Предисловие к слайд-конспектамx - Кафедра ВТ

Предисловие к методическому пособию
«Слайд-конспекты лекций по курсу ТЕОРИЯ АВТОМАТОВ»
Пособие включает программу курса ТЕОРИЯ АВТОМАТОВ по направлению
231000.62 Программная инженерия и собственно слайд-конспекты лекций.
Содержание слайд-конспектов лекций соответствует программе курса и содержит 7
модулейi. Почти каждый из слайдов перенасыщен «содержательной частью» с целью
приблизить данное методическое пособие к конспектам лекций в их стандартном
понимании. Каждый из модулей оканчивается контрольными вопросами для контроля за
усвоением материала.
Общее число слайдов:
185
Автор: доцент кафедры ВТ НГТУ
В.А. Афанасьев.
20.04.2014 г.
Выписка из ПРОГРАММЫ курса «Теория автоматов» (2013 г)
ООП: 231000.62 Программная инженерия
Факультет: АВТФ, каф. ВТ
Курс: 3, семестр: 5
Рабочая программа составлена на основании федерального государственного образовательного
стандарта высшего профессионального образования по направлению (специальности): 231000.62
Программная инженерия
Заведующий кафедрой: доцент, д.т.н. Брованов С.В..
Ответственный за основную образовательную программу: профессор, д.т.н. Гужов В.И.
Программу разработал: доцент, к.т.н. Афанасьев В.А.
i
3. Цели учебной дисциплины
Таблица 3.1
После изучения дисциплины студент будет
иметь
представление
1
О цифровых автоматах как математической модели дискретных систем;
2
О структурной организации операционных автоматов;
3
О тенденциях и перспективах развития теории автоматов и её использования для
анализа и синтеза различных систем логического управления;
знать
4
Методы синтеза комбинационных схем на логических элементах различной
степени интеграции;
5
Конечные автоматы Мура и Мили и формы их задания;
6
Эквивалентность конечных автоматов, преобразование автомата Мура в автомат
Мили и наоборот;
7
Алгоритмическая ограниченность конечных автоматов;
8
Канонический метод синтеза структурных автоматов синхронного типа;
9
Простые методы оптимального кодирования состояний автоматов;
10
Классификацию триггерных структур.
11
Представление триггера асинхронным или синхронным автоматом.
12
Условные графические обозначения триггеров.
13
В чём заключаются принципиальные отличия в работе статических и
динамических триггеров.
14
Регистры, классификацию, методы синтеза.
15
Классификацию счётчиков и методы их синтеза
16
Принцип микропрограммного управления в вычислительных устройствах.
Функции операционного и управляющего автоматов.
17
Методы синтеза операционных и микропрограммных управляющих автоматов с
жёсткой логикой;
1
уметь
18
19
20
21
умеет использовать элементы математической логики для построения суждений и
их доказательств
ставить и решать схемотехнические задачи, связанные с выбором системы
элементов при заданных требованиях к параметрам
Использовать методы аппарата теории автоматов для решения задач синтеза
типовых функциональных узлов вычислительной техники;
Проводить синтез структурных схем микропрограммных управляющих автоматов,
заданных на языке граф-схем алгоритмов;
иметь
опыт
(владеть)
22
Разработки узлов и устройств вычислительной техники с использованием
моделирующих программ EWB и Multisim на ИС малой степени интеграции.
4. Содержание и структура учебной дисциплины
Лекционные занятия
Модуль, дидактическая единица
Таблица 4.1
Ссылки
Часы
на цели
Семестр: 5
Модуль: Введение.
Дидактическая единица: Типы цифровых устройств, системы логических элементов, логические
соглашения
Представление информации физическими сигналами. Два типа цифровых
1
1
устройств обработки информации – комбинационные схемы и автоматы с
памятью. Системы логических элементов, условные графические обозначения.
Имена сигналов и активные уровни на выводах схем, логические соглашения.
Модуль: Синтез цифровых автоматов без памяти (комбинационных схем) на логических элементах
разной степени интеграции.
Дидактическая единица: Анализ и синтез комбинационных схем (КС). Логические базисы. Синтез КС
со многими выходами
Анализ и синтез комбинационных схем (КС). Оценки качества КС. Закон
1
4,18
отрицания и взаимные преобразования элементов И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ на
основе закона отрицания.
Особенности построения КС в монофункциональном базисе И-НЕ, ИЛИ-НЕ.
Синтез КС при наличии ограничений на число входов логических элементов.
Особенности синтеза КС со многими выходами.
Дидактическая единица: Сумматоры, дешифраторы, мультиплексоры
Анализ и синтез основных узлов вычислительных устройств комбинационного 2
4,18,19
типа. Одноразрядный сумматор (ОС). ОС в базисе И-НЕ. Многоразрядные
сумматоры с последовательными и параллельными переносами.
Дешифраторы и шифраторы. Функциональное описание, пример синтеза в
базисе И-НЕ, ИЛИ-НЕ.
Мультиплексоры и демультиплексоры. Мультиплексор как универсальный
логический модуль.
Модуль: Общая теория конечные цифровых автоматов с памятью.
Дидактическая единица: Абстрактные автоматы Мили и Мура, определения, виды заданий, взаимные
преобразования, подходы к их минимизации, алгоритмическая ограниченность конечных автоматов,
структурный автомат.
2
Абстрактный автомат. Основные понятия и определения. Конечные автоматы
Мура и Мили. Автоматные языки для задания и отображения автоматов:
таблицы переходов, графы, матрицы переходов. Синхронные и асинхронные
автоматы.
3
5,6,7
Эквивалентные автоматы. Преобразование автомата Мили в автомат
Мура и наоборот.
Понятие алгоритма. Алгоритмическая ограниченность конечных
автоматов. Машина Тьюринга как мощное средство реализации
произвольных алгоритмов.
Структурный (цифровой) автомат. Теорема Глушкова о структурной полноте.
Триггер, как элементарный автомат Мура с двумя состояниями и поной
системой переходов и выходов.
Модуль: Триггерные устройства как элементарные автоматы Мура.
Дидактическая единица: Триггеры и их классификация, логическое функционирование асинхронных
триггеров, синхронные триггеры со статическим (D-триггеры) и динамическим управлением (JK- и
D-триггеры).
10,11,
Классификация триггеров. Асинхронный RS-триггер с прямыми входами 2
12,13
и формы его описания (таблица переключения, характеристическая
таблица и характеристическое уравнение, граф переходов триггера как
граф асинхронного автомата с двумя устойчивыми состояниями).
Временные диаграммы процесса переключения, Асинхронный RSтриггер с инверсными входами.
Логическое функционирование и схемы других типов асинхронных триггеров
(D-, T- и JK-триггеры) с анализом графов переходов, показывающих
невозможность их практического использования в виду наличия неустойчивых
состояний (Т- и JK- триггеры) или отсутствия режима хранения (D- триггер).
Синхронные триггеры со статическим управлением. D-триггер типа ''защелка".
Время предустановки и время выдержки.
Триггеры с динамическим управлением, тактируемые фронтом (срезом)
синхросигнала (JK- и D-триггеры).
Модуль: Структурные автоматы асинхронного и синхронного типов.
Дидактическая единица: Канонический метод синтеза структурного автомата. Гонки в автоматах.
Кодирование состояний автомата.
2
8,9
Канонический метод синтеза структурного (цифрового) автомата на
основе таблицы истинности для выходных сигналов автомата и сигналов
возбуждения триггеров. Стратегии минимальной стоимости и риска.
Асинхронные автоматы. Гонки в автоматах и способы борьбы с ними.
Проблематика кодирования выходных сигналов автомата и его
состояний. Способы кодирования:
- соседнее кодирование состояний автомата.
- кодирование с ослабленной зависимостью от входных сигналов;
- приоритетное кодирование логически смежных состояний
- способ кодирования состояний автомата, минимизирующий
суммарное число переключений элементов памяти на всех переходах
автомата.
Сравнительная эффективность рассмотренных способов.
Дидактическая единица: Регистры и счётчики.
Регистры и счётчики как автоматы синхронного типа. Синтез
универсального регистра на D-триггерах. Классический метод синтеза
счётчиков с произвольным модулем.
1
14,15
Модуль: Принцип микропрограммного управления и обобщенная структура операционных
устройств.
3
Дидактическая единица: Обобщенная структура операционных устройств. Микропрограммное
управление: микрооперация и управляющие сигналы, логические условия и осведомительные
сигналы, микропрограммы и микропрограммирование. Граф микропрограммы; функции
операционного и управляющего автоматов, граф-схема алгоритма (ГСА).
Структурное представление устройств обработки информации в виде
1.75
16
композиции двух автоматов – операционного и управляющего. Общее
представление о микропрограммном управлении в ЭВМ: микрооперация и
управляющие сигналы, логические условия и осведомительные сигналы,
микропрограммы и микропрограммирование
Язык граф-схем для представления микропрограммы. Граф микропрограммы
МП. Язык функционального микропрограммирования. Набор микрокоманд,
ориентированный на реализацию простых вычислительных процедур,
используемый в лабораторном практикуме. Пример на составления МП.
Выделение из графа микропрограммы функций, определяющих работу
операционного и управляющего автоматов в виде граф - схемы алгоритма
(ГСА).
Дидактическая единица: Структурная организация операционных автоматов
Структурный базис операционных автоматов: шины, управляемые шины,
2
2
мультиплексоры, комбинационные схемы и регистры. Структура операционного
автомата магистрального типа с арифметико-логическим устройством
комбинационного типа. Структура ALU и выполняемые им микрооперации.
Логико-суммирующее устройство для выполнения поразрядных логических
операций. Синтез универсального сдвигателя.
Модуль: Синтез микропрограммных автоматов с жёсткой логикой
Дидактическая единица: Синтез микропрограммных автоматов на основе структурных таблиц.
Управляющие автоматы с жесткой логикой. Преобразование граф - схемы
2
16,17,21
алгоритма (ГСА) в граф автомата Мили. Реализация ГСА в тактах автомата
Мили. Функционирование автомата в течение одного такта.
Преобразование ГСА в граф автомата Мура. Реализация ГСА в тактах автомата
Мура. Временная диаграмма работы автомата для одного такта.
Постановка задачи синтеза управляющих автоматов на основе структурных
таблиц. Примеры синтеза автоматов Мили и Мура.
Модуль: Заключение.
Дидактическая единица: Заключение.
Тенденции и перспективы развития теории автоматов, её использование для
0,25
3
анализа и синтеза различных систем логического управления
4