Виды управляющих автоматов. Структуры автоматов Мили и Мура

Существует два принципиально разных подхода к проектированию микропрограммного автомата (управляющего автомата): использование принципа схемной логики (автоматы с жесткой логикой УАЖЛ) и использование принципа программируемой логики (УАПЛ).

В первом случае в процессе проектирования подбирается некоторый набор цифровых микросхем (обычно малой и средней степени интеграции) и определяется такая схема соединения их выводов, которая обеспечивает требуемое функционирование (т.е. функционирование определяется тем, какие выбраны микросхемы и по какой схеме выполнено соединение их выводов). Устройства, основанные на таком принципе схемной логики, способны обеспечивать наивысшее быстродействие при заданном типе технологии элементов. Недостаток этого принципа построения автомата состоит в трудности использования БИС и СБИС. Это связано с тем, что при использовании схемного принципа каждый разрабатываемый автомат окажется индивидуальным по схемному построению и потребует изготовления индивидуального типа БИС.

Эти обстоятельства заставляют обратиться к другому подходу в проектировании цифровых автоматов, основанному на использовании принципа программируемой логики. Этот подход предполагает построение с использованием одной или нескольких БИС некоторого универсального устройства, в котором требуемое функционирование (т.е. специализация устройства на выполнение определенных функций) обеспечивается занесением в память устройства определенной программы (или микропрограммы). В зависимости от введенной программы такое универсальное управляющее устройство способно обеспечивать требуемое управление операционным автоматом при решении самых разнообразных задач.

Следует, однако, иметь в виду, что наивысшее быстродействие достигается в ЦА, в которых УА строится с использованием принципа схемной логики, а ОА выполняется в виде устройства, специализированного для решения конкретной задачи.

Автоматы с жесткой логикой строятся на базе памяти состояний, которая обычно реализуется совокупностью триггеров, и комбинационной схемы, которая управляет переключением триггеров (то есть - сменой состояний) и формированием выходных (управляющих) сигналов y_m в зависимости от входных сигналов х_n и текущего состояния Q_l. Код текущего состояния хранится в триггерах. Схема жестко реализует закон функционирования автомата, откуда следует название автоматов данной группы.

Рисунок 3 - Структурная схема управляющего автомата с жесткой логикой

Для построения обоих типов автоматов, но прежде всего, УАЖЛ, используется теория абстрактных конечных автоматов (КА). Для построения используется две базовые модели КА, функционально аналогичные: автомат Мура и автомат Мили.

Любой ЦА описывается следующем кортежем: М = {X, Y, S, δ, λ, s₀}, где X, Y, S – соответственно множества входных, выходных значений ЦА и внутренних состояний.

X = {x₁, x₂, x₃, …..x_n}

Y = {y₁, y₂, y₃, …..y_m}

S = {s₁, s₂, s₃, ……s_k} где m, n, k – конечные значения.

Если m, n, k конечны, то автомат называют конечным.

Состояние ЦА определяется состоянием элементов памяти δ, λ – соответственно характеристические функции перехода из одного состояния в другое (δ ) и функция выхода ЦА (λ ). s₀– начальное состояние ЦА.

По закону функционирования или по виду выходной функции ЦА делятся на: автоматы 1-го рода (автоматы Мили) и автоматы 2-го рода (автоматы Мура).

Закон функционирования ЦА первого рода (автомата Мили) есть:

s (t)= d (s (t-1), x (t)), y (t)= l (s (t-1), x (t)), где

s (t) - состояние автомата в настоящий момент;

s (t-1)- состояние автомата в предыдущий момент. Если t=0, то s(t-1)=s₀;

x (t) - входной сигнал в текущий момент;

d - оператор формирования данного состояния s;

l - оператор формирования данного выходного сигнала y.

Т.е., закон функционирования представляет собой совокупность двух функций: функции перехода d и функции выхода l, а также, что данное состояние s (t) зависит от предыдущего состояния s (t-1) и входного сигнала в данный момент времени, что выходной сигнал в данный момент времени так же определяется предыдущим состоянием и входным сигналом в данный момент времени.

Функция выхода ЦА 2-го рода отличается от такой функции ЦА 1-го рода тем, что используется состояние в данный момент времени s (t). Таким образом, закон функционирования ЦА 2-го рода есть:

S (t) = d (s (t-1), x (t)), y (t) = l (s (t), x (t)).

УЦА Мили выходной сигнал имеется только тогда, когда есть входной сигнал, а у ЦА Мура выходной сигнал имеется всегда.

Структурные схемы автомата Мили и автомата Мура изображены на рисунке 4 а) и б) соответственно.

а)

б)

а - для автомата Мура,

б - для автомата Мили.

Рисунок 4 - Структурные схемы автомата

123 4