Chương 3: Hệ tuần tự không đồng bộ pdf

9/9/2011 Chương H TU N T KHÔNG Gi i thi u NG B Phân lo i m ch logic Mơ hình h t h p 9/9/2011 Mơ hình h tu n t Ch làm vi c • cho h tu n t không ng b ho t ng úng, ngư i ta ph i gi i h n làm vi c ch b n (fundamental mode) ho c ch xung (pulse mode) • ch b n, m i m t tín hi u vào t ngồi ch có th thay i t i th i i m t sang ho c t sang 0, m ch ph i i u ki n n nh (t t c tín hi u m ch ph i n nh; nghĩa chúng ph i t c giá tr xác l p) x y m t s thay i tín hi u vào • ch xung – Thí d : xung dương m i xung dương, s thay i t sang tr v c t o b ng tín hi u vào t bên ngồi, bi u th s ki n nh M ch ph i i u ki n n nh m i xung x y Ch b n c a h tu n t khơng ng b • Chú ý: M ch ph i n nh trư c m i s ki n nh m i l n ch có m t tín hi u vào t ngồi có th thay i t sang ho c t sang Ch xung c a h tu n t không ng b Chú ý: M ch ph i n nh trư c m i s ki n nh m i l n ch có m t tín hi u vào t ngồi có th t o xung dương 9/9/2011 M c tiêu • Thi t k h tu n t không ng b khó h ng b v n nh • V i h tu n t ng b xung nh p ã gi i quy t v n nh • V i h tu n t khơng ng b s ph i c n k thu t thi t k c bi t kh v n nh có t trì hỗn khơng b ng qua ng d n khác h • ơn gi n hóa phân tích thi t k , ta s gi s r ng h tu n t không ng b c a ta làm vi c ch b n 3.1 PHÂN TÍCH H TU N T KHƠNG NG B 3.1.1 Phân tích h khơng ng b v i flipflop SR 3.1.2 Phân tích h c ng không ng b 3.1.3 Các i u ki n ch y ua l p vịng 3.1 PHÂN TÍCH H TU N T KHƠNG NG B 3.1.1 Phân tích h không b v i flipflop SR ng 9/9/2011 Thí d : ta s phân tích h hình sau b ng cách theo dõi tín hi u dùng chu i vào X1X2=00, 10, 11, 01, 11, 10, 00 Gi s ngõ Q ban u c a flipflop (Q1Q2=00) Phân tích b ng b ng chuy n tr ng thái v i chu i tr vào c th (1) • C t th nh t c a b ng 3.1 li t kê giá tr hi n t i c a bi n vào giá tr flipflop nh ng th i i m k ti p phân tích h b t u v i giá tr ban u (X1X2=00) tr ng thái b t u (Q1Q2=00 ) • M i t h p giá tr c a ngõ vào m ch ngõ b nh (các ngõ flipflop trư ng h p này) s c g i tr ng thái tồn ph n (total state) c a h • tránh nh m v i tr ng thái toàn ph n, ta s g i tr ng thái c a flipflop tr ng thái n i (internal state) Hình 3.5 H trì hỗn khơng ng b Phân tích b ng b ng chuy n tr ng thái v i chu i tr vào c th (2) B ng 3.1 Phân tích c a hình 3.5 • V i m i tr ng thái toàn ph n phân tích hình 3.5, giá tr giá tr vào flipflop c tính tốn dùng phương trình: R1=X1’X2’ S1=X1X2 R2=X1’X2 S2=X1X2’ Z1=Q1Q2 + X1’(Q1 + Q2) Z2=Q1Q2’ + X2’ (Q1 + Q2’) • i v i tr ng thái toàn ph n cho trư c, tr ng thái n i k gi ng tr ng thái n i hi n t i, s không x y thay i tr ng thái ta nói r ng h tr ng thái toàn ph n n nh (stable total state) Chu i giá tr vào (t b ng 3.1) là: X1X2=00, 10, 11, 01, 11, 10, 00 Q1Q2=01, 00, 10, 11, 01, 11, 10 trì hỗn khơng ng b 9/9/2011 Phân tích b ng b ng chuy n tr ng thái • Trư c h t ta xây d ng b ng chuy n tr ng thái (transition table) mà cho ta th y tr ng thái k c a flipflop hàm c a tr ng thái hi n t i giá tr vào Ta có th t o b ng cách làm cho h ng b b ng cách ánh x phương trình tr ng thái k cho h V i hình 3.5, phương trình tr ng thái k là: Hình 3.6 B ng chuy n tr ng thái c a hình 3.5 • M i c t b ng tương ng v i t h p c th giá tr c a bi n vào, ho c tương ng v i tr ng thái vào (input state) M i hàng tương ng v i phép gán c th giá tr vào bi n b nh , ho c tương ng v i tr ng thái n i hi n t i M i ô b ng tương ng v i tr ng thái tồn ph n, giá tr ó tr ng thái n i k cho tr ng thái ó Hình 3.7 Các b ng dịng (flow table) c a hình 3.5 (a) ánh nhãn theo tr ng thái n i (b) ánh nhãn theo tr ng thái tồn ph n Hình 3.8 B ng dịng b ng giá tr cho hình 3.5 Chu i giá tr vào là: X1X2=00, 10, 11, 01, 11, 10, 00 Q1Q2=01, 00, 10, 11, 01, 11, 10 9/9/2011 Hình 3.9 Gi n nh c a hình 3.5 3.1.2 Phân tích h c ng khơng ng b • d phân tích, ngư i ta t p trung t t c trì hỗn liên h v i m i ng h i ti p vào m t h p c ánh nhãn “delay” R i ta liên h m t bi n tr ng thái v i m i ngõ “delay” N u m t th i i m cho trư c, ngõ vào “delay” (ho c 1), ngõ s (ho c 1) sau m t th i gian trì hỗn T ó ngõ vào “delay” bi u di n tr ng thái k c a ngõ “delay” trì hỗn v i ngõ Q1 có ngõ vào Q1+ • Sau ã t bi n tr ng thái, ta l p c b ng dịng H c mơ t b ng phương trình sau: Hình 3.10 H khơng ng b c xây d ng t c ng • Các phương trình c i n hình 3.10(b) (d), b ng dịng c a hình 3.10(c) c t o nên b ng cách thay th m i t h p bi n tr ng thái b ng ký hi u tr ng thái Các ngõ vào khoanh tròn bi u di n tr ng thái toàn ph n n nh V i m t chu i vào b t kỳ cho trư c, chu i tr ng thái ngõ có th c xác nh t hình 3.10(b) ho c (c) (d) 9/9/2011 Cách ch n bi n tr ng thái 3.1.3 Các i u ki n ch y ua l p vịng Mơ hình t ng quát c a h tu n t không ng b Ch y ua không t i h n (noncritical race) Hình 3.14 M ch b ng chuy n tr ng thái v i ch y ua không t i h n l p vòng 9/9/2011 Ch y ua t i h n (critical race) 3.2 THÀNH L P VÀ RÚT G N CÁC B NG DÒNG CƠ B N 3.2.1 Thành l p b ng dòng b n 3.2.2 Rút g n b ng dòng b n 3.2 THÀNH L P VÀ RÚT G N CÁC B NG DÒNG CƠ B N Cách thi t k cho h khơng ng b tương t v i cách thi t k cho h ng b : – Xây d ng m t b ng tr ng thái (hay b ng dòng) t phát bi u v n /bài toán – Rút g n b ng có s hàng t i thi u, th c hi n gán tr ng thái (có th tăng thêm hàng) – Cài t b ng dùng ph n t logic thích h p Tuy nhiên chi ti t c a m i bư c khác i v i h không ng b 3.2.1 Thành l p b ng dòng b n 9/9/2011 B ng dòng b n (primitive flow table) Qui c l p b ng dòng b n • Thơng thư ng i m b t u t ng h p h không ng b l p b ng dòng b n (primitive flow table) hay g i b ng dòng sơ khai • B ng dòng b n c nh nghĩa b ng dịng mà có xác m t tr ng thái toàn ph n n nh m i hàng • Ta có th rút g n b ng dòng b n thành b ng có hàng • Tuy nhiên, b o m có c b ng có s hàng t i thi u ph n l n ngư i ta b t u b ng b ng dòng b n c g ng xây d ng tr c ti p m t b ng c rút g n t u tránh v n nh mà có th phát sinh bi n vào thay i ng th i, ta s gi s r ng m i l n ch có bi n vào thay i thay i giá tr vào cách h s luôn t n tr ng thái toàn ph n n nh gi a nh ng thay i (ho t ng ch b n) • Khi thành l p b ng dòng b n, m i thay i giá tr vào ph i làm cho thay i tr ng thái cho phép ch tr ng thái n nh hàng c a b ng dịng b n mà thơi Thí d 3.1 Thí d 3.1 B ng dịng b n hồn t t M t h khơng ng b có ngõ vào ngõ Chu i vào X1X2=00, 01, 11 làm cho ngõ tr thành R i s thay i giá tr vào k ti p làm cho ngõ quay v Khơng có chu i vào khác s t o ngõ • Ghi chú: *: tr ng thái không th d n ban u không reset n giá tr n u 9/9/2011 Gi n tr ng thái c a b ng dòng b n TD 3.1 Thí d 3.2 Thí d minh h a thi t k T flipflop v i xung nh p kích c nh hình 3.18(a) M c dù flipflop c s d ng b ph n h ng b , thi t k bên c a flipflop v n khơng ng b Flipflop có ngõ vào T P Flipflop s i tr ng thái n u T=1 xung nh p P thay i t sang Dư i t t c i u ki n vào khác, Q gi không i Ta s gi s r ng T P không thay i ng th i S khác bi t v i gi n tr ng thái c a h tu n t ng b gì? Thí d 3.2 B ng dịng b n c a T FF Thí d 3.3 M t tín hi u xung nh p C c ch n cho qua b ng m t tín hi u S khác M ng cho qua cho ph i có nh ng xung y xu t hi n ngõ Z c S có th thay i gi a xung nh p Hình sau ch gi n nh c a m ng s c thi t k Ngay c có xung nh p, ây v n không ng b b i ngõ vào S c cho phép thay i b t c lúc so v i xung nh p Ta s gi s r ng S s luôn ON (d n=‘1’) hay OFF (t t=‘0’) t i thi u xung nh p y 10 9/9/2011 Thí d 3.3 3.2.2 Rút g n b ng dòng b n Phương pháp rút g n b ng dịng b n Có phương pháp rút g n b ng dòng b n: Phương pháp th nh t c n bư c–trư c h t tìm b ng dịng b n có s hàng t i thi u r i b ng c rút g n b ng cách tr n (hay gom) hàng l i Phương pháp th hai th c hi n s rút g n toàn ph n bư c b ng cách áp d ng phương pháp rút g n t ng quát cho b ng tr ng thái khơng hồn tồn ( c thêm Introduction to Switching Theory n i dung Logic Design, 3rd Edition c a Hill Peterson, chương 13 14) Phương pháp th nh t thư ng th c hi n t n công s c bàn ây Rút g n sơ b b ng dòng b n b ng cách kh tr ng thái tồn ph n n • • nh th a Ta có th tìm c b ng dịng b n có s hàng t i thi u b ng cách kh i tr ng thái toàn ph n n nh th a làm i u này, ta ph i tìm c tr ng thái tồn ph n n nh tương ương Hai tr ng thái toàn ph n n nh c g i tương ương n u chúng có s ngõ vào tr ng thái n i liên h tương ương Như v y tr ng thái toàn ph n n nh c g i tương ương n u ngõ vào c a chúng gi ng nhau, có ngõ gi ng nhau, tr ng thái k c a chúng tương ương v i m i giá tr vào có th có 11 9/9/2011 B ng 3.7 B ng dòng b n s c rút g n B ng 3.8 B ng dòng b n c rút g n t b ng 3.7 X1X2 Các tr ng thái có kh tương ương 00 (2, 6, ) 01 (5, 12) 11 (3, 10) 10 (4, 11) Sau xét ti p tr ng thái dịng ta tìm c tr ng thái tương ương l i là: (2, 8) (5, 12) (3, 10) (4, 11) Rút g n b ng dòng b n b ng sơ b tr n (merger diagram) • • M i m t b ng dịng b n có s hàng t i thi u c xét có th c rút g n thêm n a b ng cách tr n hàng (hay g i gom hàng) Các bư c ti n hành: i b ng Moore thành b ng Mealy V sơ b tr n (merger diagram) (hay c g i b ng sơ gom hàng) B ng 3.9 B ng dòng b n Mealy cho b ng 3.4 12 9/9/2011 Sơ tr n b ng dòng rút g n t b ng 3.9 B ng dòng rút g n t hình 3.18 B ng dịng rút g n t b ng 3.8 Tóm t t: Rút g n b ng dịng b n Ta có th rút g n b ng dòng b n thành b ng Mealy có s hàng t i thi u dùng th t c sau: Tìm c b ng dòng b n rút g n b ng cách kh i tr ng thái toàn ph n n nh th a Xây d ng b ng dòng Mealy t b ng dòng b n rút g n tìm c bư c V sơ b tr n dùng tr n nh ng hàng tương ương có c b ng dịng rút g n có s hàng t i thi u 13 9/9/2011 3.3 GÁN TR NG THÁI VÀ CÀI T CÁC B NG DỊNG Thí d • Trong vi c ch n gán tr ng thái cho h ng b , i tư ng ơn gi n hóa m ch logic • Tuy nhiên, i v i h khơng ng b i tư ng ch n gán tr ng thái ngăn ng a ch y ua t i h n, s ơn gi n hóa m ch logic tr thành i tư ng th hai • Sau ã th c hi n gán tr ng thái khơng có ch y ua t i h n, ta có th cài t h khơng ng b dùng c ng S-R flipflop ho c ch s d ng c ng Gán tr ng thái • Ta s hồn t t thi t k cho thí d 3.1 B ng 3.10 cho b ng dòng rút g n c a b ng 3.9 v i tr ng thái k c t tên theo tr ng thái n i a, b, c Các giá tr cho tr ng thái toàn ph n không n nh s c i n vào sau ã th c hi n gán tr ng thái 14 9/9/2011 Hoàn t t b ng giá tr Hình 3.24(a) Cài t b ng c ng cho b ng 3.12 B ng 3.12 Phương pháp t t suy phương trình ngõ vào c a SR FF Suy phương trình SR b ng phương pháp t t cho thí d 3.1 T b ng sau, ta th y Qi=0, Si=Qi+; tương t Qi=1, Ri=(Qi+)’ 15 9/9/2011 Hình 3.24(b) Cài t b ng SR FF cho b ng 3.12 3.3.2 Gán tr ng thái cho b ng hàng hàng Hình 3.27 B ng hàng t ng quát gi n chuy n tr ng thái Hình 3.28 (a) Gán tr ng thái v n cho b ng hàng (b) B ng hàng c m r ng 16 9/9/2011 Hình 3.30 B ng dịng v i “don’t care” 3.3.3 Các phép gán tr ng thái có hàng chung (Shared-Row assignments) Hình 3.31 Các chuy n tr ng thái c li t kê b ng hình 3.31(b) hàm ý tr ng thái m i t p k c n sau ph i c t chu i ô k c n: C t 00: (a, c, e) (b, d) C t 01: (a, b) (c, d, f) C t 11: (b, c, f) (a, d, e) C t 10: (a, c, d) (e, f) 17 9/9/2011 Hình 3.33 B ng m r ng c a b ng hình 3.31(a) dùng phép gán hình 3.32(b) Hồn t t b ng 3.3.4 Hoàn t t b ng 18 9/9/2011 Hồn t t b ng (tt) Tóm t t th t c thi t k h tu n t không ng b Cho trư c v n , xác nh quan h c n có gi a bi n vào Suy b ng dịng b n mà có m t tr ng thái toàn ph n n nh m i hàng, xác nh giá tr có liên quan v i m i tr ng thái toàn ph n n nh Rút g n b ng dòng b n có c s hàng t i thi u Vi c thư ng có th c th c hi n bư c Trư c h t xác nh tr ng thái toàn ph n tương ương tìm b ng dịng b n có s hàng t i thi u R i h p nh t (gom, tr n) hàng b ng tìm b ng rút g n cu i Sơ tr n có th h u ích vi c ch n hàng s c h p nh t Tìm phép gán tr ng thái mà kh i t t c ch y ua t i h n gi a bi n tr ng thái Trong trình có th c n m r ng b ng dịng b ng cách thêm hàng L p b ng chuy n tr ng thái b ng cách thay th giá tr c gán bi n tr ng thái cho m i tr ng thái b ng dòng m r ng N u s d ng b ng giá tr Mealy, i n vào ch khơng xác nh c n tránh nh t th i b ng giá tr V b ng tr ng thái k b ng giá tr t b ng chuy n tr ng thái N u không s d ng SR flipflop, tìm m t cài t khơng có hazard cho m i hàm tr ng thái k dùng c ng logic khã d ng N u không s d ng SR flipflop, v b ng giá tr vào flipflop tìm m t cài t khơng có “hazard 0” cho m i S R (n u s d ng SR flipflop c ng NAND, ngõ vào flipflop bù c a S R ph i khơng có hazard 1) Tìm cài t khơng có hazard c a hàm N u có hazard t t y u (essential hazard) b ng dịng, thêm trì hỗn (delay) ng h i ti p ho c s a i c u trúc c ng kh i hazard t t y u Ki m tra l i thi t k c a b n b ng cách ki m tra th c nghi m ho c mô ph ng máy tính 19 ... y ua l p vịng Mơ hình t ng quát c a h tu n t không ng b Ch y ua không t i h n (noncritical race) Hình 3.14 M ch b ng chuy n tr ng thái v i ch y ua không t i h n l p vòng 9/9/2011 Ch y ua t i h... k , ta s gi s r ng h tu n t không ng b c a ta làm vi c ch b n 3.1 PHÂN TÍCH H TU N T KHƠNG NG B 3.1.1 Phân tích h khơng ng b v i flipflop SR 3.1.2 Phân tích h c ng không ng b 3.1.3 Các i u ki... y Ch b n c a h tu n t không ng b • Chú ý: M ch ph i n nh trư c m i s ki n nh m i l n ch có m t tín hi u vào t ngồi có th thay i t sang ho c t sang Ch xung c a h tu n t không ng b Chú ý: M ch