2.6.2 Синхронизация в цифровых автоматах

Смена состояний в синхронизированных автоматах происходит в определённые моменты времени, задаваемые по цепям синхронизации внешним тактовым генератором. Изменение состояний в реальных цифровых автоматах сопровождаются переходными процессами, имеющими вполне определённые длительности для выбранной элементной базы. Выходные сигналы по цепям обратной связи (рис.2, рис.21) поступают на вход цифрового автомата и далее на вход его блока памяти. Из-за неопределённости сигналов обратной связи во время протекания переходных процессов неопределёнными будут и сигналы возбуждения блока памяти. По этой причине предусматриваются специальные меры, гарантирующие переход автомата в нужное состояние. В синхронизированных цифровых автоматах устойчивость автомата обеспечивается специальными цепями синхронизации, разрывающими цепи обратной связи во время протекания переходных процессов. Такая синхронизация требует обеспечения определённых запасов времени на протекание переходных процессов и, следовательно, уменьшает быстродействие цифровых автоматов и требует выполнения определённых временных соотношений при смене значений входных сигналов.

Схема цифрового автомата, построенная из элементарных автоматов является корректно построенной, если в каждом её узле неоднозначность сигналов в любой существенный интервал времени отсутствует. Существенным интервалом времени является интервал, в течение которого информация считывается с какого либо узла этой схемы. Корректная схема автомата Мура изображена на рис.46. Комбинационная схема КС_вх служит для выработки кода, соответствующего новому состоянию автомата в соответствии с функцией переходов

а_s(t+1)=(a_m(t), z_f(t)),

схема КC_вых - для выработки сигналов, соответствующих функции выходов

w_g=(a_m(t)).

Блок памяти состоит из двух одинаковых блоков БП1 и БП2. Передача сигналов от блока к блоку осуществляется через конъюнкторы, управляемые тактовыми сигналами ₁ и ₂. Код, соответствующий новому состоянию, формируется КС_вх и при появлении импульса ₁ устанавливает в нужное состояние БП1. В интервале времени ₁ БП2 сохраняет код своего прежнего состояния на входах КС1. В течение времени, выделенного цветом, изменение входных сигналов запрещено, поэтому неопределённость на выходах КС1 не возникает. Выполнение ограничений на временные соотношения при формировании входных сигналов обеспечивается в источнике входных сигналов X.

Импульсом ₂ информация переносится в БП2 и этим заканчивается такт работы цифрового автомата. На смену состояния цифрового автомата, таким образом затрачивается время T’. Поскольку у автомата Мура функции выходов не зависят от входных сигналов, то порядок их смены может быть любым, лишь бы на интервале времени ₁ входные сигналы были неизменны.

Таким образом, корректность работы цифрового автомата Мура обеспечивается введением двухтактного синхронизированного блока памяти. Логика работы двухтактной памяти практически реализуется в двухступенчатых триггерах структуры О-В (или M-S), имеющих встроенную двухтактную систему синхронизации.

Двухтактная синхронизированная память обеспечивает корректность и автомата Мили. Однако только одного этого для него недостаточно, так как одним из аргументов функции выходов автомата Мили является код входного сигнала x(t), то есть

w_g=(a_m(t), z_f(t)).

Для синхронизированного цифрового автомата недопустим случайный характер смены кода выходного сигнала в соответствии с изменениями кода входного сигнала, но накладывать жёсткие ограничения на временные соотношения во входном сигнале также недопустимо. Это противоречие разрешается при введении стробирования выходной комбинационной схемы КС_вых синхросигналом ₁. Выходные сигналы цифрового автомата Мили при этом становятся импульсными. Для цифрового автомата Мура выходные сигналы считаются потенциальными, так как нет необходимости в стробировании выходной комбинационной схемы.

Структурная схема корректного цифрового автомата Мили и временная диаграмма его работы приведены на рис.47.

По временной диаграмме рис.47б) видно, что смена состояния блока памяти должна происходить по спаду синхроимпульса. В противном случае

в цифровом автомате Мили будет реализована функция выходов, описываемая уравнением:

w_g(t)=(a_m(t+1), z_f(t)).