Bài giảng về - Kỹ thuật số - Phần 7

Chia sẻ: Tran Thach | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:12

0
100
lượt xem
65
download

Bài giảng về - Kỹ thuật số - Phần 7

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Máy trạng thái - Hệ tuần tự còn có tẹn gọi khác là máy trạng thái (State Machine) tên này thường sử dụng khi dùng một hệ tuần tự để điều khiển 1 hệ thống số thực hiện một thủ tục

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Bài giảng về - Kỹ thuật số - Phần 7

  1. Bài Giảng Kỹ Thuật Số Chương 4 4.6. MÁY TRẠNG THÁI Heä tuaàn töï coøn coù teân goïi khaùc laø maùy traïng thaùi (State Machine), teân naøy thöôøng söû duïng khi duøng moät heä tuaàn töï ñeå ñieàu khieån 1 heä thoáng soá thöïc hieän moät thuû tuïc hoaëc moät thuaät toaùn töøng böôùc moät. Coù theå ñònh nghóa caùc maùy traïng thaùi baèng caùc giaûn ñoà traïng thaùi, hoaëc moät kieåu löu ñoà ñaëc bieät ñöôïc goïi laø löu ñoà maùy traïng thaùi hay löu ñoà SM (State Machine) duøng ñeå moâ taû ñaëc tính laøm vieäc cuûa moät maùy traïng thaùi Trong thieát keá soá, thöôøng söû duïng töø maùy traïng thaùi ñeå chæ caùc maïch ñoàng boä nhö mạch đếm… ở ñoù caùc giaù trò ra thay ñoåi töø moät traïng thaùi nhò phaân naøy sang moät traïng thaùi nhò phaân khaùc khi maïch ñöôïc cung caáp xung clock. SM coù hai loaïi: Moore vaø Mealy. 4.6.1. Máy trạng thái kiểu MOORE Sô ñoà khoái maùy traïng thaùi kieåu Moore vaø moät maïch counter nhò phaân 2bit laø moät ví duï cho maùy traïng thaùi kieåu Moore Giaûi maõ Löu tröõ t.thaùi Caùc t/hieäu t.thaùi keá hieän taïi ngoaøi Caùc FF Giaûi maõ ngoõ ra Clock X1 + Q1 Q1 X2 Maïng toå D1 Heä toå Z1 CK Xm hôïp hôïp Q+ Q2 Z2 Q1 2 D2 (cho CK Q2 caùc ngoõ Q+ Qk Zn k Dk ra) Qk CK Clock GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 104
  2. Bài Giảng Kỹ Thuật Số Chương 4 4.6.2. Máy trạng thái kiểu MEALY Sô ñoà khoái maùy traïng thaùi Mealy Logic ra Traïng thaùi Caùc giaù trò Giaù trò Logic Kích Boä nhôù G hieän haønh ra (Output) vaøo thích traïng thaùi traïng thaùi keá Ngoõ CK Clock X1 Z1 X2 HEÄ Z2 TOÅ Zn HÔÏP Q+ D1 Q1 Xm 1 CK Q+ 2 Q2 Q1 D2 Q2 CK + Qk Qk Qk Dk CK Clock 4.7. LƯU ĐỒ MÁY TRẠNG THÁI Caùc löu ñoà SM coøn ñöôïc goïi laø löu ñoà ASM (Algorithmic State Machine). Löu ñoà SM cho nhieàu thuaän lôïi trong vieäc deã hieåu hôn hoaït ñoäng cuûa moät heä thoáng soá baèng caùch quan saùt thay vì laø giaûn ñoà traïng thaùi töông ñöông. Coù theå chuyeån moät löu ñoà SM cho tröôùc thaønh nhieàu daïng töông ñöông, vaø moãi daïng daãn tröïc tieáp ñeán moät caøi ñaët phaàn cöùng. Ba thaønh phaàn chính cuûa moät löu ñoà SM tên trạng Mã trạng thái thái nhánh nhánh đúng sai danh 1 0 sách xuất điều kiện theo điều kiện (a) Hoäp traïng thaùi (b) Hoäp quyeát ñònh (c) Hoäp xuaát theo ñk GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 105
  3. Bài Giảng Kỹ Thuật Số Chương 4 • Traïng thaùi cuûa moät heä thoáng ñöôïc bieåu dieån baèng hoäp traïng thaùi (state box), hoäp traïng thaùi coù theå chöùa moät danh saùch giaù trò ra. Maõ traïng thaùi coù theå ñaët beân caïnh hoäp ôû phaàn treân. Teân traïng thaùi ñöôïc ñaët trong hình troøn beân traùi hoäp traïng thaùi. • Hoäp quyeát ñònh (decision box) ñöôïc bieåu dieãn baèng moät kyù hieäu hình thoi vôùi caùc nhaùnh ñuùng vaø sai. Ñieàu kieän ñaët trong hoäp laø moät bieåu thöùc Boolean ñöôïc xaùc ñònh ñeå laáy nhaùnh naøo. • Hoäp xuaát theo ñieàu kieän (conditional output box) chöùa danh saùch vaø caùc giaù trò ra theo ñieàu kieän phuï thuoäc vaøo caû traïng thaùi cuûa heä thoáng vaø caùc giaù trò vaøo Moät löu ñoà SM ñöôïc xaây döïng töø caùc khoái SM (SM block) moãi khoái SM chöùa chính xaùc moät hoäp traïng thaùi cuøng vôùi caùc hoäp quyeát ñònh vaø caùc hoäp xuaát theo ñieàu kieän lieân heä vôùi traïng thaùi ñoù. Moät khoái SM coù chính xaùc moät ñöôøng vaøo vaø moät hoaëc nhieàu ñöôøng ra vaø moâ taû hoaït ñoäng cuûa maùy trong thôøi gian maø maùy ñang trong traïng thaùi. Khi moät heä thoáng soá ñi vaøo traïng thaùi lieân heä vôùi moät khoái SM cho tröôùc, caùc giaù trò ra ôû danh saùch xuaát trong hoäp traïng thaùi seõ trôû thaønh ñuùng. Caùc ñieàu kieän trong caùc hoäp quyeát ñònh seõ ñöôïc ñònh trò ñeå xaùc ñònh xem ñöôøng naøo ñi theo qua khoái SM. Khi treân ñöôøng ñi coù gaëp moät hoäp xuaát theo ñieàu kieän thì caùc giaù trò ra töông öùng seõ trôû thaønh ñuùng. Moät ñöôøng daãn qua khoái SM töø ngoõ vaøo ñeán ngoõ ra ñöôïc goïi laø ñöôøng daãn noái gheùp (link path) Ví dụ, moät khoái SM S1 Z1, Z2 nhaùnh a 0 1 nhaùnh b X1 0 1 Z3, Z4 X3 0 1 Z5 X3 1 2 3 n n ñöôøng ra khi vaøo traïng thaùi S1, caùc giaù trò ra Z1 vaø Z2 = 1. Neáu giaù trò vaøo X1 vaø X2 ñeàu baèng 0 thì Z3 vaø Z4 baèng 1 vaø ôû cuoái thôøi gian traïng thaùi, maùy ñi vaøo traïng thaùi GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 106
  4. Bài Giảng Kỹ Thuật Số Chương 4 keá qua ñöôøng ra 1, ngöôïc laïi neáu X1 =1 vaø X3 = 0, giaù trò ra Z5 = 1 vaø ñi vaøo traïng thaùi keá qua ñöôøng ra 3 Toång quaùt thì moät khoái SM coù theå ñöôïc veõ baèng nhieàu daïng khaùc nhau. Hai khoái SM sau laø töông ñöông. S1 Z1 S1 Z1 0 1 0 1 X1 X2 Z2 1 1 X1 X1 0 0 0 1 X3 Z2 Z2 S2 S3 S2 S3 Ví dụ, Veõ moät khoái SM töông ñöông vôùi khoái SM sau. ` 0 1 A C 1 0 1 B 0 Z1 Phaûi tuaân theo moät soá quy taéc nhaát ñònh khi xaây döïng moät khoái SM: Thöù nhaát, vôùi moïi keát hôïp caùc bieán vaøo hôïp leä phaûi coù chính xaùc moät ñöôøng ra ñöôïc ñònh nghóa. Ñieàu naøy laø caàn thieát vì moãi toå hôïp vaøo ñöôïc cho pheùp phaûi daãn ñeán 1 traïng thaùi keá duy nhaát. Thöù hai, khoâng cho pheùp coù ñöôøng hoài tieáp noäi trong moät khoái SM. GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 107
  5. Bài Giảng Kỹ Thuật Số Chương 4 Ví dụ, 1 caùch veõ sai vaø 1 caùch veõ ñuùng ñoái vôùi 1 khoái SM coù ñöôøng hoài tieáp (a) Sai (b) Ñuùng Moät khoái SM coù theå coù nhieàu ñöôøng song song maø daãn ñeán cuøng moät ñöôøng ra, vaø hôn moät ñöôøng trong caùc ñöôøng naøy coù theå tích cöïc ñoàng thôøi. Ngoaøi ra cuõng coù theå bieåu dieãn baèng moät khoái SM noái tieáp töông ñöông. Trong khoái noái tieáp naøy coù theå coù moät ñöôøng daãn noái gheùp tích cöïc duy nhaát giöõa ngoû vaøo vaø ra. Vôùi baát cöù toå hôïp naøo cuûa caùc giaù trò vaøo, caùc giaù trò ra seõ gioáng nhö trong daïng song song töông ñöông. Ví dụ, Z1 Z1 1 1 1 X1 X1 X2 X3 Z2 Z2 0 Z3 0 Z4 0 X2 (a) daïng song song Z3 X3 Z3 (b) daïng noái tieáp GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 108
  6. Bài Giảng Kỹ Thuật Số Chương 4 Coù theå chuyeån moät giaûn ñoà traïng thaùi cuûa maùy tuaàn töï sang löu ñoà SM töông ñöông moät caùch deã daøng. Ví dụ, Giaûn ñoà traïng thaùi 1/0 1/0 S0 S1 S2 1/Z2 0/0 Za 0/0 Zb Zc 0/Z1 Vaø löu ñoà SM töông ñöông 00 S0 Za link 1 X 0 1 01 S1 Zb link 2 X 0 1 11 link 3 S1 Zc 0 1 X Z1 Z2 Giaûn ñoà ñònh thì cho löu ñoà SM clock traïng thaùi S0 S1 S2 S2 S0 S0 X Za Zb Zc Z1 Z2 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 109
  7. Bài Giảng Kỹ Thuật Số Chương 4 ÔÛ giaûn ñoà traïng thaùi, coù caû 2 giaù trò ra Moore vaø Mealy, löu ñoà SM töông ñöông coù 3 khoái, moät khoái öùng vôùi moät traïng thaùi. Caùc giaù trò ra Moore (Za, Zb, Zc) ñöôïc ñaët trong caùc hoäp traïng thaùi, töø ñoù chuùng khoâng phuï thuoäc vaøo giaù trò vaøo. Caùc giaù trò ra Mealy (Z1, Z2) xuaát hieän trong caùc hoäp xuaát theo ñieàu kieän, chuùng phuï thuoäc vaøo caû traïng thaùi vaø giaù trò vaøo. Trong ví duï naøy, moãi khoái SM chæ coù moät hoäp quyeát ñònh, do ñoù chæ phaûi kieåm tra 1 bieán vaøo. Ñoái vôùi caû hai giaûn ñoà traïng thaùi vaø löu ñoà SM, Zc luoân baèng 1 trong traïng thaùi S2. Neáu X=0 trong traïng thaùi S2, Z=1 vaø traïng thaùi keá laø S0. Neáu X=1, Z2 =1 vaø traïng thaùi keá laø S2 ÔÛ giaûn ñoà ñònh thì cho löu ñoà SM, vôùi chuoãi vaøo X=1,1,1,0,0,0. Taát caû caùc thay ñoåi traïng thaùi xaûy ra ngay sau caïnh leân cuûa xung nhòp. Vì caùc giaù trò Moore phuï thuoäc vaøo traïng thaùi vaø chæ coù theå thay ñoåi töùc thôøi sau 1 thay ñoåi traïng thaùi hoaëc moät thay ñoåi giaù trò vaøo. Noùi chung, taát caû caùc giaù trò ra seõ coù giaù trò ñuùng cuûa chuùng ôû caïnh tích cöïc cuûa xung nhòp Ví dụ, Laäp löu ñoà SM cho boä chia nhò phaân song song cho caùc soá nhò phaân döông, soá bò chia (dividend) 6 bit cho soá chia (divisor) 3 bit ñeå coù ñöôïc thöông 3 bit. Minh hoïa quaù trình chia 100010 110 110 101 101 000 1010 110 100 Pheùp chia coù theå thöïc hieän baèng pheùp toaùn tröø vaø dòch. ñeå xaây döïng boä chia seõ söû duïng thanh ghi soá bò chia 7 bit vaø thanh ghi soá chia 3 bit nhö sau Thanh ghi số bị chia start Sh x7 x6 x5 x4 x3 x2 x1 V Chỉ báo tràn trên Su Điều Bộ trừ và so khiển sánh C (so sánh) y3 y2 y1 clock Số chia Trong quaù trình chia thay vì dòch soá chia sang phaûi tröôùc moãi laàn tröø, ôû ñaây seõ dòch soá bò chia sang traùi. Chuù yù laø caàn theâm 1 bit ôû ñaàu beân traùi thanh ghi soá bò GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 110
  8. Bài Giảng Kỹ Thuật Số Chương 4 chia ñeå cho khoâng maát 1 bit khi dòch traùi soá bò chia. Thay vì duøng 1 thanh ghi ñeå chöùa thöông soá, coù theå ñöa thöông soá töøng bit moät vaøo ñaàu beân phaûi cuûa thanh ghi soá bò chia khi dòch traùi soá bò chia Neáu ban ñaàu x7x6x5x4 ≥ y3y2y1 (nghóa laø neáu 4 bit traùi cuûa thanh ghi soá bò chia vöôït quaù hoaëc baèng soá chia) thöông soá seõ lôùn hôn 8 vaø traøn treân xaûy ra. Chuù yù laø neáu x 7 x 6 x 5 x 4 x 3 x 2 x 1 x 7 x 6 x 5 x 4 0000 x 7 x 6 x 5 x 4 8 ≥ = ≥8 y 3 y 2 y1 y 3 y 2 y1 y 3 y 2 y1 baùo traøn vì thöông soá chæ coù 3 bit (toái ña baèng 7) Tín hieäu dòch (Sh = shift) seõ dòch soá bò chia sang traùi moät vò trí. Tín hieäu tröø (Su = Subtract) seõ tröø soá chia cho 4 bit taän cuøng beân traùi cuûa thanh ghi soá bò chia vaø ñaët bit thöông soá (bit taän cuøng beân phaûi thanh ghi soá bò chia) leân 1. Neáu soá chia lôùn hôn 4 bit taän cuøng beân traùi cuûa soá bò chia, ngoõ ra cuûa boä so saùnh laø C=0, ngöôïc laïi C=1. Maïch ñieàu khieån taïo ra chuoåi caùc tín hieäu dòch vaø tröø mong muoán. Baát cöù luùc naøo C=1, tín hieäu tröø ñöôïc taïo ra vaø bit thöông soá ñöôïc ñaët leân Giaûn ñoà traïng thaùi cuûa maïch ñieàu khieån Start’/0 C.Start/V S0 Stop C’.Start/Sh C/Su C’/0 C/Su S1 S3 C’/Sh C’/Sh S2 C/Su Ban ñaàu soá bit chia 6 bit vaø soá chia 3 bit ñöôïc ñöa vaøo caùc thanh ghi thích hôïp. Maïch vaãn ôû traïng thaùi döøng Stop (S0) cho ñeán khi coù tín hieäu Start. Neáu giaù trò ban ñaàu cuûa C=1, thöông soá seõ caàn 4 bit trôû leân. Vì khoâng gian chæ cung caáp cho thöông soá 3 bit, ñieàu kieän naøy laøm traøn treân do ñoù boä chia döøng vaø boä chæ traøn seõ ñaët leân 1 baèng ngoõ ra traøn treân. Bình thöôøng giaù trò ban ñaàu cuûa C=0, vì vaäy dòch seõ xaûy ra ñaàu tieân vaø maïch seõ ñi vaøo traïng thaùi S1. Roài neáu C=1 thì xaûy ra tröø. Sau khi hoaøn taát tröø C seõ luoân luoân baèng 0 vì vaäy xung nhòp keá seõ taïo ra dòch. Quaù trình naøy tieáp tuïc cho ñeán khi xaûy ra 3 laàn dòch vaø ñieàu khieån oå trong traïng thaùi S3. Roài pheùp tröù cuoái cuøng xaûy ra neáu caàn, vaø ñieàu khieån quay veà traïng thaùi döøng. Vôùi vd naøy seõ giaû söø laø khi tín hieäu baét ñaàu (start) xaûy ra noù seõ laø 1 trong thôøi gian 1 clock vaø roài giöõ laø 0 cho ñeán khi heä ñieàu khieån quay veà traïng thaùi S0. Do ñoù Start seõ luoân laø 0 trong caùc traïng thaùi S1, S2, S3 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 111
  9. Bài Giảng Kỹ Thuật Số Chương 4 Töø ñoù suy ra löu ñoà SM nhö sau 00 S0 Sh 0 Start S1 01 1 0 0 C C 1 Sh 1 V Su S2 10 0 1 C Sh Su S3 11 0 C 1 Su S0 laø traïng thaùi baét ñaàu, neáu Start=1, tín hieäu so saùnh C ñöôïc kieåm tra, neáu C=1, thöông soá lôùn hôn 3 bit, vì vaäy baùo traøn V=1 ñöôïc taïo ra vaø khoâng coù söï thay ñoåi xaûy ra. Neáu C=0, Sh=1, ôû xung nhòp keá soá bò chia ñöôïc dòch sang traùi vaø traïng thaùi chuyeån sang S1. C ñöôïc kieåm tra trong traïng thaùi S1. Neáu C=1 coù theå coù pheùp tröø, Su=1 vaø khoâng coù söï thay ñoåi traïng thaùi. Neáu C=0, Sh=1 vaø soá bò chia ñöôïc dòch khi traïng thaùi chuyeån sang S2. Hoaït ñoäng ôû S2 thì gioáng S1. Trong traïng thaùi S3 traïng thaùi keá luoân laø S0, vaø C=1 laøm cho pheùp tröø xaûy ra Ví dụ, Laäp löu ñoà Sm cho ñieàu khieån boä nhaân song song cho caùc soá nhò phaân döông. Nhaân nhò phaân chæ caàn pheùp toaùn dòch vaø coäng. Thay vì ban ñaàu taïo ra taát caû caùc tích boä phaän roài coäng laïi, thì moãi tích boä phaän (partial product) ñöôïc coäng moãi khi ñöôïc taïo ra vaø do ñoù khoâng caàn coäng moät laàn hôn 2 soá nhò phaân Nhaân 2 soá 4 bit caàn 1 thanh ghi soá bò nhaân (multiplicant register) 4bit, moät thanh ghi soá nhaân 4 bit vaø thanh ghi 8bit cho soá haïng tích. Thanh ghi tích soá laøm vieäc nhö thanh ghi tích luõy laø tích luõy toång caùc tích boä phaän. Thay vì dòch soá bò nhaân sang traùi tröôùc khi coäng, ôû ñaây seõ dòch thanh ghi tích sang phaûi GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 112
  10. Bài Giảng Kỹ Thuật Số Chương 4 Soá bò nhaân → 1101 Soá nhaân → 1011 Caùc tích boä phaän 1101 1101 10111 0000 100111 1101 Tích soá 10001111 Sô ñoà khoái cuûa boä nhaân song song Thanh ghi tích soá M=1: coäng &dòch Thanh ghi tích luõy Soá nhaân PC M=0: dòch N Ad: tín hieäu coäng Ñieàu C Sh: tín hieäu dòch Boä coäng Ad khieån PC PC: xung clock M: bit boä nhaân Sh N: tín hieäu start C: soá nhôù Soá bò nhaân Ví duï, nhaân 13 x 11 ñöôïc laøm laïi sau ñaây chæ vò trí caùc bit trong caùc thanh ghi ôû moãi thôøi ñieåm xung nhòp Noäi dung ban ñaàu cuûa t.ghi tích 000001011 M(11) luõy (coäng soá bò nhaân vì M=1) 1101 (13) Sau khi coäng 011011011 Sau khi dòch phaûi 001101101 M=1 Coäng soá bò nhaân vì M=1 1101 Sau khi coäng 100111101 Sau khi dòch phaûi 010011110 M=0 Boû qua coäng vì M=0 Sau khi dòch 001001111 M=1 coäng soá bò nhaân vì M=1 1101 Sau khi coäng 100011111 Sau khi dòch (ñaùp soá) 010001111 Ñöôøng chaám chaám laø ñöôøng chia giöõa boä nhaân vaø tích soá Maïch ñieàu khieån phaûi ñöôïc thieát keá ñeå cho ra chuoãi caùc tín hieäu coäng vaø dòch ñuùng. GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 113
  11. Bài Giảng Kỹ Thuật Số Chương 4 Giaûn ñoà traïng thaùi cho ñieàu khieån boä nhaân, SV giaûi thích töông töï nhö maïch chia N’/0 - /Sh S0 MN/Ad S7 S1 M’N/Sh - /Sh M/Ad M’N/Sh S2 S6 M’N/Sh M/Ad - /Sh M’N/Sh S3 S5 M/Ad S4 - /Sh N’/0 Ad Ñieàu khieån N Sh Coäng - dòch PC S0 MN/Ad M’N/Sh K=1 neáu n-1 laàn dòch M/Ad M’/Sh Boä ñeám S0 S0 - /Sh (a) Ñieàu khieån boä nhaân (b) Giaûn ñoà traïng thaùi cuûa N’/0 ñieàu khieån coäng dòch S0 M’N/Sh MN/Ad (c) Giaûn ñoà traïng thaùi cuoái K/Sh M’K/Sh cuûa ñieàu khieån coäng dòch M’K’/Sh K’/Sh S0 S0 M/Ad Laäp löu ñoà SM cho ñieàu khieån boä nhaân, ñieàu khieån naøy taïo ra chuoãi caùc xung coäng vaø dòch mong muoán cuûa boä nhaân nhò phaân. Boä ñeám seõ ñeám soá laàn dòch vaø xuaát K=1 tröôùc khi laàn dòch cuoái cuøng xaûy ra. Löu ñoà SM cho ñieàu khieån boä nhaân töông öùng vôùi giaûn ñoà traïng thaùi hình (c) GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 114
  12. Bài Giảng Kỹ Thuật Số Chương 4 S0 0 N 1 1 0 M Ad Sh S1 Sh S2 1 0 1 0 K M Ad Sh 1 0 M GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 115

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản