Chương 5 MÁY TRẠNG THÁI (STATE MACHINE)

CHÖÔNG5 MÁY TRẠNG THÁI (STATE MACHINE) MÁY TRẠNG THÁI (STATE MACHINE) 5.1 Máy trạng thái lưu đồ máy trạng thái 5.2 Máy trạng thái MEALY 5.3 Máy trạng thái MOORE MÁY TRẠNG THÁI Hệ có tên gọi khác máy trạng thái (State Machine), tên thường sử dụng dùng hệ để điều khiển hệ thống số thực thủ tục thuật toán bước Có thể định nghĩa máy trạng thái giản đồ trạng thái, kiểu lưu đồ đặc biệt gọi lưu đồ máy trạng thái hay lưu đồ SM (State Machine) dùng để mô tả đặc tính làm việc máy trạng thái Trong thiết kế số, thường sử dụng từ máy trạng thái để mạch đồng mạch đếm… giá trị thay đổi từ trạng thái nhị phân sang trạng thái nhị phân khác mạch cung cấp xung clock SM có hai loại: Moore Mealy Máy trạng thái kiểu MEALY Sơ đồ khối máy trạng thái kiểu MEALY sau: Lưu ý: Tín hiệu ngõ phụ thuộc vào trạng thái tín hiệu vào Q1, Q2, …, Qk: trạng thái FF Q+1, Q+2, …, Q+k: trạng thái FF Trạng thái = F (trạng thái Qi ngõ vào Xj) Giá trị ngõ = G (trạng thái Qi ngõ vào Xj) Để biểu diễn mối quan hệ trạng thái kế tiếp, ngõ phụ thuộc vào trạng thái ngõ vào, người ta sử dụng bảng trạng thái giản đồ trạng thái * Bảng trạng thái (State Table): * Giản đồ trạng thái (State Graph): Khi thay đổi giá trị ngõ vào giá trị ngõ thay đổi trạng thái giữ nguyên không đổi có xung clock Máy trạng thái kiểu MOORE Sơ đồ khối máy trạng thái kiểu MOORE sau: Lưu ý: Tín hiệu ngõ phụ thuộc vào trạng thái Q1, Q2, …, Qk : trạng thái FF Q+1, Q+2, …, Q+k : trạng thái FF Trạng thái = F (trạng thái Qi ngõ vào Xj) Giá trị ngõ = G (trạng thái Qi) * Bảng trạng thái (State Table): Theo hình ta có: vào trạng thái S1, giá trị Z1 Z2 Nếu giá trị vào X1 X2 0, Z3 Z4 1, cuối thời gian trạng thái, máy vào trạng thái kế qua đường Ngược lại X1=1 X3=0, giá trị Z5=1 vào trạng thái kế qua đường Khối SM vẽ nhiều dạng khác Hai khối SM (a) (b) tương đương Một lưu đồ SM biểu diễn hệ tổ hợp có trạng thái thay đổi trạng thái xảy Z1 = A + A’BC = A + BC Ta phải tuân theo số qui tắc định xây dựng khối SM  Với kết hợp biến vào hợp lệ phải có xác đường định nghĩa Điều cần thiết tổ hợp vào cho phép phải dẫn đến trạng thái kế  Không cho phép có đường hồi tiếp nội khối SM (a) Sai (b) Đúng Khối SM có dạng: song song nối tiếp (a) Dạng song song (b) Dạng nối tiếp Ta chuyển dễ dàng giản đồ trạng thái máy sang lưu đồ SM 1/0 tương đương 1/0 1/Z2 S0 Za 0/0 S1 Zb S2 Zc 0/0 0/Z1 Giản đồ trạng thái có biến Moore Mealy Lưu đồ SM tương đương có khối, khối tương ứng với trạng thái Các biến Moore (Za, Zb, Zc) đặt hộp trạng thái, từ chúng không phụ thuộc vào biến vào Các biến Mealy (Z1, Z2) xuất hộp xuất theo điều kiện, chúng phụ thuộc vào trạng thái biến vào THÀNH LẬP LƯU ĐỒ SM Phương pháp suy lưu đồ SM cho hệ điều khiển giống với phương pháp dùng suy giản đồ trạng thái: Vẽ sơ đồ khối hệ thống mà ta điều khiển Định nghĩa tín hiệu vào cần cho hệ điều khiển Xây dựng lưu đồ SM để kiểm tra tín hiệu vào cần cho hệ điều khiển Xây dựng lưu đồ SM để kiểm tra tín hiệu vào tạo chuỗi tín hiệu Thí dụ: Xây dựng khối SM có ba biến vào (A, B, C), biến (W, X, Y, Z), đường (1 2) Với khối này, ngõ Z luôn 1, W hai A B Nếu C = A = Y = đường Nếu C = A = X = đường CÀI ĐẶT LƯU ĐỒ MÁY TRẠNG THÁI: Việc cài đặt lưu đồ SM tìm phương trình biến biến trạng thái Các bước thực sau: - Thực gán trạng thái cho hộp trạng thái - Xác định phương trình biến Zi • Tìm trạng thái có xuất biến (Zi = 1) • Tại trạng thái, biến MOORE ta tích số (AND) biến trạng thái; biến MEALY ta có tích số biến trạng thái biến điều kiện vào • Phương trình biến tổng (OR) tích số tìm thấy bước lại với - Xác định phương trình biến trạng thái kế Q+j • Tìm tất trạng thái Qj =1 • Đối với trạng thái này, tìm tất đường dẫn liên kết mà dẫn đến trạng thái • Với đường dẫn liên kết này, tìm số hạng theo đường dẫn liên kết Nghĩa là, với đường dẫn liên kết từ Sa đến Sb, số hạng tích số biến trạng thái trạng thái Sa biến điều kiện để dẫn đến Sb • Biểu thức Q+j tạo thành cách lấy tổng (OR) tích số tìm thấy bước lại với Ví dụ: Thực lưu đồ SM sau cổng logic kích cạnh lên D-FF + Gán trạng thái: AB = 00 cho S0, AB = 01 cho S1, AB = 11 cho S2 + Phương trình biến ra: Biến Moore: Za = A’B’ (chỉ có trạng thái S0) Zb = A’B (chỉ có trạng thái S1) Zc = A B (chỉ có trạng thái S2) Biến Mealy: Z1 = A B X’ (tại trạng thái S2 điều kiện X = 0) Z2 = A B X (tại trạng thái S2 điều kiện X = 1) + Phương trình biến trạng thái kế: Có đường dẫn liên kết (link1, link2 link3) trạng thái có B =1: B+ = A’B’X (link 1) + A’BX (link 2) + ABX (link 3) = (A’ + B) X Có đường dẫn liên kết dẫn tới trạng thái có A=1: A+ = A’BX + ABX = BX Các phương trình biến trạng thái kế đơn giản hóa bảng Karnaugh với trạng thái không sử dụng (AB=10) làm điều kiện “don’t care”, đó: 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 Z2 Z1 X DA CK DB CK Clock QA QA Zc Zb QB QB Za [...]... trạng thái (State Graph): * Vẽ Giản đồ trạng thái cho bảng trạng thái sau: LƯU ĐỒ MÁY TRẠNG THÁI Người ta còn gọi hệ tuần tự là máy trạng thái thuật toán (ASM algorithmic state machine) hay đơn giản hơn là máy trạng thái (SM - sate machine), ở đây ta gọi tắt là SM Lưu đồ SM được tạo bởi các khối SM; mỗi khối SM mô tả hoạt động trong 1 trạng thái Trạng thái của hệ thống được biểu diễn bằng một Hộp trạng. .. trạng thái (state box) Hộp trạng thái có thể chứa một Danh sách xuất (output list), Mã trạng thái (state code), Tên trạng thái (state name), Hộp quyết định (decision box), Điều kiện trong hộp quyết định là một biểu thức Boole, Hộp xuất theo điều kiện (conditional ouput box) chứa danh sách các biến xuất theo điều kiện Ba thành phần chính của một lưu đồ SM: Hộp trạng thái (state box): biểu diễn trạng thái. .. 2 CÀI ĐẶT LƯU ĐỒ MÁY TRẠNG THÁI: Việc cài đặt lưu đồ SM là tìm được phương trình của các biến ra và các biến trạng thái kế tiếp Các bước thực hiện như sau: - Thực hiện gán trạng thái cho các hộp trạng thái - Xác định phương trình của biến ra Zi • Tìm các trạng thái có xuất hiện biến ra (Zi = 1) • Tại mỗi trạng thái, nếu là biến MOORE thì ta được tích số (AND) của các biến trạng thái; còn nếu là biến... (chỉ có trong trạng thái S1) Zc = A B (chỉ có trong trạng thái S2) Biến ra Mealy: Z1 = A B X’ (tại trạng thái S2 và điều kiện X = 0) Z2 = A B X (tại trạng thái S2 và điều kiện X = 1) + Phương trình các biến trạng thái kế: Có 3 đường dẫn liên kết (link1, link2 và link3) trạng thái có B =1: B+ = A’B’X (link 1) + A’BX (link 2) + ABX (link 3) = (A’ + B) X Có 2 đường dẫn liên kết dẫn tới trạng thái có A=1:... là biến MEALY thì ta có tích số của các biến trạng thái và biến điều kiện vào • Phương trình của biến ra bằng tổng (OR) các tích số đã tìm thấy ở các bước trên lại với nhau - Xác định phương trình các biến trạng thái kế Q+j • Tìm ra tất cả các trạng thái trong đó Qj =1 • Đối với mỗi trạng thái này, tìm ra tất cả các đường dẫn liên kết mà dẫn đến trạng thái đó • Với mỗi đường dẫn liên kết này, tìm... biểu diễn trạng thái của hệ thống Hộp trạng thái có thể chứa một Danh sách xuất (output list), Mã trạng thái (state code), Tên trạng thái (state name) Hộp quyết định (decision box), Điều kiện trong hộp quyết định là một biểu thức Boole Hộp xuất theo điều kiện (conditional ouput box) chứa danh sách các biến xuất theo điều kiện Một khối SM chứa chính xác một hộp trạng thái cùng với các hộp quyết định và... điều kiện liên hệ với trạng thái đó Một khối SM có chính xác một đường vào và một hoặc nhiều đường ra Một đường dẫn đi qua khối SM từ ngõ vào đến ngõ ra được gọi là đường dẫn liên kết (link path) Theo hình ta có: khi vào trạng thái S1, các giá trị ra Z1 và Z2 bằng 1 Nếu các giá trị vào X1 và X2 đều bằng 0, Z3 và Z4 cũng bằng 1, và ở cuối thời gian trạng thái, máy đi vào trạng thái kế qua đường ra 1... biến trạng thái ở trạng thái Sa và các biến điều kiện để có thể dẫn đến Sb • Biểu thức Q+j được tạo thành bằng cách lấy tổng (OR) các tích số được tìm thấy ở bước trên lại với nhau Ví dụ: Thực hiện lưu đồ SM sau bằng cổng logic và kích cạnh lên D-FF + Gán trạng thái: AB = 00 cho S0, AB = 01 cho S1, và AB = 11 cho S2 + Phương trình của các biến ra: Biến ra Moore: Za = A’B’ (chỉ có trong trạng thái S0)... tương ứng với một trạng thái Các biến ra Moore (Za, Zb, Zc) được đặt trong các hộp trạng thái, từ đó chúng không phụ thuộc vào biến vào Các biến ra Mealy (Z1, Z2) xuất hiện trong các hộp xuất theo điều kiện, chúng phụ thuộc vào cả trạng thái và biến vào 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... tổ hợp vào được cho phép phải dẫn đến một trạng thái kế duy nhất  Không cho phép có đường hồi tiếp nội trong một khối SM (a) Sai (b) Đúng Khối SM có 2 dạng: song song và nối tiếp (a) Dạng song song (b) Dạng nối tiếp Ta có thể chuyển dễ dàng giản đồ trạng thái của máy tuần tự sang lưu đồ SM 1/0 tương đương 1/0 1/Z2 S0 Za 0/0 S1 Zb S2 Zc 0/0 0/Z1 Giản đồ trạng thái này có cả 2 biến Moore và Mealy Lưu