ТЕОРИЯ АВТОМАТОВ

ТЕОРИЯ АВТОМАТОВ
Направление 231000
«Программная инженерия» (бакалавр)
Курс III
Семестр 5
Форма обучения
очная
Лекции:
18
Лабораторные работы:
18
Выполняемые задания:
Расчётно-графическая работа
Самостоятельная работа: 72
--------------------------------------------------------------------------------Всего часов:
108
Итоговый контроль:
Диф-зачёт.
Отв. за преп. дисциплины: доцент В. А. Афанасьев
Теория автоматов
1/10
Цели и задачи курса
Целью дисциплины является
1. Изучение и практическое освоение общих методов синтеза цифровых схем на
основе их представления в виде автоматов (с памятью и без), а также методов
синтеза управляющих автоматов на алгоритмическом и функциональном уровнях.
2. Моделирование схем автоматов (с памятью и без) в среде программного комплекса
Multisim 10.1.
Основные разделы (модули) курса:
 Введение.
 Синтез цифровых автоматов без памяти (комбинационных схем) на логических
элементах разной степени интеграции.
 Общая теория конечные цифровых автоматов с памятью.
 Триггерные устройства как элементарные автоматы Мура.
 Структурные автоматы асинхронного и синхронного типов.
 Принцип микропрограммного управления и обобщенная структура операционных
устройств.
 Синтез микропрограммных автоматов с жёсткой логикой.
Связи с другими дисциплинами основной образовательной программы:
Дисциплина ТЕОРИЯ АВТОМАТОВ опирается на знания, полученные студентами в курсах:
ЭЛЕКТРОНИКА, СПЕЦИАЛЬНЫЕ ГЛАВЫ МАТЕМАТИКИ (раздел МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ЛОГИКА),
АРХИТЕКТУРА СРЕДСТВ ВТ. «Остаточные» знания данной дисциплины будут использованы
в курсах: МОДЕЛИРОВАНИЕ, КОНСТРУИРОВАНИЕ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ.
Теория автоматов
2/10
Литература
Основная
1. Карпов Ю. Г. Теория автоматов: учебник для вузов.– СПб.: Питер, 2002.- 206 с.:ил (1 экэ)
2. Бойко В. И. и др. Схемотехника электронных систем. Цифровые устройства. 3.
4.
5.
6.
7.
СПб.:БХВ - Петербург, 2004. - 512 с. (33 экз)
Бойт К. Цифровая электроника. Пер. с нем. - М.: Техносфера, 2007. -472 с.(3 экз)
Угрюмов Е. П. Проектирование элементов и узлов ЭВМ: Учеб. пособие для вузов. –
М.: Высшая Школа, 1987. - 318 с.: ил. (16 экз)
Пухальский Г.И., Новосельцева Т. Я. Проектирование дискретных устройств на
интегральных микросхемах: Справочник. -М.: Радио и связь, 1990. - 304 с.: ил. (3 экз)
Скляров В. А. Синтез автоматов на матричных БИС / Под. Ред. С. И. Баранова. –
Минск: Наука и техника, 1984.-288 с.: ил. (1 экэ)
Учебно-методические материалы по курсу на кафедральном сервере.
Дополнительная (отсутствует в библиотеке НГТУ)
8. Вашкевич Н. П. Синтез микропрограммных управляющих автоматов. Учебное пособие.
Издание Пенз. Полит. Инс-та, 1990, 114 с.
9. Потемкин И. С. Функциональные узлы цифровой автоматики. – М.: Энергоатомиздат,
1988. - 320 с.: ил. (1 экз)
10. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. - СПб.: БХВ – Санкт-Петербург, 2000.( 2005 г. второе издание, расширенное и дополненное) – 528 с.: ил.
11. Уэйкерли Дж. Проектирование цифровых устройств. В 2-х т. Пер. с англ. - М.:
Постмаркет, 2002.
12. Новиков Ю. В. Основы цифровой схемотехники. М.: Мир, 2001. - 379 с.
Теория автоматов
3/10
Модуль 1. Введение.
Цифровые устройства обработки информации
1. Представление информации физическими сигналами.
2. Два типа цифровых устройств обработки информации
– комбинационные схемы и автоматы с памятью.
3. Логические элементы (ЛЭ) и соглашения.
Теория автоматов. Модуль 1
4/10
Представление информации физическими сигналами
Цифровой автомат (ЦА) – цифровое устройство для хранения, передачи и
преобразования информации по заданному алгоритму.
Информация в цифровом устройстве представляется в двоичном алфавите с
использованием символов 1 и 0. Аналог этих символов – электрические сигналы с
хорошо различимыми уровнями, один из которых условно называют высоким (H –
уровень), а другой низким (L – уровень). В цифровых устройствах сигналы
изменяются не непрерывно, а лишь в дискретные моменты времени
tn = nT, где n = 0, 1, 2 …, а T – интервал дискретизации
Предполагается (на рисунке), что сигналы переключаются только в пределах такта
между моментами tn и tn+1. Чтобы не ссылаться на значение Т, вводится понятие
автоматного времени
t = tn / T = 0, 1, 2, …
Моменты фиксации
CLK
UВЫХ
0
1
1
2
0
3
1
4
t=tn/T
1 Последовательный код 1011
Такт Т
t=tn/T
Возможное изменение сигнала в некоторой точке схемы ЦА.
Теория автоматов. Модуль 1
5/10
Два типа цифровых устройств обработки –
комбинационные схемы и автоматы с памятью
По принципу функционирования, т.е. способу формирования выходных сигналов в
течение временного такта, цифровые устройства подразделяются на два типа:
комбинационные схемы и автоматы.
X(t)
Цифровая
схема
Y(t)
X = {x1, x2, … , xn}
Y = {y1, y2, … , ym}
yj = {0, 1}
xi = {0, 1}
Комбинационные схемы характеризуются однозначной зависимостью между
словами Х(t) и Y(t) для каждого дискретного момента времени t. Реализуемый в
этих схемах способ обработки информации называется комбинационным, т. к.
результат зависит только от комбинации входных сигналов и вырабатывается сразу
при подаче входной информации. В комбинационных схемах отсутствует память, их
ещё называют автоматы без памяти.
Автоматы обладают памятью, поэтому в этих схемах для определения выходного
слова Y(t) требуется знание не только входного слова X(t) в этот же момент
времени, но и состояние элементов памяти схемы, которое, в свою очередь,
определяется входными сигналами в предыдущие моменты времени.
Другой отличительный признак: в комбинационной схеме нет замкнутых
контуров (от выхода ко входу), в последовательностной схеме они есть.
Теория автоматов. Модуль 1
6/10
Логические элементы (ЛЭ)
Логические элементы (ЛЭ) - элементы, входящие в состав электронных цифровых
устройств и выполняющие простейшие логические операции над двоичными
переменными. ЛЭ отличаются характером реализуемых функций (\/, /\, …) и числом
входов. Число входов соответствует числу аргументов булевой функции.
Различают схемы 3-х уровней: структурная, функциональная и принципиальная.
x1
Конъюнктор
x2
x1
x2
x1
x2
&
Y = x 1x 2
Элемент М2
=1
x2 1
Метка
операции
y = x1 ⊕ x 2
2И-НЕ
&
x1
Дизъюнктор
y = x 1x 2
x1
x2 1
y = x1 ∨ x 2
Инвертор
x
1
y =x
2И-ИЛИ-НЕ
x1
x2 &
y = x 1x 2 ∨x 3x 4
1
x3
&
x4
2ИЛИ-НЕ
y = x 1 ∨x 2
x1
x2 &
y = x 1x 2
Графическое изображение
функциональной схемы
цифрового устройства
выполняется с использованием
стандартизованных
изображений ЛЭ,
определённых ГОСТ 2.743-92.
Все ЛЭ, принадлежащие одной
и той же электрической схеме,
должны принадлежать одной и
той же серии или набору.
Теория автоматов. Модуль 1
7/10
Определение серии ЛЭ
Серия ЛЭ включает функционально полный набор ЛЭ, объединенных
общими электрическими, конструктивными и технологическими параметрами.
Технологические параметры определяются видом транзисторной логики
или способом соединения транзисторов в пределах одного логического
элемента. Виды транзисторной логики: транзисторно-транзисторная логика
(ТТЛ), ТТЛ с диодами Шоттки (ТТЛШ), эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ).
Широкое распространение получили также микросхемы на МОП -транзисторах
разного типа проводимости (КМОП -структуры) и т. д.
Конструктивные параметры, как правило, задаются параметрами корпуса
(форма корпуса, расположение выводов , расстояние между выводами и т. д.)
интегральной микросхемы (ИМС), в котором и помещается полупроводниковый
чип с логическими элементами.
Электрические параметры задаются значениями уровней сигнала,
быстродействием, помехоустойчивостью и рассеиваемой мощностью.
Теория автоматов. Модуль 1
8/10
Логические соглашения
Существуют 2 рода логических соглашений в зависимости от того, каким
уровнем электрического сигнала (H - или L- уровнем) кодируется логическая
единица. Если логическая «1» кодируется H- уровнем, то это
положительная логика, если L-уровнем, то это отрицательная логика.
Пример. Пусть таблица истинности ЛЭ задана с использованием H- и Lуровней, тогда соответствующие ей таблицы истинности для положительной
и отрицательной логики будут представлены ниже.
X1
L
L
H
H
X2
L
H
L
H
Y
L
L
L
H
Таблица
истинности
X1
0
0
1
1
X2
0
1
0
1
Y=X1 ᴧ X2
0
0
0
1
Положительная
логика
X1 X2 Y=X1˅X2
Соответствие для
1
1
1
основных операций:
1
0
1
И ↔ ИЛИ,
0
1
1
И-НЕ ↔ ИЛИ-НЕ,
0
0
0
М2 ↔
М2
Отрицательная
логика
Теория автоматов. Модуль 1
9/10
Контрольные вопросы
1. Дайте определение двум типам цифровых устройств:
- комбинационная схема,
- цифровой автомат.
2. Назовите ГОСТ на изображения ЛЭ на функциональных схемах.
3. Дайте определение серии логических элементов.
4. Назовите 2 рода логических соглашений, использующихся при
кодировании двоичных символов.
Теория автоматов. Модуль 1
10/10