William Sandqvist william@kth.se Programmering efter tillståndsdiagram En mycket vanlig teknik vid program-mering av inbyggnadsprocessorer är att använda ”tillstånd” och ”tillstånds-diagram”.
Idén är lånad från Digitalteknikens ”automater”.
Låt oss därför se kort på några av digitalteknikens sekvenskretsar och automater. UML-tillståndsdiagram
William Sandqvist william@kth.se Programmering efter tillståndsdiagram En mycket vanlig teknik vid program-mering av inbyggnadsprocessorer är att använda ”tillstånd” och ”tillstånds-diagram”.
Idén är lånad från Digitalteknikens ”automater”.
Låt oss därför se kort på några av digitalteknikens sekvenskretsar och automater. UML-tillståndsdiagram
William Sandqvist william@kth.se Låskretsar och Vippor Låskretsar (latch) och vippor (flip-flop) är kretsar med minnesfunktion. De ingår i datorns minnen och i processorns register. SR-låskretsen är i princip datorns minnescell Q=1 Q=0
William Sandqvist william@kth.se Låskretsar och Vippor D-vippan används för att synkronisera signal-flödet mellan datorns olika delar. Låskretsar (latch) och vippor (flip-flop) är kretsar med minnesfunktion. De ingår i datorns minnen och i processorns register.
William Sandqvist william@kth.se Klockad vippa Inom digitaltekniken brukar man skilja på enkla låskretsar ( latch ) och klockade vippor ( flip-flop ). De enkla låskretsarnas begränsning ligger i att man inte kan mata in ett nytt värde till ingången samtidigt som man läser av utgångsvärdet. De elektroniska kretsarnas snabbhet har gjort det nödvändigt att utveckla mer sofistikerade kretsar. Flanktriggad D-vippa. D-ingången är dataingång, C-ingången är klockpulsingång, därav beteckningen CP. Styringången C har ett flanktriggningstecken, en triangel. När C-ingången nås av en positiv flank, det vill säga under den korta tid då C går från "0" till "1”, kopieras D-ingångens värde till utgången Q. Utgångsvärdet är sedan låst tills det inkommer en ny flank på klockpulsingången.
William Sandqvist william@kth.se Ex. Varannan gång med D-vippan
William Sandqvist william@kth.se Varannan gång med Impulsrelä On-Off-On-Off … Impulsrelä Pris: 300:- 7474 (2st D-vippor) Pris: 10:- D-vippan blir billigare …
William Sandqvist william@kth.se Med en D-vippa kan man märka om Du vrider upp eller ner volymen? Gray-kod
… 00 01 11 10 … Ex. Digital volymratt
William Sandqvist william@kth.se Vad kännetecknar ett sekvensnät? Ett sekvensnät kännetecknas av att nätets utsignaler inte bara beror av det just rådande tillståndet hos insignalerna utan även av tidigare tillstånd. Skillnaden mellan ett sekvensnät och ett kombinatoriskt nät är att utgångarna "återkopplas" till nätets ingångssida. Då uppkommer självhållningseffekter i nätet. Detta är förklaringen till att en och samma insignal kan ge upphov till skilda utsignaler vid olika tillfällen. Sekvensnät styr i hissar, trafikljus och i datorernas CPU.
William Sandqvist william@kth.se Moore-automat En vanlig typ av sekvensnät är Moore-automaten. Nätets ”minnesfunktion” sitter i ett Tillståndsregister uppbyggt av D-vippor. Ett logiknät – Nästa tillståndsavkodaren – förutsäger det kommande tillståndet utifrån det nuvarande tillståndet och insignalerna. När klockpulsen CP kommer hamnar man i det nya tillståndet.
William Sandqvist william@kth.se Tillståndsregistrets D-vippor Tillståndsregistrets D-vippor bromsar upp kapplöpningen mellan signalerna tills värdet är stabilt. (Jämför med tullstationen). ? !
William Sandqvist william@kth.se Kaffeautomaten
William Sandqvist william@kth.se Exempel: En kaffeautomat Nästa tillståndsavkodaren ska förutsäga nästa tillstånd – ungefär som oraklet i Delfi förutsäger framtiden! Uppgiften är inte omöjlig, det finns en systematisk metod som steg för steg leder till målet. Första steget är att rita ett Tillstånds-diagram. Cirklarna Z0 Z1 och Z2 är tillstånden. Pilarna är möjliga övergångar mellan tillstånden och texten vid pilarna är vilkoret för övergången. Bredvid cirklarna står vad som ska hända i tillstånden. !coin betyder inverterat vilkor 1 betyder alltid
William Sandqvist william@kth.se Tillståndsdiagrammet, insignaler Kaffeautomaten har två insignaler.
coin från myntinkastet som anger att en pollett passerat en fotocell där. full från en givare som ”övervakar" plastmuggen under fyllningen. coin = 1 när myntet passerar. full = 1 när muggen blir full.
William Sandqvist william@kth.se Tillståndsdiagrammet, utsignaler Kaffeautomaten har två utsignaler.
drop_cup till en matarenhet för plastmuggar.
coffee till en magnetventil för påfyllning av kaffet. Mataren matar fram en mugg var gång drop_cup blir "1", och kaffe fylls på så länge som coffee = 1.
William Sandqvist william@kth.se Tillståndsdiagrammet, övergångar I första tillståndet, Z0, gäller för ut-signalerna att man inte släpper någon kopp (!drop_cup), och inte häller i någon dryck (!coffee) förrän man fått betalning (coin).
I andra tillståndet, Z1, släpps plast-muggen (drop_cup). "1" betyder här "alltid uppfyllt” så nästa klockpuls (om 1 sek) lämnar man således Z1 för Z2. Lämplig klockfrekvens 1 Hz I det tredje tillståndet, Z2, återställs mataren för plastmuggar (!drop_cup) och koppen börjar fyllas med dryck (coffee). Detta pågår tills muggen är full (full). Vi hamnar då åter i utgångsläget.
William Sandqvist william@kth.se Kaffeautomaten som Moore-automat Beteckningar. D-vippornas utgångar betecknas med ql q0, ingångarna, som bär nästa tillstånds signalen, brukar betecknas ql+ q0+ där plustecknet står för det "kommande" tillståndet. Sekvensnätets utgångar och ingångar betecknas ul u0, il i0.
Om vippornas utgångar styr utsignalerna direkt slipper man utgångsavkodaren! Tillståndsdiagrammet har tre tillstånd. Tillståndsregistret måste innehålla minst tre olika kombination-er. Det behövs två D-vippor ( 22 = 4 >3).
William Sandqvist william@kth.se Kodad tillståndstabell (ql+ q0+) = f ( ql q0 , il i0 ) Observera att tabellen är uppställd som ett Karnaughdiagram. Detta kommer att under-lätta framtagandet av grindnäten senare! Så här bygger man upp den kodade tillståndstabellen steg för steg … Z0: !full och !coin. Vi väntar på betalning och det finns inte någon full kopp i automaten. Nästa tillstånd blir att stanna kvar, ql+q0+ = 00.
Z0: !full och coin. Den andra kolumnen innebär att betalningen har kommit, nästa tillstånd blir således Z1, ql+q0+ = 01.
Z0: full och coin. Tredje kolumnen innebär att betalningen har kommit, men att en gammal full kopp tydligen finns kvar. Om det är osäkert om någon avlägsnar den bör nästa tillstånd bli att stanna kvar i Z0 (00). Z0: full och !coin. Full kopp (gamla) och inget mynt; stanna kvar i Z0 (00).
Z1: Enligt det tidigare presenterade tillståndsdiagrammet ska man från Z1 gå direkt till Z2. Är detta så välbetänkt? !full och !coin. Gå till Z2 (10).
Z1: !full och coin. Gå till Z2 (10).
Z1: full och coin. En gammal full mugg finns kvar. Släpp inte ner den nya muggen i den gamla! Stanna kvar i Z1 (01).
Z1: full och !coin. En gammal full mugg finns kvar. Släpp inte ner den nya muggen i den gamla! Stanna kvar i Z1 (01).
??: I tillståndsdiagrammet har vi glömt bort ett fjärde tillstånd!
Det ska normalt inte kunna inträffa, men sekvensnätet kan naturligtvis utsättas för en störning. Tillståndet innebär att automaten kon...
William Sandqvist william@kth.se Ett mer genomtänkt tillståndsdiagram Detta enkla exempel visar den stora fördelen med en systematisk syntes-metod; man tvingas överväga alla möjligheter för att därmed se till att sekvensnätet gör det bästa av varje situation, även sådana som "egentligen" inte ska kunna hända (men som vi alla vet ändå kommer att hända …).
Vi kan nu "rätta till" det ursprungliga tillståndsdiagrammet.
William Sandqvist william@kth.se Från tabell till grindnät Tabellen kan splittras upp i två Karnaughdiagram, ett för ql+ = f ( ql q0 , il i0 ) och ett för q0+ = f ( ql q0 , il i0 ). Hoptagningar i Karnaughdiagrammen ger: Läs Digitalteknik i kursen IL120V !
William Sandqvist william@kth.se Färdig kaffeautomat med logik-kretsar
Comments