Группа | Учебная литература |
---|---|
Область науки | Технические науки |
Название на русском языке | Теория управляющих автоматов |
Авторы на русском языке | Мухопад А.Ю. |
Вид издания на русском языке | учебное пособие |
Издательство на русском языке | Иркутск: ИрГУПС, 2018. – 72 с. |
Учебное пособие ориентировано на подготовку инженеров, бакалавров, магистров и аспирантов в области технической кибернетики.
В сложных технических системах (СТС) реального времени управляющие автоматы (УА) могут составлять более 50% оборудования. Наиболее распространены УА Мура (УАМr) и УА Мили (УАМL), основой структурной организации которых является комбинационная схема переходов F1 и память состояний на двух парафазно связанных регистрах. УА реализуются на микроэлектронных БИС, пневматических и электромеханических элементах. При реализации F1 на ПЗУ его объем равен V = m2m+q, где m – разрядность кода состояний, q – количество логических условий, mp – реальная разрядность промышленных БИС ПЗУ.
Автором предложено управляющие автоматы разделять на 7 типов по значению величин m и q (табл.), где обозначено: сверхпростые (СП), простые (ПА), средней сложности (СА), сложные (АС), высокой сложности (ВС), особо сложные (ОС) и ультрасложные (УС) автоматы.
Тип |
СП |
ПА |
СА |
АС |
ВС |
ОС |
УС |
m |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
q |
3 |
6 |
9 |
12 |
15 |
18 |
21 |
mp |
4 |
4 |
8 |
8 |
8 |
8 |
12 |
m+q |
6 |
10 |
14 |
18 |
22 |
26 |
30 |
Для УА типа АС объем ПЗУ равен 2Мб, а для УА ОС – 0,5Гб, поэтому разрабатываются методики для снижения объема ПЗУ и обеспечения правильности формирования команд управления для обеспечения безопасности функционирования СТС.
Методы синтеза основаны на сокращении числа состояний, минимизации булевых функций и декомпозиции граф - схем алгоритмов (ГСА) или графов переходов высокосложных УА.
В работах предложен принципиально новый подход для снижения объема комбинационной схемы, основанный на увеличении числа состояний УА за счет ввода в ГСА пустых операторов в следующих случаях:
- если между любыми последовательно связанными логическими операторами нет оператора действия;
- если к одному логическому оператору передается управление от нескольких других операторов;
- если после проверки логического условия осуществляется переход к тому же предыдущему оператору (петля).
После такой модификации ГСА реализация УА предложена двумя вариантами:
1. В УАМr между регистром состояний a(t) и схемой F1 ставится дополнительный дешифратор, который преобразует двоичный код a(t) в унитарный код;
2. В УАМr вводится мультиплексор для выбора одного логического условия из всего множества по коду состояния a(t).
В первом варианте схема F1 реализуется как двухъярусная специальная ПЛМ из 2q двухвходовых элементов «И», выходы которых через элементы «ИЛИ» формируют код a(t+1). Во втором варианте на вход F1 через мультиплексор подается одно логическое условие, поэтому объем ПЗУ снижается в (2q-1) раз. Первый вариант применим только для УА типа СП, ПА и СА из-за ограничений на число входов F1 при унитарном кодировании.
Оригинальность и высокая эффективность УА второго варианта позволила присвоить такому УА логотип УА Мухопада (УАМх) по аналогии с УА Мура, Мили, Майхилла, Маркова, Уилкса, Рабина-Скотта и др.
Для УАМr и УАМх при переходе к графу номера состояний a(t) присваиваются операторам действия. В работе предложен новый способ определения состояний УА через разметку начала (вход) как операторов действия, так и логических операторов. В этом случае выходы дешифратора состояний a(t+1) разделяются на два непересекающихся подмножества:
- для выбора операторов действия A1…Ak;
- для выбора логических операторов.
При таком способе определения состояний предложен новый УАМх с оригинальной структурной организацией в которой введен логический блок из q двухвходовых элементов «И», выходы которых через элемент «ИЛИ» подаются на вход схемы F1, а адресация элементов «И» осуществляется вторым подмножеством выхода дешифратора состояний. Новый тип автомата (НУАМх) является самой эффективной реализацией УА с длительностью команд равной длительности импульсов синхронизации τ как в УАМL, но с одной комбинационной схемой, зависящей от a(t) и αj . При наличии таймера в блоке синхронизации НУАМх может работать в режиме УАМr с длительностью команд равной периоду Т>>τ. Сложность комбинационной схемы снижается также в 2q-1 раз, при этом нет необходимости в мультиплексоре, в схеме адресации и в регистре адреса.
Кроме базовых моделей рассмотрены автоматы со счетчиком в качестве регистра памяти, декомпозиция из логического и линейного автоматов, системы взаимодействующих автоматов и другие варианты эффективной аппаратной и программной реализации управляющей подсистемы СТС.
Программные версии ГСА для микроконтроллеров (МК) создаются непосредственной интерпретацией операторов действия с проверкой логических условий командами МК. Для сложных и высокосложных УА требуется значительное число команд МК.
Автором предложен структурно автоматный подход, основанный на переходе от ГСА к графу УА и определению содержимого ОЗУ эквивалентого ПЗУ в схеме переходов F1, тогда для программной версии ГСА требуется всего 16 команд МК. Функционирование программной версии основано на считывании из зон ОЗУ кодов состояний для ГСА любой сложности.