Synkroniset tilakoneet Tilakoneen voidaan ajatella olevan sekvenssilogiikan kytkentä, joka tuottaa halutun lähtösek-venssin tunnetulle tulosekvenssille. Toteutus vaatii muistielementtejä ja kombinatoorista logiikkaa, jotka tuottavat yhdessä piirin sisäisen tilan. Näitä sisäisiä tiloja on äärellinen määrä (Finite State Machine). Tilakoneita tutkittiin 50-luvulla Mealyn ja Mooren toimesta, tutkimus johti kahteen erilaiseen toteutusrakenteeseen: Mealyn ja Mooren tilakoneet. Mooren tilakoneessa tulot eivät vaikuta suoraan lähtöön. Lähtöjen tilat riippuvat pelkästään piirin sisäisestä tilasta (piirille syötetystä sekvenssistä). Lähtöjen tilanmuutokset on synkronoitu kellosignaaliin.

Synkroniset tilakoneet Mealyn tilakoneessa lähtöjen tilat riippuvat nykyisistä tuloista ja kytkennän sisäisestä tilasta -> Kaikkien lähtöjen tilanmuutokset eivät ole välttämättä synkronoituja kellosignaaliin. Käytän-nössä useimmat nykyiset järjestelmät ovat tyypiltään Mealyn tilakoneita (sisältävät esim. asynkronisen suoraan lähtöihin vaikuttavan reset-signaalin).

Synkroniset tilakoneet Tilakoneen suunnitteluprosessi lähtee halutun toiminnallisuuden kuvaavasta tilakaaviosta tai tilataulukosta. Lopputuloksena saadaan kytkentä tai sitä vastaavat Boolen yhtälöt, jotka toteuttavat halutun toiminnallisuuden: Järjestelmä, joka tuottaa tunnetulle tulosekvenssille halutun lähtösekvenssin. Tilakoneen sisäiset tilat varastoidaan muistielementteihin (kiikut): n kappaleeseen kiikkuja pystytään varastoimaan 2n tilaa. Tilojen minimoinnin avulla pyritään vähentämään tarvittavien tilojen (kiikkujen) määrää: Minimointi lisää tai vähentää tapauskohtaisesti tilojen ja lähtöjen dekoodaukseen tarvittavan kombinatoorisen logiikan määrää. Esim. Suunnitellaan koodin tunnistin, mikä tunnistaa tulossa X esiintyvän koodin 101, eikä koodin päällekkäisyyksiä sallita. Valitaan Mooren tilakone. A: Odotetaan koodia B: eka 1 tullut C: 10 tullut D: oikea 101 tullut => Tunnistus

Synkroniset tilakoneet Vastaava Mealyn koneen tilakaavio olisi. Tyypilliset tilakoneen suunnittelun vaiheet: Esitä alkuperäinen ongelma sanallisesti. -Esim Suunniteltava tilakone, mikä ilmoittaa milloin tuloon x on tullut kolme ykköstä peräkkäin. Muodosta tämän perusteella tilakaavio tai tilataulukko. Valitse tiloille binääriarvot. Valitse kiikut Muodosta muutostaulukko Tee Karnaugh’n kartat muutostaulukon perusteella kytkennän minimoimiseksi. Piirrä kytkentä.

Synkroniset tilakoneet Toteutetaan edellä mainittu kolmen ykkösen ilmoittaja Mooren koneella. Tilakaavio S0: Odotetaan koodia S1: Eka 1 tullut S2: Toka 1 tullut S3: Kolmas 1 tullut Eli 4 tilaa => 2 Kiikkua. 2. Muutostaulukko. Valitaan D-kiikut ja tilat S0=00 S1=01 S2=10 S3=11 Ja täytetään muutostaulukkoon kaikki tilojen Ja tulojen (tässä vain x) kombinaatiot.

Synkroniset tilakoneet Muodostetaan Karnaugh’n kartat. Ja niiden avulla kytkentä.

Synkroniset tilakoneet Esimerkki karkkiautomaatista, joka antaa karkin, kun vähintään 15 snt on syötetty. Automaatti ei anna vaihtorahaa ja automaatti tunnistaa 10 snt (merkitään D) ja 5 snt (merkitään N) kolikot, mutta vain yhden kolikon kerrallaan. Oletetaan, ettei kukaan syötä muita kolikoita. 1. Tilakaavio ja tilataulukko.

Synkroniset tilakoneet Huomataan, että tiloja on neljä ja valitaan sekä kiikut että tilat.=> kartat=>kytkentä.

Synkroniset tilakoneet Sama esimerkki JK-kiikuilla.

Synkroniset tilakoneet Tilojen minimointi. Tilojen minimoinnin tarkoitus on päästä pienempään kytkentään. Tarkoituksena on löytää tilakaaviossa tai –taulukossa olevat ’dublikaatit’, eli kahteen kertaan esiintyvät tilat. Tilat ovat samat, jos niillä on sama output ja sama seuraava tila samalla ohjauksella x.(tai ohjauksilla, jos input muuttujia on useampia.) Esim. Tarkastellaan alla olevaa tilataulukkoa. Ositellaan tämä taulukko: ABCDE Osittelun perusteella voidaan siis Z, X=0 1 1 1 0 0 valita B ja C tila samaksi, joten Z, X=1 0 0 0 1 1 minimoitu tilataulukko on: ABC|DE NS,X=0 CCB|DE NS,X=1 BEE|BA A|BC|D|E NS,X=0 C|CB|D|E NS,X=1 B|EE|B|A

Synkroniset tilakoneet Toinen hyvä minimointikeino on ns. implikointitaulukko. Esim. Minimoidaan edellinen tilataulukko käyttäen implikointitaulukkoa. Rastitetaan pois ensin ne mahdollisuudet, joita tiloja ei voida valita samaksi, koska output Z käyttäytyy eri tavoin. Seuraavaksi laitetaan ruutuihin näkyviin ne ehdot, joiden täytyy toteutua, jotta tilat olisivat samat. Tästä karsitaan ne ehdot, jotka eivät voi toteutua. Lopputulos on sama kuin osittelulla, eli tila B voidaan valita samaksi kuin tila C.

Synkroniset tilakoneet Vielä toinen minimointi taulukolla ja osittelulla. ABCDEFGH 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 AD|BE|CF|GH EB|AD|CC|HC DA|FC|AD|GB AD|BE|CF|G|H EB|AD|CC|H|C DA|FC|AD|G|B Eli kummassakin tapauksessa päädytään lopulta viiden tilan minimoituun taulukkoon, jossa voidaan valita samoiksi tiloiksi A ja D, B ja E sekä C ja F.