IE1205 Digital Design: F9: Synkrona tillståndsautomater

Transkript

1 IE25 Digital Design: F9: Synkrona tillståndsautomater

2 Moore och Mealy automater F8 introducerade vippor och vi konstruerade räknare, skift-register etc. F9-F skall vi titta på hur generella tillståndsmaskiner kan konstrueras Moore och Mealy automater (uppkallade efter Edward Moore och George Mealy som studerade denna typ av kretsar)

3 Sekvensnät Om en och samma insignal kan ge upphov till olika utsignal, är logiknätet ett sekvensnät. Det måste då ha ett inre minne som gör att utsignalen påverkas av både nuvarande och föregående insignaler!

4 Moore-automat Tillstånd (State) Ingångssignaler Nästa tillstånd (NEXT STATE DECODER) Tillståndsregister (STATE REGISTER) Utgångsavkodare (OUTPUT DECODER) Utgångssignaler Clk För Moore-automaten beror utsignalerna på insignalerna och det inre tillståndet. Det inre minnet är tillståndsregistret som består av D-vippor. Exempel på tillståndsmaskin: Kaffe automat: Servera kaffe när kund trycker på knapp, men bara när rätt belopp erlagts. State : Fel belopp, knapp deaktiverad State : Rätt belopp, knapp aktiverad

5 Tillståndsregistrets D-vippor Tillståndsregistrets D-vippor bromsar upp kapplöpningen mellan signalerna tills värdet är stabilt. (Jämför med tullstationen).

6 Tillståndsregistrets D-vippor Tillståndsregistrets D-vippor bromsar upp kapplöpningen mellan signalerna tills värdet är stabilt. (Jämför med tullstationen).??

7 Tillståndsregistrets D-vippor Tillståndsregistrets D-vippor bromsar upp kapplöpningen mellan signalerna tills värdet är stabilt. (Jämför med tullstationen).?!?!

8 Snabbfråga Vippor Vilket av följande tidsdiagram är giltigt för en flanktriggad D flip-flop? In D Q Out In2 Clock In In2 Out In In2 Out In In2 Out Alt: A Alt: B Alt: C

9 Snabbfråga Vippor Vilket av följande tidsdiagram är giltigt för en flanktriggad D flip-flop? In D Q Out In2 Clock In In2 Out In In2 Out In In2 Out Alt: A Alt: B Alt: C D kopieras till utgången vid flanken, dvs när Clock går från till

10 Snabbfråga Vippor Vilket av följande tidsdiagram är giltigt för en D latch? In D Q Out In2 Enable In In2 Out In In2 Out In In2 Out Alt: A Alt: B Alt: C

11 Snabbfråga Vippor Vilket av följande tidsdiagram är giltigt för en D latch? In D Q Out In2 Enable In In2 Out In In2 Out In In2 Out Alt: A Alt: B Alt: C D kopplas till utgången när Enable är, låses när Enable är

12 Exempel shift-register Clk Data Data Clk Data klockas in på positiv klockflank För att signalera slut på data och aktivera kretsen skickas två pulser på data ingången samtidigt som klockan är hög. Hur kan vi konstruera en krets som detekterar två efterföljande pulser?

13 Designexempel två i rad Sekvensdetektor. Om w har varit under två (eller fler) klockcykler i rad skall z =. w w z Clk C Specifikation Sekvenskretsen har en ingång w och en utgång z Om ingången w har varit under nuvarande och föregående klockcykel så ska utgången z sättas till Använd en Moore-automat med D-vippor för att realisera konstruktionen

14 Tidsdiagram två i rad Clock w t t t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 8 t 9 t z Önskad funktion

15 Tillståndsdiagram två i rad Reset Tillstånd w = w = A z = B z = A ingen i följd B en i följd C två eller fler i följd w = w = w = Tillståndsövergång Tillståndsbeteckning C z = Värde av utgångssignal w =

16 Tillståndstabell Present Next state Output state w = w = z A A B B A C C A C Tre tillstånd två vippor behövs för att minnas tillståndets nummer!

17 två i rad som Moore-automat w Combinational circuit Y y Combinational circuit z Y 2 y 2 Clock

18 Designbeslut Designern måste bestämma vilka vippor som ska användas D-, T-, eller JK-vippa Designern måste välja koden för varje tillstånd

19 Designbeslut Denna gång givet: D-vippor Tillståndsavkodning A =, B =, C = Koden ska inte förekommer. Vi väljer don t care.

20 Kodad tillståndstabell A = B = C = Present Next state state w = w = Output z y y Y Y Y Y A B C dd dd d Y Y f Y 2 ( y y w) z f ( Y ) 2 2

21 Nästa tillståndsavkodare ) ( ) ( ) ( ) ( Y Y f z w y y f Y w y y f Y w y y f Y Y Nästa tillståndsavkodaren består av de två logiknäten som finns som ingångsnät till de två vipporna. För att kunna minimera logiknäten skriver man in sanningstabellerna i Karnaughdiagram.

22 Kodad tillståndstabell A = B = C = Present Next state state w = w = Output z y y Y Y Y Y A B C dd dd d Y f ( y y w 2 )

23 Kodad tillståndstabell A = B = C = Present Next state state w = w = Output z y y Y Y Y Y A B C dd dd d Y f ( y y w 2 2 )

24 Från kodad tillståndstabell till Karnaughdiagram Y Y f ( y y w) Y f ( y y w) Y f ( y y w) y y 2 Y w d d Y wy y 2 w y 2 y Y 2 d Y 2 wy wy 2 d w ( y y 2 )

25 Utgångsavkodaren z f ( Y Y ) 2 y y 2 d z y 2

26 Implementeringen Y 2 wy wy 2 Y 2 D Q y 2 z w( y y ) 2 Y wy y 2 Q z y 2 w Y D Q y Q Clock Resetn

27 Tidsdiagram två i rad Clock t t t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 8 t 9 t w y y 2 z Tillståndsövergångar sker bara på den positiva klockflanken!

28 Demo Modelsim

29 Mealy-automat Tillstånd (State) Ingångssignaler Nästa tillstånd (NEXT STATE DECODER) Tillståndsregister (STATE REGISTER) Utgångsavkodare (OUTPUT DECODER) Utgångssignaler Clk I en Mealy-Automat beror utgångssignalerna både på nuvarande tillstånd och ingångarna

30 Tillståndsdiagram Mealy Två i rad Tillståndsdiagrammet för Mealy-automaten behöver bara två tillstånd Utsignalen beror på både tillstånd och insignaler Reset w = z = Värde av ingångssignal w = z = A B w = z = Tillståndsbeteckning w = z = Värde av utgångssignal

31 Tillståndstabell Reset w = z = w = z = A B w = z = w = z = Present Next state Output z state w = w = w = w = A A B B A B Två tillstånd bara en vippa behövs!

32 Kodad tillståndstabell Y f ( y w) z f ( y w) Present Next state Output state w = w = w = w = y Y Y z z A B Direkt ur tabellen: Y w z yw

33 Implementeringen z w D Q y Clock Q Resetn

34 Tidsdiagram Utsignalen kan ändrar sig under hela klockperioden eftersom den är en funktion av insignalen Jämfört med Moore-automaten så reagerar Mealy-automaten tidigare (bitsekvensen detekteras i t 4 jämfört med t 5 i Moore-automaten) Clock w y z t t t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 8 t 9 t

35 Mealy med utgångsregister Nackdelen med Mealy-automaten är att utsignalen kan ändras under hela klockperioden Man kan lägga till en register (vippa) på utgången så för att synkronisera utgången med klockflanken z D Q Z w D Q y Q Q Clock Resetn

36 Tidsdiagram med utgångsregister Med utgångsregister försvinner skillnaden mellan tidsdiagrammen. Clock w y z Z t t t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 8 t 9 t

37 Moore vs Mealy Moore-automatens utgångsvärden beror bara på det nuvarande tillståndet Mealy-automatens utgångsvärden beror på det nuvarande tillståndet och värden på ingångssignalerna Mealy-automaten behöver ofta färre tillstånd Mealy-automatens utsignaler är inte synkroniserade med klockan, varför man ofta lägger till ett utgångsregister

38 Snabbfråga Automater Vilket/vilka av följande tidsdiagram kan genereras från en Moore Automat? in clk Out in clk Out in clk Out Alt: A Alt: B Alt: C

39 Snabbfråga Automater Vilket/vilka av följande tidsdiagram kan genereras från en Moore Automat? in clk Out in clk Out in clk Out Alt: A Alt: B Alt: C

40 Snabbfråga Automater Vilket/vilka av följande tidsdiagram kan genereras från en Mealy Automat? in clk Out in clk Out in clk Out Alt: A Alt: B Alt: C

41 Snabbfråga Automater Vilket/vilka av följande tidsdiagram kan genereras från en Mealy Automat? in clk Out in clk Out in clk Out Alt: A Alt: B Alt: C

42 Val av tillståndskodning Valet av tillståndskodningen kan spela en stor roll för implementeringen eftersom den påverkar logiken för Next-state-decoder Utgångsavkodare Exempel koder: Binär Gray One hot

43 One-Hot-kodning One-hot-kodningen använder en vippa per tillstånd För varje tillstånd är en bit hot (), alla andra bitar är, dvs,,, One-hot kodningen minimerar den kombinatoriska logiken men ökar antalet vippor

44 två i rad tillståndsdiagram Reset w = w = A z = B z = w = w = w = C z = w =

45 Tillståndskod = Binärkod Present Next state state w = w = Output z y y Y Y Y Y A B C dd dd d

46 Realisering (Binärkod) 2 D-vippor 2 AND-grindar OR-grind Y 2 D Q Q y 2 z w Y D Q y Q Clock Resetn

47 Tillståndskod = Graykod I Gray-koden ändras bara en bit åt gången, dvs,,, Gray-koden är bra för räknare Next state Present state w = w = Output z y 2 y Y 2 Y Y 2 Y A B C dd dd d

48 Realisering (Graykod) Y 2 D Q y 2 z 2 D-vippor AND-grind Q w Y D Q y Clock Q Resetn

49 Vilken kod ska man välja? I detta exempel gav Gray kod enklare realisering, men detta gäller inte för alla tillståndsmaskiner Det finns inte en kod som är den bästa i alla lägen, utan det beror helt på tillståndsdiagrammet Man kan även ha egna koder som passar till konstruktionen, t ex,,,

50 Tillståndsmaskiner Tillstånd (State) Ingångssignaler Nästa tillstånd (NEXT STATE DECODER) Tillståndsregister (STATE REGISTER) Utgångsavkodare (OUTPUT DECODER) Utgångssignaler Clk Moore maskin: Utgång beror bara på tillstånd Mealy maskin: Utgång beror på tillstånd och insignal Implementering beror på kodning Nästa föreläsning: Tillståndsminimering och Asynkrona tillståndsmaskiner