СПОСОБЫ СИНХРОНИЗАЦИИ МИКРОПРОГРАММНОГО АВТОМАТА

WAYS TO SYNC THE FIRMWARE OF THE MACHINE

Vadim Pisecky

senior lecturer of the Department of technical disciplines, electronics and the Sarov physical and technical Institute of national research nuclear University "MEPhI",

Russia, Sarov

Sergey Goncharov

candidate of technical Sciences, associate Professor of the Department of technical disciplines, electronics and the Sarov physical and technical Institute of national research nuclear University "MEPhI" ,

Russia, Sarov

Alexey Voronkov

candidate of technical Sciences, associate Professor of the Department of technical disciplines, electronics and the Sarov physical and technical Institute of national research nuclear University "MEPhI" ,

Russia, Sarov

Tatiana Dorokhin

senior lecturer of the Department of technical disciplines, electronics and the Sarov physical and technical Institute of national research nuclear University "MEPhI" ,

Russia, Sarov

Ekaterina Naumova

senior lecturer of the Department of technical disciplines, electronics and the Sarov physical and technical Institute of national research nuclear University "MEPhI" ,

Russia, Sarov

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена схемотехническим приемам синхронизации микропрограммных автоматов, позволяющим получить как синхронизируемые тактовым генератором – синхронные автоматы, синхронизируемые фактом наступления события – асинхронные автоматы, так и промежуточные модификации.

ABSTRACT

The article is devoted to technical methods of synchronization firmware machines, allowing to receive the synchronized clock generator – synchronous machines that are synchronized by the fact of its occurrence is asynchronous machines and intermediate modifications.

Ключевые слова: микропрограммый автомат, синхронный автомат, асинхронный автомат.

Keywords: firmware machine, synchronous machine, asynchronous machine.

Микропрограммные автоматы, синтезированные на базе пары «ПЗУ – регистр» [1, 2] могут иметь различные схемы синхронизации. Корректный выбор способа синхронизации позволяет расширить область применения подобных автоматов.

1 Синхронные автоматы

Синхронность МПА определяется аппаратно. Из-за этого смена тактовой частоты является достаточно сложной задачей. В то же время, существует ряд задач, для оптимального решения которых было бы целесообразно оперативно менять источник синхронизации МПА или его тактовую частоту. Один из таких случаев показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Дребезг входного сигнала автомата

Как видно из рисунка, автоматом игнорируются скачки и дребезг входного сигнала, длительность которых меньше, чем период тактовой частоты. Поскольку характерная картина дребезга определяется множеством параметров, удобно было бы использовать механизм, позволяющий регулировать частоту синхронизации при вводе подобных сигналов.

Другой случай потребности в временном изменении тактовой частоты возникает при необходимости отработки выходными сигналами временных протоколов.

Рисунок 2. Отработка временного протокола

Ситуация, показанная на рисунке 2, характерна для автоматов, используемых в качестве межшинного моста. Для устройств этого типа характерно требование строгого соблюдения временных соотношений, диктуемых протоколом. В случае классической схемотехники цепей синхронизации автомата неявно подразумевается, что время предустановки и время удержания будут равны длительности сигнала STROBE и, таким образом, период тактовой частоты будет определятся большим из них. Такой подход, ориентирующийся на наибольший временной интервал, приводит к существенному снижению системы в целом. В случае, когда времена, аналогичные временам предустановки удержания должны быть принципиально существенно больше времени строба (как и показано на рисунке 2), приходится вводить в граф автомата дополнительные состояния, нужные только для создания задержки (аналог команды NOP в программировании). На рисунке это состояния N+1 и N+2 для времени предустановки и N+5 – для времени удержания.

Введение дополнительных состояний в граф автомата приводит к возможному увеличению количества линий обратной связи и, следовательно, к его аппаратному усложнению. Если техническое задание предполагает только один такой нестандартный временной интервал, то решением может служить схема, показанная на рисунке 3. Временная диаграмма работы схемы показана на рисунке 4.

Рисунок 3. Автомат с одновибратором

Рисунок 4. Временная диаграмма для автомата с одновибратором

В отличие от автомата с классическим подходом к схемотехнике цепей синхронизации, схема рис. 3 для отработки времени предустановки в состоянии N запускает одновибратор и, затем, в состоянии N+1 дожидается окончания генерируемого им импульса. Это ожидание добавляет в граф только одно состояние - N+1, вне зависимости от соотношения регламентируемой длительности времени предустановки (эта длительность заложена в расчетные значения номиналов элементов R1 и C1) и периода тактовой частоты.

Аналогичным образом реализована отработка времени удержания – запуск в состоянии N+4, ожидание в состоянии N+5.

Однако в случае увеличения ассортимента временных интервалов, которые следует отработать автомату, схема рис. 3 начинает терять преимущества, поскольку для каждого интервала необходим отдельный выход для запуска одновибратора (в некоторых случаях все одновибраторы можно запускать одним сигналом, но существует значительное количество ситуаций, когда это недопустимо) и отдельный вход для приема выходного импульса от каждого из них.

В этом случае может быть применена схема, показанная на рисунке 5.

Рисунок 5. Многочастотная синхронизация автомата

В случае применения схемы, показанной на рисунке 5, автомат имеет возможность выбора одной из четырех заранее заданных и сформированных частот. При проектировании схемы генератора сетки частот необходимо постараться обеспечить их фазовую взаимную привязку – во избежание коллизий в момент переключения.

Данное решение, в отличие от PLL – ячейки, гарантирует мгновенное переключение, без потери времени на завершение переходных процессов и установление частоты.

3.2 Асинхронные автоматы

Определенный интерес представляет синтез асинхронных автоматов. Их применение особенно интересно в устройствах, осуществляющих синхронизацию нескольких априори асинхронных процессов. Примером таких устройств могут служить автоматы, выполняющие функции межшинных мостов или преобразователей интерфейса. Типовым схемным решением для подобных автоматов может быть схема, представленная на рисунке 6.

Рисунок 6. Асинхронный автомат с задержкой на базе RC-цепочек

Задержка, формируемая RC – цепочками должна превышать быстродействие микросхемы ПЗУ – в противном случае образуется обратная связь, приводящая автомат к нестабильной работе. Фактически состояние автомата в этом случае неотличимо от запрещенного состояния у триггера.

Расчет подобной схемы сложен как из-за нелинейного характера выходного сопротивления микросхемы, так и из-за разброса номиналов элементов.

Изготовление подобного устройства должно предусматривать процедуру индивидуальной настройки – индивидуального подбора емкости конденсаторов каждой из цепей обратной связи, что усложняет технологический процесс и повышает конечную себестоимость устройства.

Гораздо более технологичным представляется следующий способ разработки.

1. В наборе входных сигналов выделяются те, изменения которых требуют изменения состояния автомата.

2. К этим сигналам подключаются схемы, возможные варианты которых показаны на рисунках 7 – 9 [3, 4]. Выбор схемы определяется тем, какой именно фронт сигнала требует изменения состояния автомата.

Рисунок 7. Датчик произвольного фронта

Рисунок 8. Датчик положительного фронта

Рисунок 9. Датчик отрицательного фронта

3. Выходные сигналы схем объединяются с помощью логических элементов и подаются на вход тактовой частоты F_T автоматов, сделанных по классическим схемам.

В случае, если автомат должен отрабатывать временные задержки, к сигналам Out может быть добавлен сигнал с требуемой тактовой частотой. Однако в этом случае теряются преимущества асинхронности автомата и предпочтительным является использование схемы, показанной на рисунке 3 или аналогичной.

Список литературы:

1. Схемотехническая реализация автомата Гончаров С.Н., Николаев Д.Б., Никитин В.А., Писецкий В.В. Компоненты и технологии, 2013, № 2 стр. 126-128
2. Схемотехнический синтез управляющего автомата. Гончаров С.Н., Писецкий В.В., Никитин В.А., Мартынов А.П., Темненко В.Н.. Известия института инженерной физики №4(30)2013, стр. 24-31.
3. Угрюмов Е.П.. Цифровая схемотехника (3-е изд.) СпБ: БХВ-Петербург,  2010 г., 810 стр.
4. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. Справочник. Москва, "Радио и связь", 1987г. Серия: Массовая радиобиблиотека. Выпуск 1111