Понятие последовательностного автомата

Последовательностные цифровые устройства часто называют последовательностными схемами, последовательностными автоматами, дискретными автоматами с памятью, многотактными автоматами.

Кроме комбинационных устройств, рассмотренных в предыдущей главе, существует класс цифровых устройств, в которых при одинаковых воздействиях на входе, на выходе автомата могут возникать различные выходные состояния. Состояние выхода такого устройства зависит не только от того, какие сигналы присутствуют на его входах в данный момент времени, но и от того, какие последовательности сигналов поступали на входы устройства в предшествующие моменты времени, т.е. как говорят, автомат помнит свою предысторию и хранит ее в памяти. Поэтому такие устройства называют последовательностными или многотактными автоматами.

Для описания последовательностного автомата с памятью, помимо состояний входов X(t) и выходов Y(t), необходимо также знать состояние памяти автомата, как говорят, его внутреннее состояние S(t).

В общем виде, последовательностный автомат рассматривается состоящим из двух частей: комбинационного устройства (КУ) и памяти, состоящей из элементов памяти (ЭП) (рис. 3.1).

В качестве элементов памяти могут быть применены как однобитовые элементы памяти (различные типы триггеров), так и многобитовые (многоразрядные) цепочки триггеров.

Функционирование (т.е. изменение состояния устройства) многотактного автомата происходит в дискретные моменты времени, ход которого обозначается натуральными числами t = 1, 2, 3 и т.д. В каждый момент дискретного времени t автомат находится в определенном состоянии S(t), воспринимает через входы соответствующую данному моменту комбинацию входных переменных X(t), выдает на выходах некоторую функцию выхода Y(t), определяемую как

Y(t) = f (S(t),X(t)),

и переключается в новое состояние S(t+1), которое определяется функцией переходов j как

S(t+1)= j ( S(t),X(t)).

Закон функционирования последовательностных автоматов может задаваться в виде уравнений, таблиц и графов. Под законом функционирования понимается совокупность правил, описывающих последовательность переключения состояний автомата и последовательность выходных сигналов в зависимости от последовательности поступления входных сигналов.

ЭП часто реализуется на основе бистабильных ячеек (БЯ). ЭП бывают: динамические, статические и квазидинамические. Наибольшее распространение получили первых два вида: статические и динамические. Статические ЭП реа- лизуются на БЯ. Динамические ЭП строятся, используя свойство хранения заряда между затвором и истоком полевых транзисторов МДП структуры.

БЯ - является простейшим типом триггера, реализованного с помощью элементов базиса И - НЕ или ИЛИ - НЕ с соответствующими обратными связями и позволяет хранить один бит цифровой информации (бит - единица цифровой информации, соответствующая одной логической “1” или логическому “0”).

Триггер - это последовательностная схема с двумя состояниями, каждое из которых при опреленных условиях на входах поддерживается постоянным (т.е. стабильным). Каждому из этих состояний ставится в соответствие логическое значение, которое “хранит” триггер (если на выходе триггера высокий уровень напряжения - “1” и “0” - в противном случае). Таким образом, в последовательностной схеме для представления значений каждой переменной, которую нужно хранить для использования в настоящем или в будущем, следует использовать отдельный триггер. Совокупное состояние последовательностной схемы, запоминающее устройство которой реализовано на триггерах, представляет собой просто комбинацию состояний этих триггеров.

Вообще говоря, у триггера должна быть по крайней мере одна выходная линия, представляющая логическое значение, соответствующее состоянию триггера. Когда на выходной линии логическая 1, говорят, что триггер установлен, в противном случае говорят, что триггер сброшен. Триггер имеет несколько входных линий, сигналы на которых (вместе с текущим состоянием триггера) определяют следующее состояние триггера. От функций входных линий зависит тип триггера.

Простейшим триггером является RS - триггер. RS - триггер имеет два входа и два выхода. Входы и выходы триггера имеют свои обозначения. Один из входов триггера называется установочным входом и обозначается буквой S (от английского set - установить), а другой - входом сброса и обозначается буквой R( от reset - сбросить). Триггер (рис. 3.2) имеет два симметричных выхода. На одном выходе (условно называемом прямым выходом) сигнал представляется без отрицания (выход Q), а на другом - с отрицанием (`Q - инверсный выход).

По способу подачи переключающих сигналов (в зависимости от комбинации входных сигналов) триггеры делятся на RS, MS, D, JK, T - триггеры.

Рис. .3.2. Графическое обозначение

RS - триггера

Триггеры бывают переключающимися уровнем и фронтом тактирующего сигнала (импульса). Несмотря на большое разнообразие триггеров, практически все триггеры строятся на базе RS -триггеров.