Основные этапы структурного синтеза

Процедуру структурного синтеза удобно рассматривать, расчленив ее предварительно на несколько связанных между собой этапов.

1. Выбор структурной схемы автомата. Этот этап синтеза во многом определяет последовательность построения схемы. Примеры того, как заданная система элементов влияет на структурную схему автомата, были приведены в предыдущем параграфе. Структурные схемы автомата, применяемые при построении схемы на потенциальных элементах, будут рассмотрены в п. 9, а структурные схемы, использующие типовые блоки, будут описаны в п. 10. Основная трудность этого этапа заключается в отсутствии формальных критериев для выбора структурной схемы.

Одним из главных факторов, определяющих выбор структурной схемы, является опыт разработчика.

2. Кодирование входных и выходных сигналов. Кодирование входных сигналов заключается в том, что каждой букве p_i входного алфавита абстрактного автомата однозначным образом ставится в соответствие набор значений двоичных переменных х₁, х₂,…, х_n. Очевидно, что кодирование является однозначным, если число букв входного алфавита не превышает числа различных двоичных наборов переменных х₁, х₂,…, х_n. Исходя из этого, количество двоичных переменных n, необходимое для кодирования r букв входного алфавита, можно определить из условия r Ј 2n. Кодирование выходных сигналов состоит в том, что буквам выходного алфавита wi абстрактного автомата аналогичным образом ставятся в соответствие наборы значений выходных переменных z₁, z₂,…, z_m. Результаты кодирования обычно заносятся в таблицы кодирования входных и выходных сигналов.

В некоторых задачах кодирования входных и выходных сигналов задается в качестве условий работы схемы на этапе абстрактного синтеза. В таких случаях в структурную схему автомата могут быть включены преобразователи кодов. При этом кодирование заключается в том, что каждому набору значений переменных х₁, х₂,…, х_n однозначным образом ставится в соответствие набор переменных х₁', х₂',…, х_q', а каждому набору переменных z₁, z₂,…, z_m – набор переменных z₁', z₂',…, z_s'. Заметим, что в качестве преобразователей кодов на практике часто используют дешифраторы. Необходимо иметь в виду, что кодирование входных и выходных сигналов может существенно влиять на сложность комбинационной части схемы так же, как и кодирование состояний автомата.

3. Выбор числа элементов памяти и кодирование состояний автомата. Кодирование состояний заключается в том, что каждому состоянию s_i О S однозначным образом ставится в соответствие набор внутренних переменных у₁, у₂,…, у_h.

Состояния и соответствующие им коды обычно представляют в виде таблицы, которая называется таблицей кодирования состояний автомата.

Если автомат имеет l состояний, то, для того, чтобы получить однозначное соответствие, необходимо иметь не менее l различных двоичных кодов. Минимальное число элементов памяти, необходимое для получения однозначного кодирования, h=log₂l.

Кодирование состояний существенно влияет на сложность комбинационной части схемы автомата. Для того, чтобы упростить комбинационную схему, часто используют избыточное кодирование, выбирая h большим, чем это необходимо для получения однозначного кодирования. Избыточное кодирование используется также для построения схем без состязаний. Кодирование состояний кажется целесообразным выполнять совместно с кодированием входных и выходных сигналов, однако такая задача оказывается весьма сложной и практически не реализуется.

4. Построение функций возбуждения. Функция возбуждения y_i' определяет, какой сигнал нужно подать на вход i-го элемента памяти, чтобы получить код состояния, в которое автомат должен перейти. Функции возбуждения при структурном синтезе соответствуют функциям перехода абстрактного автомата. Это соответствие показывает, что функции возбуждения должны зависеть от внутренних переменных y₁, y₂,…, y_h, определяющих состояние автомата, и входных переменных х₁, х₂,…, х_n, относящихся к одному и тому же моменту времени. Последнее обстоятельство позволяет нам рассматривать функции возбуждения как переключательные функции:

5. Построение функции выхода. В автомате Мили каждая функция выхода z_i определяет соответствующий компонент набора выходных сигналов. Функции выхода при структурном синтезе соответствуют функции выхода абстрактного автомата. Они зависят от внутренних переменных y₁, y₂,…, y_h и входных переменных х₁, х₂,…, х_n.

Существенно, что значения переменных, определяющих z_i, относятся всегда к одному и тому же моменту времени, поэтому функции выхода являются переключательными функциями:

Функции выхода автомата Мура в каждый момент времени определяют совокупность выходных сигналов:

6. Реализация функций выхода и функций возбуждения. Этот этап включает в себя действия, связанные с построением аналитического представления для переключательных функций, входящих в системы, их минимизацию, факторизацию и преобразования в операторную форму для заданной системы элементов. Заметим, что на этом этапе целесообразно также выполнять построение преобразователей кодов, которые обычно реализуются либо как система переключательных функций, либо в виде схемы «дешифратор-шифратор».