке, в каком записаны в ЛСА соответствующие им символы. Выход любой условной вершины хi соединенный со следующей вершиной, отмечается символом “1”, второй выход этой вершины отмечается символом «0» и помечается номером, соответствующим номеру верхней стрелки, которая расположена в ЛСА непосредственно за логическим условием хi. Если между парой символов ЛСА имеется нижняя стрелка с номером i, то на фрагменте ГСА к линии, соединяющей две вершины, которые соответствуют этой паре символов, подводится входящая стрелка с этим же номером. Из последней вершины фрагмента выводится стрелка с номером, соответствующим номеру верхней стрелки, которая стоит непосредственно за символом .

Каждый последующий фрагмент ГСА содержит операторные и условные вершины, соответствующие всем операторам и логическим условиям в ЛСА, которые записаны между двумя последовательными символами  или за последним символом  для конечного фрагмента. Данные фрагменты строятся в основном по тем же правилам, что и начальный фрагмент. Дополнительные требования заключаются в следующем: к начальной вершине каждого фрагмента подводится входящая стрелка с номером, соответствующим номеру нижней стрелки, стоящей в ЛСА непосредственно перед символом этой вершины; из последней вершины конечного фрагмента стрелка не выводится.

На втором этапе построения ГСА все одноименные входящие и исходящие стрелки фрагментов соединяются, в результате чего получается искомая ГСА. В результате изучения описанной выше (рис. 1.1 – 1.4) методики преобразования ЛСА в ГСА, в данной работе была получена искомая ГСА (приложение А).

2 Разработка