Chương 2: Thiết kế máy trạng thái cân bằng lưu đồ máy trạng thái pdf

9/9/2011 1 Chương 2 THIẾT KẾ MÁY TRẠNG THÁI BẰNG LƯU ĐỒ MÁY TRẠNG THÁI 2.1 LƯU ĐỒ MÁY TRẠNG THÁI 9/9/2011 2 Khối Máy trạng thái (SM) 9/9/2011 3 9/9/2011 4 2.2 THÀNH LẬP LƯU ĐỒ SM Phương pháp suy ra lưu đồ SM cho một hệ điều khiển tuần tự thì giống với phương pháp dùng suy ra giản đồ trạng thái: 1. Vẽ sơ đồ khối của hệ thống mà ta đang điều khiển. 2. Định nghĩa các tín hiệu vào và ra cần cho hệ điều khiển. 3. Xây dựng lưu đồ SM để kiểm tra các tín hiệu vào và ra cần cho hệ điều khiển. 4. Xây dựng lưu đồ SM để kiểm tra các tín hiệu vào và tạo ra chuỗi các tín hiệu ra đúng. Thí dụ 2.1 Xây dựng một khối SM có ba biến vào (A, B, C), 4 biến ra (W, Z, Y, Z), và đường ra (1 và 2). Với khối này, ngõ ra Z luôn luôn là 1, và W là 1 nếu cả hai A và B bằng 1. Nếu C = 1 và A = 0 thì Y = 1 và đi ra đường 1. Nếu C = 0 hoặc A = 1 thì X = 1 và đi ra đường 2.  Theo đề bài ta thấy Z phải là biến ra Moore, còn các biến ra khác là biến Mealy; và ta có lưu đồ SM sau: 9/9/2011 5 Thí dụ 2.2 Vẽ lưu đồ SM của hệ kiểm tra chẵn lẻ số bit nhận được ở ngõ vào X, nếu số bit 1 nhận được ngõ vào X là số lẻ thì Z = 1, là số chẳn thì Z = 0.  Nếu gọi EVEN là trạng thái chỉ số bit 1 nhận được là chẵn và ODD là trạng thái chỉ số bit 1 nhận được là lẻ thì ta có được lưu đồ SM như hình 2.12. Thí dụ 2.3 Vẽ lưu đồ SM của hệ có một ngõ vào X, một ngõ ra Z và một ngõ xung nhịp CLK; hệ này phát hiện chuỗi bit vào 1,0,1. Ngõ ra Z = 1 khi chuỗi vào là 1,0,1; giá trị cuối của chuỗi có thể làm bit đầu của chuỗi mới.  a- Giải theo hệ Mealy Ta có giản đồ trạng thái sau:  b- Giải theo hệ Moore Ta có giản đồ trạng thái sau: 9/9/2011 6 Thí dụ 2.4 Lập lưu đồ SM cho bộ chia nhị phân song song Ta xét thiết kế bộ chia song song cho các số nhị phân dương. Thí dụ, ta sẽ thiết kế một hệ chia số bị chia (dividend) 6 bit cho số chia (divisor) 3 bit để có được thương số 3 bit. Hình sau minh họa cho quá trình chia: • Ta nhận thấy việc chia có thể thực hiện được bằng các phép toán trừ và dịch. Để xây dựng bộ chia ta sẽ dùng thanh ghi số bị chia 7 bit và thanh ghi số chia 3 bit như ở hình 2.18. 9/9/2011 7 • Tín hiệu dịch (Sh - Shift) sẽ dịch “số bị chia” sang trái một vị trí. • Tín hiệu trừ (Su - Subtract) sẽ trừ “số chia” cho 4 bit tận cùng bên trái của thanh ghi “số bị chia” và đặt bit thương số (bit tận cùng bên phải trong thanh ghi “số bị chia”) lên 1. Nếu “số chia” lớn hơn 4 bit tận cùng bên trái của “số bị chia”, ngõ ra của bộ so sánh là C = 0, ngược lại C = 1. • Mạch điều khiển tạo ra chuỗi các tín hiệu “dịch” và “trừ” mong muốn. Bất cứ khi nào C = 1, tín hiệu “trừ” được tạo ra và bit thương số được đặt lên 1. Thí dụ 2.5 Lập lưu đồ SM cho phần điều khiển bộ nhân. Ta sẽ thiết kế bộ nhân song song cho các số nhị phân dương, nhân nhị phân chỉ cần các phép toán dịch và cộng. Thay vì ban đầu phải tạo ra tất cả các “tích từng phần” (partial product) rồi cộng lại, thì ta sẽ cộng “tích từng phần” mỗi khi được tạo ra, do đó qui về bài toán cộng hai số nhị phân. Nhân hai số 4 bit cần một thanh ghi “số bị nhân” (multiplicand register) 4 bit, một thanh ghi “số nhân” (multiplier) 4 bit và thanh ghi 8 bit dành cho số hạng tích. Thanh ghi tích số làm việc như thanh ghi tích lũy là tổng tích lũy các “tích từng phần”. Thay vì phải dịch “số bị nhân” sang trái trước khi cộng, người ta sẽ dịch thanh ghi tích sang phải. 9/9/2011 8 9/9/2011 9 Thí dụ 2.6: Thiết kế trò chơi xúc xắc điện tử. Hình 2.26 cho thấy sơ đồ khối của trò chơi xúc xắc. Hai bộ đếm dùng để mô phỏng gieo xúc xắc. Mỗi bộ đếm đếm tuần tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1, 2, … Như vậy sau khi gieo xúc xắc (roll), tổng của các giá trị trong 2 bộ đếm nằm trong dãi từ 2 đến 12. Các qui tắc chơi như sau: 1. Sau lần gieo xúc xắc (roll) lần thứ nhất, người chơi thắng nếu tổng là 7 hoặc 11. Người chơi thua nếu tổng là 2, 3, hoặc 12. Ngược lại tổng có được trong lần “roll” thứ nhất được xem như “điểm” của người chơi và phải “roll” xúc xắc lần nữa. 2. Ở lần “roll” thứ hai hoặc kế tiếp, người chơi thắng nếu tổng bằng “điểm” của người chơi và thua nếu tổng là 7. Ngược lại người chơi phải “roll” lần nữa cho đến khi cuối cùng người chơi thắng hoặc thua. 9/9/2011 10 Các tín hiệu vào hệ điều khiển được định nghĩa như sau: • D7=1 nếu tổng của xúc xắc là 7. • D11=1 nếu tổng của xúc xắc là 11. • D2312=1 nếu tổng của xúc xắc là 2, 3, hoặc 12. • Eq=1 nếu tổng của xúc xắc bằng số được cất trong thanh ghi điểm. • Rb=1 khi ấn nút gieo xúc xắc Rb. • Reset=1 khi ấn nút Reset. Các biến ra của hệ điều khiển được định nghĩa như sau: • Roll=1 cho phép các bộ đếm xúc xắc. • Sp=1 làm cho tổng sẽ được cất vào thanh ghi điểm (Sp=Save points). • Win=1 làm cho đèn “Win” sáng (thắng). • Lose=1 làm cho đèn “Lose” sáng (thua). 2.3 CÀI ĐẶT CÁC LƯU ĐỒ SM • Các phương pháp được dùng để cài đặt các lưu đồ SM tương tự với các phương pháp dùng để cài đặt các giản đồ trạng thái. • Như với bất cứ hệ tuần tự nào, cài đặt (realization) sẽ gồm có một hệ tổ hợp cùng với các flipflop để chứa trạng thái của hệ (xem mô hình hệ tuần tự Moore và Mealy). Trong một số trường hợp, có thể nhận ra được các trạng thái tương đương trong lưu đồ SM và khử đi các trạng thái thừa với cùng phương pháp dùng để rút gọn các bảng trạng thái. • Tuy nhiên, thường thì lưu đồ SM được đặc tả không hoàn toàn, nghĩa là tất cả các biến vào không được kiểm tra trong mọi trạng thái, mà nó làm cho việc rút gọn khó khăn hơn. Ngay cả nếu số trạng thái trong lưu đồ SM có thể được rút gọn, không phải luôn luôn như ý muốn vì kết hợp các trạng thái có thể làm cho lưu đồ SM khó diễn dịch hơn. [...]... trên, phương trình tr ng thái k cho m t bi n Q c a flipflop có th suy ư c t lưu SM như sau: 1- Tìm ra t t c các tr ng thái trong ó Q = 1 2- i v i m i tr ng thái này, tìm ra t t c các ư ng d n n i ghép mà d n n tr ng thái ó 3- V i m i ư ng d n n i ghép này, tìm ra m t s h ng là 1 khi i theo ư ng d n n i ghép này Nghĩa là, v i ư ng d n n i ghép t Si n Sj, s h ng s là 1 n u máy tr ng thái Si và các i u ki...9/9/2011 • Trư c khi suy ra các phương trình bi n ra và tr ng thái k t lưu SM, ta ph i th c hi n gán tr ng thái • Cách t t nh t th c hi n phép gán ph thu c vào lưu SM ư c cài t như th nào • N u s d ng các c ng và các flipflop (ho c cài t PLD tương ương) có th dùng phép gán tr ng thái ph n ph l c Phương trình tr ng thái k cho B có ba s h ng tương ng v i ba ư ng d n n i ghép: B+ = A’B’X (do... tr ng thái v i A = 1, do ó: A+ = A’BX + ABX = BX Các phương trình bi n ra và tr ng thái có th ư c ơn gi n hóa hơn b ng b ng Karnaugh v i tr ng thái không s d ng (AB = 10) làm i u ki n “don’t care”, khi ó: Za = A’B’ + (AB’) = B’ Zb = A’B Zc = AB + (AB’) = A Z1 = ABX’ + (AB’X’) = AX’ Z2 = ABX + (AB’X) = AX A+ = BX B+ = A’B’X + A’BX + ABX + (AB’X) = X 11 9/9/2011 Tìm phương trình tr ng thái k t lưu SM... Q+ (tr ng thái k c a Q) ư c t o thành b ng cách OR các s h ng ư c tìm th y bư c 3 l i v i nhau • Ti p theo ta l y thí d khác, xét lưu SM c a ph n i u khi n b chia nh phân (hình 2.20) Ta s cài t lưu SM v i m t PLA hay ROM và 2 flipflop D • Như ch b ng 2.1, PLA có 4 bi n vào và 5 bi n ra M i hàng trong b ng tương ng v i 1 trong các ư ng d n n i ghép trong lưu SM 12 9/9/2011 Thí d 2.7: Cài t lưu SM hình... dùng PLA và D flipflop có xung nh p kích c nh xu ng V sơ kh i và b ng PLA (không c n ơn gi n các phương trình) 13 9/9/2011 Tương t như cách làm v i nh ng thí d trư c, ta suy ra ư c phương trình tr ng thái k và phương trình ngõ ra: 14 . 9/9/2011 1 Chương 2 THIẾT KẾ MÁY TRẠNG THÁI BẰNG LƯU ĐỒ MÁY TRẠNG THÁI 2.1 LƯU ĐỒ MÁY TRẠNG THÁI 9/9/2011 2 Khối Máy trạng thái (SM) 9/9/2011 3 9/9/2011 4 2.2. vì kết hợp các trạng thái có thể làm cho lưu đồ SM khó diễn dịch hơn. 9/9/2011 11 • Trước khi suy ra các phương trình biến ra và trạng thái kế từ lưu đồ