Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 1 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu.

Esitys aiheesta: "Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 1 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu."— Esityksen transkriptio:

1 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 1 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu

2 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 2 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Johdanto Tässä luvussa esitetään synkronisen sekvenssipiirin suunnitteluvaiheet esitetään ASM-menetelmä, joka on synkronisten sekvenssipiirien järjestelmällinen suunnittelumenetelmä, ja sen työkalu ASM-kaavio käydään perusteellisesti läpi neljä synkronisen sekvenssipiirin suunnitteluesimerkkiä ASM-menetelmää käyttäen Mooren kone, jossa on vain kellotulo kaksi Mooren konetta, joissa on muitakin tuloja edellisistä viimeistä vastaava Mealyn kone esitetään toteutukset D-kiikkuja ja portteja käyttäen kuvataan toteutus T- ja JK-kiikkuja käyttäen (lisäsisältöä) esitetään kellosignaalin erilaisia käyttötapoja ja sekvenssipiirin alustus Luvun tavoitteena on opettaa suunnittelemaan synkroninen sekvenssipiiri ASM-menetelmää käyttäen

3 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 3 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Simulointi Testaus Määrittely sanallinen vuokaavio Synkronisen sekvenssipiirin suunnitteluprosessi ASM-kaavio tai tilakaavio joko HDL-kuvaus tai tila- ja lähtötaulut lausekkeet piirikaavio Suunnittelu päälohkokaavio piirin nimi signaalien nimet

4 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 4 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe ASM-menetelmä Systemaattinen menetelmä synkronisten sekvenssipiirien suunnitteluun ASM = Algorithmic State Machine = tilakone = synkroninen sekvenssipiiri Menetelmän on esittänyt Christopher R. Clare Sopii Mooren kone- ja Mealyn kone -toteutuksiin Ei rajoita suunnittelutavan valintaa HDL-kuvaus käsin tehtävä suunnittelu Ei rajoita toteutustavan valintaa kombinaatiopiirin toteutus tilarekisterissä käytettävä kiikkutyyppi Havainnollinen Menetelmän työkalu: ASM-kaavio (ASM chart) ASM-kaavio sisältää kaiken piirin suunnittelussa tarvittavan tiedon ASM

5 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 5 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Nykytilanne: Uusi haluttu toimintatapa vuokaavioesityksenä: HERKUTTELE JASKAN KUPPILASSA Jaskan kuppilan perusmainoksen määrittely 2 s HERKUTTELE 2 s HERKUTTELE JASKAN 2 s HERKUTTELE JASKAN KUPPILASSA 2 s Perus

6 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 6 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe ?1?1 Toteutusperiaate Tehdään 4-tilainen ASM, jossa kellojakso on 2 s. Kussakin tilassa ohjataan halutut mainoksen osat palamaan Koska tilasekvenssi on aina samanlainen, tarvitaan tulosignaaliksi vain kellosignaali Perusmainoksen toteutusperiaate ja lohkokaavio Perus JKP 0,5 Hz OhjainLamput CLK Kello HERKUTTELE HERK Signaalien nimet JASK KUPP JASKAN KUPPILASSA Lohkokaavio Kellojakso 2 s f = 1/T

7 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 7 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe ?2?2 Oma tilalohko (state box) jokaiselle ASM:n tilalle: tilan nimi, (state name) aktiiviset lähdöt ja tilakoodi (state code) Lähtönuoli (exit path) kuvaa siirtymisen nykyisestä tilasta seuraavaan tilaan Riittävät kuvaamaan ASM:n, jossa on vain kellosignaali ASM-kaavio: tilalohko ja lähtönuoli ASM ASM-lohko BBB Tilakoodi = tilarekisterin tila = PS-signaalien arvot Tilalohko OUT1 OUT2 Tilassa aktiiviset lähtösignaalit Lähtönuoli RUN NORM Esimerkki 010 OPER Tilan nimi SN

8 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 8 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe ?3?3 Perusmainoksen ASM-kaavio Perus Vuokaavio 2 s HERKUTTELE 2 s HERKUTTELE JASKAN 2 s HERKUTTELE JASKAN KUPPILASSA 2 s Lohkokaavio Kellojakso 2 s JKP 0,5 Hz OhjainLamput CLK Kello HERKUTTELE HERK JASK KUPP JASKAN KUPPILASSA EI H HJ HJK ASM-kaavio HERK HERK JASK HERK JASK KUPP Kello- jakso 2 s Esittele perusmainos

9 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 9 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe ?4?4 Tilakoodit Jokaiselle tilalle annetaan oma yksikäsitteinen tilakoodi Tilakoodi koostuu nollista ja ykkösistä Jos ASM:ssa on s tilaa, tilakoodissa on vähintään k bittiä niin, että 2 k  s eli k  log 2 s Kellojakso 2 s EI H HJ HJK HERK HERK JASK HERK JASK KUPP Tilakoodi 00 01 10 11 Kukin ASM:n tilarekisterin kiikku tallettaa yhden tilakoodin bitin eli kiikkuja on yhtä monta kuin tilakoodissa bittejä Kaksi peruskäytäntöä tilakoodin valinnassa perinteinen: minimimäärä bittejä  minimi- määrä kiikkuja, mutta mutkikas kombinaatiopiiri kuuma kiikku (one-hot): bittejä sama määrä kuin tiloja, biteistä yksi on ykkönen, muut nollia  paljon kiikkuja, mutta usein yksinkertainen kombinaatiopiiri tässä opintojaksossa käytetään perinteistä menetelmää

10 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 10 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Kellojakso 2 s Kombi- naatio- piiri Yksi kiikku / tilakoodin bitti HERK JASK KUPP D0D0 D1D1 Q0Q0 Q1Q1 Q0Q0 Q1Q1 D0D0 D1D1 CLK Tilarekisteri Perusmainoksen tarkennettu lohkokaavio Perus 1D C1 1D C1 EI H HJ HJK HERK HERK JASK HERK JASK KUPP 00 01 10 11 Tilamuuttujat eli tilasignaalit eli nykyisen tilan signaalit (PS) Seuraavan tilan signaalit (NS)

11 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 11 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe ?5?5 Perusmainoksen tilataulu ja lähtötaulu Perus Kellojakso 2 s EI H HJ HJK HERK HERK JASK HERK JASK KUPP 00 01 10 11 Q1Q1Q0Q0 Nykyinen tilaSeuraava tila Tilataulu Q10011Q10011 Q00101Q00101 D10110D10110 D01010D01010 Lähtötaulu Nykyinen tilaLähdöt Q10011Q10011 Q00101Q00101 HERK 0 1 JASK 0 1 KUPP 0 1 Tilataulu on seuraavan tilan signaalien totuustaulu ja lähtötaulu lähtösignaalien totuustaulu

12 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 12 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Tilataulusta saadaan seuraavan tilan eli D-tulojen kytkentäfunktioiden lausekkeet Lausekkeet nähdään tässä tapauksessa suoraan tilataulusta, Karnaugh'n karttoja ei tarvita Seuraavan tilan funktioiden lausekkeet Perus Kytkentäfunktioiden lausekkeet: D0 = Q0 D1 = Q0  Q1 Nykyinen tilaSeuraava tila Q10011Q10011 Q00101Q00101 D10110D10110 D01010D01010

13 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 13 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Lähtösignaalien lausekkeet Lähtötaulusta saadaan lähtösignaalien kytkentäfunktioiden lausekkeet Lausekkeet nähdään tässä tapauksessa suoraan lähtötaulusta, Karnaugh'n karttoja ei tarvita Perus HERK = Q0 + Q1 JASK = Q1 Kytkentäfunktioiden lausekkeet: KUPP = Q0 · Q1 Nykyinen tilaLähdöt Q10011Q10011 Q00101Q00101 HERK 0 1 JASK 0 1 KUPP 0 1 ?6?6

14 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 14 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Q0Q0 Q0Q0 Q1Q1 D0D0 D1D1 HERK JASK KUPP Perusmainoksen kombinaatiopiirin piirikaavio D-tulojen ja lähtöjen lausekkeet toteutetaan porttipiireillä =1 11 HERK = Q0 + Q1 JASK = Q1 Perus D1 = Q0  Q1 KUPP = Q0 · Q1 & D0 = Q0

15 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 15 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe ?7?7 Perusmainoksen piirikaavio Yhdistämällä kiikut ja kombinaatiopiiri saadaan koko perusmainoksen piirikaavio: Perus D0D0 D1D1 CLK Q0Q0 D1D1 HERK JASK KUPP =1 11 & 1D C1 Q0Q0 1D C1 Q1Q1

16 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 16 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Halutaan mahdollisuus yötoimintaan ja päivätoimintaan Kaksi erilaista toimintatapaa: valinta kytkimellä – tulo YO Jaskan kuppilan parannetun mainoksen määrittely ParM Ei 2 s HERKUTTELE 2 s HERKUTTELE JASKAN 2 s HERKUTTELE JASKAN KUPPILASSA 2 s Yötoiminta? Vuokaavio Kyllä

17 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 17 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Toteutusperiaate Tehdään 4-tilainen ASM, jossa kellojakso on 2 s. Kussakin tilassa ohjataan halutut mainoksen osat palamaan Tulosignaalilla YO valitaan tilasekvenssi määrittelyn mukaisesti Parannetun mainoksen toteutus ja lohkokaavio ParM Tulosignaalin nimi 0 1 YO Kytkin JKPA 0,5 Hz OhjainLamput CLK Kello HERKUTTELE HERK JASK KUPP JASKAN KUPPILASSA Lohkokaavio Kellojakso 2 s

18 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 18 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe ?8?8 ASM-kaavio: tulosignaalien kuvaaminen Tulosignaali kuvataan päätöslohkolla (decision diamond) Kussakin tilassa on yksi päätöslohko jokaista tilanmuutokseen vaikuttavaa tulosignaalia kohti Päätöslohkot piirretään peräkkäin, ei rinnakkain Päätöslohkot kuuluvat aina siihen tilalohkoon, josta lähtevässä lähtönuolessa ne ovat kiinni, ei koskaan seuraavaan ASM OUT1 OUT2 BBB SN IN1 0 1 IN2 0 1 Tulo- signaali Päätöslohko RUN NORM SLOW FAST 010 0 1 1 0 OPER Esimerkki

19 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 19 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe ?9?9 Parannetun mainoksen ASM-kaavio ParM 0 1 YO Kytkin JKPA 0,5 Hz Ohjain Lamput CLK Kello HERKUTTELE HERK JASK KUPP JASKAN KUPPILASSA Lohkokaavio 1 0 YO Tulo- signaalin vaikutus ASM-kaavio Kellojakso 2 s HERK JASK HERK JASK KUPP 00 01 10 11 EI H HJ HJK Esittele parannettu mainos 2 s Vuokaavio HERKUTTELE HERKUTTELE JASKAN HERKUTTELE JASKAN KUPPILASSA 2 s Yötoiminta? KylläEi

20 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 20 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Kellojakso 2 s YO Parannetun mainoksen tarkennettu lohkokaavio ParM Kombi- naatio- piiri HERK JASK KUPP D0D0 D1D1 Q0Q0 Q1Q1 Q0Q0 Q1Q1 D0D0 D1D1 CLK Tilarekisteri 1D C1 1D C1 HERK JASK HERK JASK KUPP YO 00 01 10 11 1 0 EI H HJ HJK

21 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 21 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe ? 10 Parannetun mainoksen tilataulu ja lähtötaulu ParM HERK JASK HERK JASK KUPP YO 00 01 10 11 1 0 EI H HJ HJK Kellojakso 2 s Nykyinen tilaSeuraava tila Q100001111Q100001111 Q000110011Q000110011 D100111101D100111101 D011001101D011001101 Tulo YO 0 1 0 1 0 1 0 1 Tilataulussa on mukana myös tulosignaali Nykyinen tilaLähdöt Q10011Q10011 Q00101Q00101 HERK 0 1 JASK 0 1 KUPP 0 1 Mooren koneen lähtötaulussa on vain nykyinen tila

22 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 22 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe ? 11 Seuraavan tilan funktioiden lausekkeet Tilataulusta saadaan seuraavan tilan eli D-tulojen Karnaugh’n kartat Kartoista johdetaan kytkentäfunktioiden lausekkeet tilakiikkujen D-tuloille ParM Nykyinen tilaSeuraava tila Q100001111Q100001111 Q000110011Q000110011 D100111101D100111101 D011001101D011001101 Tulo YO 0 1 0 1 0 1 0 1 Karnaugh'n kartat: D1D1 0101 0111 Q1Q1 Q0Q0 YO D0D0 1001 1011 Q1Q1 Q0Q0 Kytkentäfunktioiden lausekkeet: D1 = Q0 · Q1 + Q0 · Q1 + Q1 · YO = Q0  Q1 + Q1 · YO D0 = Q0 + Q1 · YO

23 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 23 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Lähtösignaalien lausekkeet Lähtötaulusta saadaan lähtösignaalien lausekkeet Lähtötaulu on sama kuin perusmainoksessa  samat lausekkeet kuin perusmainoksessa HERK = Q0 + Q1 JASK = Q1 Kytkentäfunktioiden lausekkeet: KUPP = Q0 · Q1 ParM Nykyinen tilaLähdöt Q10011Q10011 Q00101Q00101 HERK 0 1 JASK 0 1 KUPP 0 1

24 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 24 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe HERK = Q0 + Q1 JASK = Q1 KUPP = Q0 · Q1 Parannetun mainoksen kombinaatiopiirin piirikaavio D-tulojen ja lähtöjen lausekkeet toteutetaan porttipiireillä Q0Q0 Q0Q0 Q1Q1 D0D0 D1D1 HERK JASK KUPP =1 11 & 11 & 11 YO ParM D1 = Q0  Q1 + Q1 · YO D0 = Q0 + Q1 · YO

25 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 25 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe ? 12 Parannetun mainoksen piirikaavio Yhdistämällä kiikut ja kombinaatiopiiri saadaan seuraava koko parannetun mainoksen piirikaavio: ParM HERK JASK KUPP =1 11 & 11 & 11 YO D0D0 D1D1 CLK Q0Q0 1D C1 Q0Q0 1D C1 Q1Q1

26 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 26 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Jaskan kuppilan supermainoksen määrittely Kolme erilaista toimintatapaa yötoiminta, päivätoiminta ja Happy Hour-toiminta valinta kahdella kytkimellä – tulot YO ja HH Super Ei 2 s HERKUTTELE HERKUTTELE JASKAN HERKUTTELE JASKAN KUPPILASSA 6 s Yötoiminta? Vuokaavio Kyllä Happy Hour? EiKyllä 2 s

27 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 27 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Supermainoksen toteutus ja lohkokaavio Toteutusperiaate Yleisperiaate sama kuin aiemmissakin mainoksen versioissa Voidaan toteuttaa joko Mooren koneena tai Mealyn koneena Mooren koneessa on enemmän tiloja, mutta elegantimpi toiminta Lohkokaavio JKS 0,5 Hz OhjainLamput CLK JASK KUPP Kello HERKUTTELE JASKAN KUPPILASSA HERK YO HH Kytkimet 0 1 0 1 Super Kellojakso 2 s

28 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 28 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Supermainoksen ASM-kaavio: Moore Lohkokaavio JKS 0,5 Hz CLK JASK KUPP HERKUTTELE JASKAN KUPPILASSA HERKYO HH 0 1 0 1 Esittele supermainos Kolme tilasig- naalia Kellojakso 2 s ASM - Mooren kone HERK H EI HERK JASK HJ HJK 1 HJK 2 HJK 3 HERK JASK KUPP HH 000 001 101 010 110 011 01 YO 10 Super Ei 2 s HERKUTTELE HERKUTTELE JASKAN HERKUTTELE JASKAN KUPPILASSA 6 s Yötoiminta? Kyllä Happy Hour? Ei 2 s Kyllä Vuokaavio 2 s

29 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 29 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Supermainoksen lohkokaavio: Moore Kellojakso 2 s HERK H EI HERK JASK HJ HJK 1 HJK 2 HJK 3 HERK JASK KUPP HH 000 001 101 010 110 011 01 YO 10 Super HH Kombi- naatio- piiri HERK JASK KUPP D0D0 D1D1 Q0Q0 Q1Q1 Q0Q0 Q1Q1 D0D0 D1D1 CLK Tilarekisteri 1D C1 1D C1 D2D2 Q2Q2 Q2Q2 1D C1 YO D2D2 Kolme kiikkua

30 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 30 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Supermainoksen tilataulu: Moore Kellojakso 2 s HERK H EI HERK JASK HJ HJK 1 HJK 2 HJK 3 HERK JASK KUPP HH 000 001 101 010 110 011 01 YO 10 Nykyinen tilaSeuraava tila Q10001110011Q10001110011 Q00010110101Q00010110101 D1001101X11XD1001101X11X D0110101X01XD0110101X01X Tulot YO X 0 1 X Q20000001111Q20000001111 HH 0 1 X D20100000100D20100000100 Tilataulussa viisi muuttujaa  32 riviä Lyhennetään tilataulua käyttäen muuttujille hällävälejä X Käyttämättömät tilat Super

31 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 31 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Supermainoksen lähtötaulu: Moore Kellojakso 2 s HERK H EI HERK JASK HJ HJK 1 HJK 2 HJK 3 HERK JASK KUPP HH 000 001 101 010 110 011 01 YO 10 Mooren koneessa tulot eivät vaikuta lähtöihin Käyttämättömissä tiloissa lähdöillä ei ole väliä  X Nykyinen tilaLähdöt Q100110011Q100110011 Q001010101Q001010101 Q200001111Q200001111 HERK 0 1 X 1 X Käyttämättömät tilat JASK 0 1 X 1 X KUPP 0 1 X 1 X Super

32 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 32 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Q2 = 0Q2 = 1 Karnaugh'n kartta, D2 Seuraavan tilan funktioiden lausekkeet: Moore, D2 Super Lisä D2D2 0000 1000 Q1Q1 Q0Q0 YO 1000 0000 HH D2D2 0100 0100 Q1Q1 Q0Q0 YO 0100 0100 HH Kytkentäfunktion D2 lauseke: Nykyinen tila Seuraava tila Q10001110011Q10001110011 Q00010110101Q00010110101 D1001101X11XD1001101X11X D0110101X01XD0110101X01X Tulot YO X 0 1 X Q20000001111Q20000001111 HH 0 1 X D20100000100D20100000100 Tarvitaan viiden muuttujan Karnaugh'n kartta Jos tilataulun rivillä on X tai X:iä, rivi kuvautuu useaan kartan ruutuun

33 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 33 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe 0101 0101 0111 0111 X1X1 X1X1 X1X1 X1X1 Seuraavan tilan funktioiden lausekkeet: Moore, D1 Lisä Kytkentäfunktion D1 lauseke: Super Q2 = 0Q2 = 1 Karnaugh'n kartta, D1 D1D1Q1Q1 Q0Q0 YO HH D1D1Q1Q1 Q0Q0 YO HH Nykyinen tila Seuraava tila Q10001110011Q10001110011 Q00010110101Q00010110101 D1001101X11XD1001101X11X D0110101X01XD0110101X01X Tulot YO X 0 1 X Q20000001111Q20000001111 HH 0 1 X D20100000100D20100000100 Tarvitaan viiden muuttujan Karnaugh'n kartta Jos tilataulun rivillä on X tai X:iä, rivi kuvautuu useaan kartan ruutuun

34 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 34 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe 1001 1001 1011 1011 X0X1 X0X1 X0X1 X0X1 Seuraavan tilan funktioiden lausekkeet: Moore, D0 Lisä Kytkentäfunktion D0 lauseke: Super Q2 = 0Q2 = 1 Karnaugh'n kartta, D0 D0D0Q1Q1 Q0Q0 YO HH D0D0Q1Q1 Q0Q0 YO HH Nykyinen tila Seuraava tila Q10001110011Q10001110011 Q00010110101Q00010110101 D1001101X11XD1001101X11X D0110101X01XD0110101X01X Tulot YO X 0 1 X Q20000001111Q20000001111 HH 0 1 X D20100000100D20100000100 Tarvitaan viiden muuttujan Karnaugh'n kartta Jos tilataulun rivillä on X tai X:iä, rivi kuvautuu useaan kartan ruutuun

35 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 35 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe HERK JASK KUPP HERK = Q0 + Q1 Lähtöjen Karnaugh'n kartat ja funktiot Lähtösignaalien lausekkeet: Mooren kone Lisä 011X 11X1 Q2Q2 Q1Q1 Q0Q0 011X 01X1 Q2Q2 Q1Q1 001X 01X1 Q2Q2 Q1Q1 Q0Q0 Q0Q0 Nykyinen tilaLähdöt Q100110011Q100110011 Q001010101Q001010101 Q200001111Q200001111 HERK 0 1 X 1 X JASK 0 1 X 1 X KUPP 0 1 X 1 X Super JASK = Q1 + Q2 KUPP = Q2 + Q0 · Q1

36 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 36 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Supermainoksen lausekkeet ja piirikaavio: Moore HERK = Q0 + Q1 Super JASK = Q1 + Q2 KUPP = Q2 + Q0 · Q1

37 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 37 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Mealyn koneessa tulosignaalit voivat vaikuttaa suoraan lähtösignaaleihin Käyttämällä tätä ominaisuutta selvitään Supermainoksessakin nelitilaisella ASM:lla Annetaan tulosignaalin HH vaikuttaa suoraan lähtösignaaleihin Lähtöä, johon jokin tulo vaikuttaa suoraan, sanotaan ehdolliseksi lähdöksi (conditional output) Supermainoksen toteutus Mealyn koneena Super

38 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 38 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe ? 13 ASM-kaavio: ehdollisten lähtöjen kuvaaminen ASM-kaaviossa ehdollinen lähtö kuvataan ehdollisella lähtölohkolla (conditional output box) Ehdollinen lähtölohko on aina päätöslohkon perässä päätöslohkossa on se tulosignaali, josta lähtösignaali riippuu ehdollisessa lähtölohkossa on lähtösignaali ASM OUT1 OUT2 1 0 SN BBB Ehdollinen lähtölohko Ehdollinen lähtö IN1 OUT3 Esimerkki RAPID RUN SLOW FAST 010 0 1 1 0 OPER NORM SLUGG

39 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 39 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe ? 14 Supermainoksen ASM-kaavio: Mealy Esittele supermainos Super ASM - Mealyn kone HERK H EI HERK JASK HJ HJK HERK JASK KUPP HH 00 01 10 11 0 1 YO 10 JASK KUPP HH 0 1 KUPP Ehdolliset lähdöt Ei 2 s HERKUTTELE HERKUTTELE JASKAN HERKUTTELE JASKAN KUPPILASSA 6 s Yötoiminta? Kyllä Happy Hour? Ei 2 s Kyllä Vuokaavio 2 s Lohkokaavio JKS 0,5 Hz CLK JASK KUPP HERKUTTELE JASKAN KUPPILASSA HERKYO HH 0 1 0 1

40 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 40 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe ? 15 Supermainoksen tilataulu: Mealy HERK H EI HERK JASK HJ HJK HERK JASK KUPP HH 00 01 10 11 0 1 YO 10 JASK KUPP HH 0 1 KUPP Super Nykyinen tilaSeuraava tila Q100111Q100111 Q001011Q001011 D101101D101101 D010101D010101 Tulot YO X 0 1 HH X Tilataulussa neljä muuttujaa  16 riviä Lyhennetään tilataulua käyttäen muuttujille hällävälejä X Nähdään, että seuraava tila ei riipu tulosta HH; sen voisi jättää pois

41 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 41 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe ? 16 Supermainoksen lähtötaulu: Mealy HERK H EI HERK JASK HJ HJK HERK JASK KUPP HH 00 01 10 11 0 1 YO 10 JASK KUPP HH 0 1 KUPP Super Mealyn koneen lähtötaulussa tulot ovat mukana Lähtötaulussa neljä muuttujaa  16 riviä Lyhennetään lähtötaulua käyttäen muuttujille hällävälejä X Nähdään, että lähdöt eivät riipu tulosta YO; sen voisi jättää pois Nyk. tilaLähdöt Q1000111Q1000111 Q0011001Q0011001 Tulot YO X HERK 0 1 JASK 0 1 HH X 0 1 0 1 X KUPP 0 1 0 1

42 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 42 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe ? 17 Seuraavan tilan funktioiden lausekkeet: Mealyn kone Super Jätetään tilataulusta muuttuja HH pois Nähdään, että tilataulu on sama kuin parannetun mainoksen tilataulu Seuraavan tilan signaaleille saadaan samat lausekkeet kuin parannetussa mainoksessa Nykyinen tilaSeuraava tila Q100111Q100111 Q001011Q001011 D101101D101101 D010101D010101 Tulot YO X 0 1 HH X Nykyinen tilaSeuraava tila Q100001111Q100001111 Q000110011Q000110011 D100111101D100111101 D011001101D011001101 Tulo YO 0 1 0 1 0 1 0 1 D1 = Q0 · Q1 + Q0 · Q1 + Q1 · YO = Q0  Q1 + Q1 · YO D0 = Q0 + Q1 · YO

43 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 43 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe ? 18 Lähtöjen funktioiden lausekkeet: Mealyn kone HERK HERK = Q0 + Q1 0111 0111 Q1Q1 Q0Q0 HH Super Nyk. tilaLähdöt Q1000111Q1000111 Q0011001Q0011001 Tulo HERK 0 1 JASK 0 1 HH X 0 1 0 1 X KUPP 0 1 0 1 JASK 0011 0111 Q0Q0 Q1Q1 HH JASK = Q1 + HH · Q0 KUPP 0010 0111 Q1 Q0 HH KUPP = Q0 · Q1 + HH · Q0 + HH · Q1 Jätetään lähtötaulusta muuttuja YO pois

44 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 44 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe ? 19 Supermainoksen piirikaavio: Mealy Super HERK JASK KUPP =1 11 & 11 & 11 YO D0D0 D1D1 CLK Q0Q0 1D C1 Q0Q0 1D C1 Q1Q1 11 11 HH & & & Esittele Deeds-ASM

45 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 45 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Kiikkujen tilataulut ja muutostaulut T- tai JK-kiikkuja käytettäessä tilatauluun tarvitaan aiemmin esitettyä enemmän sarakkeita: T-tulon tai J- ja K-tulojen sarakkeet Ne saadaan muutostaulun avulla muutostaulusta nähdään, millä tulosignaaliarvo(i)lla siirrytään tietystä nykyisestä tilasta tiettyyn seuraavaan tilaan T-kiikku JK-kiikku Tilataulu Muutostaulu T- ja JK-kiikkujen käyttö ASM-suunnittelussa JK ASM Lisä J0011J0011 K0101K0101 Q(t+1) Q(t) 0 1 Q(t) Q(t)0011Q(t)0011 Q(t+1) 0 1 0 1 J01XXJ01XX KXX10KXX10 Tilataulu T01T01 Q(t+1) Q(t) Q(t)0011Q(t)0011 Q(t+1) 0 1 0 1 T0110T0110 Muutostaulu T

46 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 46 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Tilataulu T- tai JK-kiikkuja käytettäessä Lisä Nykyinen tilaSeuraava tila Q1(t) 0 1 Q0(t) 0 1 0 1 Q1(t+1) 0 1 0 1 Q0(t+1) 1 0 1 0 1 Tulo YO 0 1 0 1 0 1 0 1 Supermainos, Mealyn kone Tilataulu, jossa ovat mukana T- ja JK-kiikkujen tulot T T-kiikkujen tulot T100110010T100110010 T011111110T011111110 JK-kiikkujen tulot J10011XXXXJ10011XXXX K1XXXX0010K1XXXX0010 J011XX11XXJ011XX11XX K0XX11XX10K0XX11XX10 JK T- tai JK-kiikun tulosignaalien arvot saadaan muutostaulusta

47 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 47 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Kellosignaalin käyttötapa 1: ajastus ASM:n toiminnan ajastus Ainakin merkittävä osa tilanmuutoksista tapahtuu riippumatta tulosignaaleista Kellosignaalin taajuus antaa piirille toiminnan ajastuksen Kellosignaalin taajuuden arvo ja tarkkuus on yleensä tärkeä Sovelluksia Digitaalikello Tiedon sarjamuotoinen siirto siirtojohdoissa (kupari tai kuitu) radioteitse Tietokoneen prosessorin ajastus Analogia-digitaali- ja digitaali-analogiamuunnos Ääni- ja videosignaalin käsittely ASM-kaavio- esimerkki CLK

48 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 48 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Kellosignaalin käyttötapa 2: odotus Käyttäjän toiminnan havaitseminen Käyttäjä voi olla ihminen tai esimerkiksi jokin prosessi tai ympäristö Piiri pysyy samassa tilassa, kunnes jokin sen tulosignaali muuttuu Kellosignaalin taajuuden arvo ja tarkkuus ei ole tärkeä, kunhan se vain on riittävän suuri Sovelluksia Ihmisen käyttämien laitteiden liitännät näppäimistön liitäntä painikkeiden ja kytkinten liitännät Toiminnan ohjaus ulkopuolisten herätteiden mukaisesti teolliset prosessit mekaaniset järjestelmät, esim. robotit ASM-kaavio- esimerkki CLK

49 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 49 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe ? 20 Kellosignaalin käyttötapa 3: yhdistelmä Käyttötapojen 1 ja 2 yhdistelmä Piirin tila muuttuu osin tulosignaaleista riippumatta, osin niistä riippuen Piirissä on tilaketjuja Kellosignaalin taajuuden ja sen tarkkuuden merkitys riippuu tapauksesta Sovelluksia Hyvin monissa käytännön laitteissa Esimerkki: satunnaisuuden tekeminen pyöritään suurella kellotaajuudella tilojen kehässä käynnistetään, kun tulosignaali muuttuu pysäytetään, kun tulosignaali muuttuu tulosignaali(e)n muutosväli on satunnaissuure ASM-kaavio- esimerkki T T 1 0 T T 1 0 T T 1 0 T = 1  kiertää T = 0  pysähtyy CLK

50 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 50 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Synkronisen sekvenssipiirin alustus Synkroninen sekvenssipiiri alustetaan alustussignaalilla (reset signal) alustussignaali saadaan erityisestä alustuspiiristä tyypillisesti alustussignaali nollaa kaikki piirin kiikut alustussignaali viedään kiikkujen asynkronisiin nollaustuloihin alustussignaali on usein nollana aktiivinen alustuksella piiri pakotetaan tiettyyn alkutilaan kun laitteeseen kytketään sähkö kun valvontapiiri (watchdog) havaitsee virhetilanteen kun painetaan laitteessa olevaa alustuspainiketta Merkintä ASM-kaavioon nuoli alkutilaan nuolen päähän alustussignaalin nimi ASM-kaavio- esimerkki RES CLKC1 Q Q 1DD RESR 00 01 10 RES

51 Digitaalitekniikka (piirit)Luku 3 Sivu 51 (51) Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu27.12.2011 Fe Yhteenveto Synkronisen sekvenssipiirin suunnitteluprosessiin kuuluvat määrittely, suunnittelu, simulointi ja testaussuunnitteluprosessiin ASM-menetelmä on synkronisten sekvenssipiirien systemaattinen suunnittelumenetelmä, jonka keskeinen työkalu on ASM-kaavio ASM-menetelmä ASM-kaavion elementit ovat tilalohko, lähtönuoli, päätöslohko ja ehdollinen lähtölohkotilalohkolähtönuolipäätöslohko ehdollinen lähtölohko Jaskan kuppilan perusmainoksessa on tulosignaalina vain kellosignaali: siitä esitetään vuokaavio, lohkokaavio, ASM-kaavio, tilojen nimeäminen, tila- ja lähtötaulu, kombinaatiopiirin suunnittelu ja piirikaaviovuokaaviolohkokaavioASM-kaaviotilojen nimeäminen tila- ja lähtötaulukombinaatiopiirin suunnittelupiirikaavio Jaskan kuppilan parannetussa mainoksessa on yksi muu tulosignaali: siitä esitetään vuokaavio, lohkokaavio, ASM-kaavio, tila- ja lähtötaulu, kombinaatiopiirin suunnittelu ja piirikaavio Mooren koneenavuokaaviolohkokaavioASM-kaaviotila- ja lähtötaulu kombinaatiopiirin suunnittelupiirikaavio Jaskan kuppilan supermainoksessa on kaksi muuta tulosignaalia: siitä esitetään Mooren ja Mealyn koneena vuokaavio, lohkokaavio, ASM-kaavio, tila- ja lähtötaulu, kombinaatiopiirin suunnittelu ja piirikaaviovuokaaviolohkokaavioASMaavio talähaulukombinaatiosuunnittelupiiraavio Tilarekisteri voidaan toteuttaa myös T- tai JK-kiikuillaT- tai JK-kiikuilla Kellosignaalilla on kolme käyttötapaa: ajastus, odotus ja näiden yhdistelmäajastusodotusyhdistelmä Synkroninen sekvenssipiiri alustetaan erityisellä alustussignaalillaalustetaan Synkronisen sekvenssipiirin suunnitteluprosessiin kuuluvat määrittely, suunnittelu, simulointi ja testaussuunnitteluprosessiin ASM-menetelmä on synkronisten sekvenssipiirien systemaattinen suunnittelumenetelmä, jonka keskeinen työkalu on ASM-kaavio ASM-menetelmä ASM-kaavion elementit ovat tilalohko, lähtönuoli, päätöslohko ja ehdollinen lähtölohkotilalohkolähtönuolipäätöslohko ehdollinen lähtölohko Jaskan kuppilan perusmainoksessa on tulosignaalina vain kellosignaali: siitä esitetään vuokaavio, lohkokaavio, ASM-kaavio, tilojen nimeäminen, tila- ja lähtötaulu, kombinaatiopiirin suunnittelu ja piirikaaviovuokaaviolohkokaavioASM-kaaviotilojen nimeäminen tila- ja lähtötaulukombinaatiopiirin suunnittelupiirikaavio Jaskan kuppilan parannetussa mainoksessa on yksi muu tulosignaali: siitä esitetään vuokaavio, lohkokaavio, ASM-kaavio, tila- ja lähtötaulu, kombinaatiopiirin suunnittelu ja piirikaavio Mooren koneenavuokaaviolohkokaavioASM-kaaviotila- ja lähtötaulu kombinaatiopiirin suunnittelupiirikaavio Jaskan kuppilan supermainoksessa on kaksi muuta tulosignaalia: siitä esitetään Mooren ja Mealyn koneena vuokaavio, lohkokaavio, ASM-kaavio, tila- ja lähtötaulu, kombinaatiopiirin suunnittelu ja piirikaaviovuokaaviolohkokaavioASMaavio talähaulukombinaatiosuunnittelupiiraavio Tilarekisteri voidaan toteuttaa myös T- tai JK-kiikuillaT- tai JK-kiikuilla Kellosignaalilla on kolme käyttötapaa: ajastus, odotus ja näiden yhdistelmäajastusodotusyhdistelmä Synkroninen sekvenssipiiri alustetaan erityisellä alustussignaalillaalustetaan