Джон Ф.Уэйкерли Проектирование цифровых устройств. Том I (2002) (1095889), страница 170
Текст из файла (страница 170)
Конечные автоматы следует описывать таблицами состояний, диаграммами состояний, списками переходов или текстовыми файлами на том или ином языке описания конечных автоматов типа АВЕК или «гно!.. Врел«енные диаграмл«ы. Документация на последовател ьиостиую схему должна включать време нные диаграммы, которые в общем виде показывают предполагаемое поведение схемы во времени. Временные характеристика. Последовательностная схема должна сопровождаться перечислением условий, накладываемых на значения временных параметров, при выполнении которых гарантируется надлежащее функционирование схемы (например, максимальная частота тактового сигнала), а также требований, предъявляемых к поступающим извне входным сигналам (например, значения времени установления и времени удержания по отношению к системному тактовому сигналу, минимальная длительность импульсов и др.).
8.1.2.Условныеобозначения В параграфе 7.2 бьши введены традиционные условные обозначения триггеров. Их всегда изображают в виде прямоугольников, и следуют тем же самым правилам, что и в отношении других элементов с подобным обозначением, а именно: входы располагают слева, выходы -справа, кружками отмечают низкий активный уровень и т.д, Кроме того, в отношении обозначения триггеров придерживаются также еше нескольких специальных правил: На тактовом входе триггеров, переключающихся по фронту, помещают указатель динамического входа. Выходы двухтактных триггеров помечают индикатором задержки срабатывания, если изменение выходного сигнала происходит в конце интервала времени, на котором тактовый сигнал имеет активный уровень.
Асинхронные входы установки в единичное состояние и сброса могут быть указаны сверху и снизу условного обозначения триггера соответственно. 9 1, Стандарты документации на последовательностные схемы той стАНДАРТ! ЕЕЕ НА УСЛОВНЫЕ ОБОЗнАчениЯ Стандарт 1ЕЕЕ содержит богатый набор обозначений, обеспечивающий однозначное задание функции каждого сигнала. Справочник по условным обозначениям 1ЕЕЕ, в том числе по условным обозначениям рассматриваемых в этой главе последовательностных элементов„можно найти на сайте ннн.с!брр.соль В условном обозначении более сложных последовагельностных элементов, таких как счетчики и регистры сдвига, рассматриваемые в этой главе позднее, все входы, как правило, располагаются слева, включая входы установки и сброса, а все выходы -справа.
Двунаправленные выводы изображаются слева или справа — там, где это оказывается удобным. Как и в случае отдельных триггеров, в условном обозначении более сложных последовательностных элементов используется указатель динамического входа, когда данный элеглент переключается по фронту тактового сигнала, поступающего на этот вход. В ктрадипиониом» условном обозначении имена входных и выходных сигналов содержат информацию об их назначении, хотя при этом иногда не удается избежать двусмысленности. Например, позднее в этой главе описаны два 4разрядных счетчика 74х ! 61 и 74х! 63, традиционные обозначения которых одинаковы, несмотря на то, что по отношению к тактовому сигналу они ведут себя совершенно по-разному.
8.1.3. Описание конечных автоматов До сих пор мы имели дело с шестью способами представления конечных автома- тов: ° Словесные описания. ° Таблицы состояний. ° Диаграммы состояний. ° Списки переходов. ° Программы на языке АВЕЬ. ° ЧНРЬ-программьь Вам может показаться излишним владение всеми этими способами представления конечных автоматов: слишком много надо учить! Ну, не все из них так уж трудны для освоения, но все же здесь есть более тонкая проблема.
Давайте рассмотрим похожую задачу из области программирования, когда для объяснения того, как работает программа, можно воспользоваться "псевдокодом" высокого уровня или сделать это с помощью блок-схемы. Псевдокод вполне подходит для того, чтобы выразить намерения автора программы, но при трансляции такой программы могут происходить ошибки и неправильное истолкование. В любом творческом процессе могут возникать несовместимости, когда существует несколько способов выражения своих представлений о желательных свойствах проекта.
770 Глава 8. Практическая разработка схем последовательной логики Такого же рода несовместимости могут возникнуть и при создании конечного автомата. Разработчик логического устройства может описать желаемое поведение проектируемого автомата с помощью нарисованной от руки и правильной на 100',4 диаграммы состояний, но при переводе этой диаграммы в программу могут быть допущены ошибки: имеется масса возможностей все испортить, если вы должны выполнить вручную «рутинную работу» по преобразованию диаграм мы состояний в таблицу состояний, список переходов, уравнения возбуждения и принципиальную схему. Решение этой проблемы, как и при программировании, состоит в написании самодокументирующегося кода на языке высокого уровня. Ключевым является выбор такого представления, которое содержит достаточно выразительных средств для отображения намерений разработчика и в то же время может быть оттранслировало в физическую реализацию посредством выполнения автоматизированного, свободного от ошибок процесса.
!Вам, наверное, доводилось слышать вопли многих программистов «Ошибка в компиляторе1гь когда их программы не шли с первого раза.) Лучшим решением (по крайней мере, на сегодняшний день) является непосредственное описание конечного автомата в виде программы на одном из припздных для этого языков высокого уровня типа АВЕ1. и ЧНРЬ, то есть словесное описание без использования других возможных средств представления. Текст на языках типа АВЕЬ и ЧНРЬ легко читается и может быть автоматически преобразован в логическую структуру внутри ПЛУ, ИС типа РРОА или специализированной ИС.
Некоторые автоматизированные средства проектирования допускают задание конечных автоматов и их синтез на основе диаграмм состояний или даже временных диаграмм, но они часто выдают неожиданные и двусмысленные результаты. Поэтому в оставшейся части этой книги мы будем пользоваться исключительно языками АВЕЬ и ЧНР1.. 8.1.4. Временные диаграммы и временные параметры В главах 5 и 7 было много примеров временных диаграмм. Применительно к синхронным системам в большинстве случаев временные диаграммы показывают, как связаны между собой тактовый сигнал и различные входные, выходные и внутренние сигналы.
На рис. 8.1 приведены довольно типичные временные диаграммы, которыми задаются требования, предъявляемые к входным и выходным сигналам синхронной системы, а также определяются временные характеристики. На верхней диаграмме изображен системный тактовый сигнал и указаны его номинальные временные параметры. На остальных диаграммах приведены возможные интервалы задержек для различных сигналов. В частности, на второй диаграмме показано, что изменение сигналов на выходах триггеров происходит в течение интервала времени г после нарастающего фронта дтпл в тактовом сигнале СЬОСК.
Втечение данного отрезка времени значения этих сигналов не должны приниматься во внимание схемами, на входы которых они поданы ! 1аэтой временнбй диаграмме минимальное значение г равно нулю, но в полном лрз пакете документации должна быть таблица с минимальным, типичным и максимальным значениями г, а также всех других временных параметров. 8.1. Стандарты документации на последовательностные схемы 771 С(.ОСК выходы трипвров вьисды хомбияационной логики входы трипвров рис. 8.1. Подробные временные диаграммы, на которых указаны задержки распространения, а также время установления и время удержания по отношению к тактовому сигналу С~ОСК На третьей из приведенных на рисунке временных диаграмм указано дополнительное время г ь, требующееся для того, чтобы изменения сигналов на выходах триггеров прошли через элементы комбинационной логики типа тех, которые образуют логику возбуждения.
Для установления сигналов на входах триггеров и других тактируемых устройств нужно отвести время ), как это показано на четвер- жар' той временнбй диаграмме. Схема будет работать надлежащим образом только в тОМ СЛУЧаЕ, КОГДа ВЫПОЛНЯЕТСЯ НЕРаВЕНСтВО: Г а — 1 — Г > ), са 1грд сапЬ асор' Запас па времени (1!тспд таг8)п) показывает, насколько «плохими» могут быть «в худшем случае» отдельные компоненты схемы„так чтобы в целом это не приводило к ее отказу. У правильно спроектированной системы имеется положительный, ненулевой запас по времени, предусматривающий возможность Возникновения неожиданных обстоятельств (компоненты с предельно допустимыми параметрами, пониженное напряжение питания, технические ошибки и т д), а также задержку тактового сигнала (см.
раздел 8.8.1). Величину ) — ! называют запасам па времени уста- о1Ь Врд)ааи) соаиапп) псар навлвнин (зв)иры)те таг81п) схема не будет работать, если эта величина отрицательна, Заметьте, что при расчете запаса по времени установления у читы ваются максимшсьные задержки распространения. другим временным параметром задается требование к времени удержания 1: сумма минимасьных значений Ьо)д' )л, и 1 „должна быть больше, чем гь,; величина ) „+ т „, — 1„, Яв- соаЬ Ьо!д' " Лрдвпсп) соспыасп) Ьо1д ляется запасам по времени удержания ()соЫ-1)те таг8)п).
Временные диаграммы, приведенные парис. 8.1, не отражаютразличия между ~ременными характеристиками входных сигналов отдельных триггеров и сигналов в комбинационной логике, хотя такое различие в большинстве случаев имеет место. Например, сигнал 0 с выхода одного триггера может быть напрямую подан на вход Р другого триггера, так что значение г ь для этого пути равно нулю, тогда как другой сигнал, возможно. должен пройти весь путь в 32-разрядном сумматора 772 Глава 8.
Практическая разработка схем последовательной логики со сквозным переносом, прежде чем он попадет на вход триггера. Если при проектировании синхронной системы следовать надлежащей методике, то подобные временные расхождения не будут критическими, поскольку ни один из этих сигналов не вызывает изменения состояния схемы вплоть до очередного перепада в тактовом сигнале. Просто нужно найти задержку на самом длинном пути в пределах одного периода тактового сигнала, и по ней можно судить о работоспособности схемы. Но для того, чтобы найти худший случай, вам придется проанализировать несколько различных путей.
Чаше встречаются, по-видимому, временные диаграммы другого рода, демонстрирующие только функциональное поведение, но не отражаюгцие фактических значений задержек; пример таких временных диаграмм приведен на рис 8.2. Здесь тактовый сигнал «идеален». Как следует изображать изменения сигналов, — вертикальными или наклонными линиями, — это дело вкуса, если только на тех или иных временных диаграммах не должны быть явно указаны время нарастания и время спада. На рис. 8.2 и в дальнейшем мы будем изображать переходы в тактовом сигнале вертикальными линиями, чтобы подчеркнуть, что, по предположению, тактовый сигнал является «идеальным» опорным сигналом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
