Syntéza sekvenčních obvodů

Syntéza – postup, kterým vytvoříme obvod na základě zadání (např. slovního).

Postup:

1. Specifikace zadání
   • Nejčastěji slovní zadání
   • Jednoznačný popis funkce
   • Volba rozhraní – vstupy, výstupy, povolené stavy, podmínky přechodů, …
2. Volba vnitřního provedení podle zvolené technologie
   • Volba typu automatu (Moore, Mealy, …)
   • Volba kódování stavu (jak bude stav reprezentován v paměti obvodu), např.:
     • Binární – v paměti uloženo číslo stavu ve dvojkové soustavě
     • Gray – v paměti uloženo číslo stavu v podobě grayova kódu
     • One-hot – v paměti má každý stav svůj bit a vždy je aktivní právě jeden z nich
     • Johnson – v paměti má každý stav svůj bit a vždy jsou aktivní bity aktuálního a všech numericky předchozích stavů (např. pro stav číslo 4, jsou aktivní první 4 bity)
3. Popis logické funkce
   • Popis pomocí pravdivostní tabulky, stavového diagramu automatu nebo matematického zápisu výstupní a přechodové funkce.
4. Minimalizace logické funkce
   • Dojde ke sloučení ekvivalentních stavů (mají stejné přechody a výstupní hodnoty)
   • Ideálně ve formě konjunktivní nebo disjunktivní normální formy (jeden typ členů, např. NAND/NOR)
   • Např. Karnaughova mapa nebo algebraické úpravy
5. Kontrola správnosti
   • Ověříme, že se funkce chovají dle zadání.
   • Např. prstem po stavovém diagramu automatu nebo simulací v programu
6. Volba stavové paměti a logických členů
   • Zvolíme technologii a vhodné komponenty (paměť, klopné obvody, logické členy, …) obvodu
     • Tento krok lze provézt v rámci popisu logické funkce – někdy je jednodušší o funkce uvažovat spíše v podobě podmínek pro aktivaci/deaktivaci konkrétního stavového signálu než jako o algebraické funkci.
   • Klademe důraz na požadované časování (rychlost), napěťové úrovně, …
7. Realizace obvodu
   • Sestavíme minimalizovanou výstupní a přechodovou funkci z logických členů
   • Připojíme stavovou paměť
8. Test obvodu
   • Ověříme funkci a chování obvodu v mezních situacích (zakázané stavy, mezní frekvence, …)
9. Dokumentace
   • Zdokumentujeme návrh a zjištěné chování obvodu

Příklad – dopravník s lisem (viz. stavové automaty)

Specifikace zadání

Chceme realizovat sekvenční obvod pro automatický chod dopravníkového pásu s lisem. Pro jednoduchost zanedbáváme mezní stavy. Realizujeme tedy pouze cyklus „Doprava →Dolů → Nahoru → Doleva“. K přechodu dojde vždy při dojetí na koncový snímač.

Rozhraní:

• 4 vstupy: I_L, I_R, I_U, I_D
• 4 výstupy: Q_L, Q_R, Q_U, Q_D
• 4 vnitřní stavy: S_L, S_R, S_U, S_D

Volba vnitřního provedení podle zvolené technologie

Výstup je přímo určen aktuálním stavem – stav odpovídá směru pohybu a výstupy přímo spínají motory ve správném směru.

Chceme aby byl aktivní právě jeden motor na základě aktivního stavu, proto je vhodné zvolit kódování one-hot. Výstupy tak budou shodné s vnitřním stavem.

Předpokládáme, že obvod bude asynchronní – ovládán přímo změnou úrovně snímačů.

Popis logické funkce

Použijeme-li kódování one-hot, bude výstupní funkce triviální – hodnoty vnitřního stavu odpovídají hodnotám na výstupech.

Díky předpokladu, že je v kódování one-hot aktivní právě jeden stav je možné při vyhodnocování přechodů ignorovat neaktuální stavy. Abychom dodrželi kódování one-hot, je při přechodu nezbytné vypnout signál aktuálního stavu a zapnout signál stavu následujícího. Hodilo by se použít paměťový prvek, který lze řídit signály zapnout a vypnout. Naštěstí takový máme – klopný obvod RS. Přechodová funkce bude tedy reprezentovaná čtveřicí funkcí aktivujících následující stav:

\text{následující směr} = \text{aktuální směr} \land \text{aktuální senzor}

Minimalizace logické funkce

Funkce jsou již minimální, není potřeba cokoliv dále minimalizovat.

Realizace obvodu

Stačí zmíněnou logickou funkci připojit k paměťovým prvkům RS a jejich výstupy připojit na výstupy obvodu.