Digitaalitekniikka (piirit) Opetusmoniste

Transkriptio

1 Sivu (35) Fe Esko T. Rautanen Digitaalitekniikka (piirit) Sisällysluettelo Sivu Synkroniset sekvenssipiirit 2. Opettavainen tarina 2.2 Digitaalisten piirien ryhmittely 3.3 Synkronisen sekvenssipiirin rakenne ja toiminta 4.4 Synkronisten sekvenssipiirien pääluokat 6.5 Asynkroniset tulot synkronisessa sekvenssipiirissä (lisäsisältöä) 6 2 Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu ASM-menetelmällä 8 2. Yleistä Synkronisen sekvenssipiirin suunnitteluprosessi Mikä ASM on? Yleistä ASM-kaaviosta Ensimmäinen esimerkki: Jaskan kuppilan perusmainos Perusmainoksen määrittely 2.7 Perusmainoksen lohkokaavio 2.8 Perusmainoksen ASM-kaaviossa tarvittavat symbolit ja merkinnät 2.9 Perusmainoksen ASM-kaavio 2. Perusmainoksen tarkennettu lohkokaavio 3 2. Perusmainoksen tila- ja lähtötaulu Perusmainoksen seuraavan tilan ja lähtösignaalien lausekkeet Perusmainoksen piirikaavio Jaskan syvä pettymys Uusi yritys - Jaskan kuppilan parannettu mainos Parannetun mainoksen määrittely Parannetun mainoksen toteutusperiaate ja lohkokaavio Parannetun mainoksen ASM-kaaviossa tarvittava uusi symboli: päätöslohko Parannetun mainoksen ASM-kaavio Parannetun mainoksen ASM:n lohkokaavio Parannetun mainoksen tila- ja lähtötaulu: tulosignaalin vaikutus Parannetun mainoksen seuraavan tilan ja lähtösignaalien lausekkeet Parannetun mainoksen piirikaavio Happy Hour -kausi Supermainoksen määrittely Supermainoksen lohkokaavio Supermainoksen toteutusmahdollisuudet Supermainos Mooren koneena, ASM-kaavio Supermainoksen Mooren kone -toteutuksen tarkennettu lohkokaavio Supermainoksen Mooren kone -toteutuksen tila- ja lähtötaulu Supermainoksen Mooren kone -toteutuksen seuraavan tilan ja lähtösignaalien Karnaugh'n kartat ja lausekkeet (lisäsisältöä) Supermainoksen Moore-toteutuksen piirikaavio Supermainos Mealyn koneena Ehdollisen lähdön kuvaaminen ASM-kaaviossa: ehdollinen lähtölohko Supermainos Mealyn koneena, ASM-kaavio Supermainoksen Mealyn kone -toteutuksen tila- ja lähtötaulu Supermainoksen Mealyn kone -toteutuksen seuraavan tilan ja lähtösignaalien Karnaugh'n kartat ja lausekkeet Supermainoksen Mealyn kone -toteutuksen piirikaavio Jaskan kuppilan mainoksen versioiden D-kiikkutoteutusten mutkikkuus (lisäsisältöä) T- ja JK-kiikkujen käyttö ASM-suunnittelussa (lisäsisältöä) Kellosignaalin käyttötavat synkronisissa sekvenssipiireissä Synkronisen sekvenssipiirin alustus 35

2 Sivu 2 (35) Fe LUKU YKSI Synkroniset sekvenssipiirit. Opettavainen tarina Olipa kerran hajamielinen professori. Hän oli oikein mukava proffa, josta opiskelijat pitivät kovin. Eräänä vuonna opiskelijat huomasivat, että professori oli usein sairaana, jolloin heillä ei ollut tilaisuutta kuulla professorin erittäin mieleenpainuvia luentoja. Neuvokkaina henkilöinä opiskelijat tuotapikaa saivat selville sairastelun syyn. Professorin lisääntynyt hajamielisyys sai aikaan sen, että hän luentoa pitämään lähtiessään unohti ottaa takin päälleen talvella ja sateensuojan mukaan sateella. Tästä oli valitettavana seurauksena vilustumisten merkittävä lisääntyminen. Luonteeltaan ystävällisinä henkilöinä opiskelijat päättivät auttaa proffaparkaa. He löivät viisaat päänsä yhteen ja kehittivät professorin asuntoon proffamuistuttimen. Proffamuistutin on esitetty kuvassa. C COLD RAIN ONMAT PROFCNTR COAT UMBR Kuva Proffamuistuttimen lohkokaavio. Proffamuistutin suunniteltiin toimimaan seuraavasti: Kun professori ennen luentoa on lähdössä kotoa, hän astuu eteismatolle. Maton alle on sijoitettu ilmaisin. Ilmaisimen antama signaali ONMAT muuttuu tällöin :ksi ja oveen sijoitettu takkilamppu (lähtösignaali COAT) tai sateenvarjolamppu (lähtösignaali UMBR) syttyy, mikäli kyseinen vilustumisentorjuntaväline on aihetta ottaa mukaan. Tähän tarvittava tieto lämpötilasta ja ulkoilman kosteusasteesta saadaan ulos sijoitetuista antureista (tulosignaalit COLD ja RAIN). Joku saattaisi kysyä, miksi matonalusanturi tarvitaan. Eikö kumpikin ulkoanturi voisi suoraan ohjata kyseistä lamppua? No, vastaus on tietenkin halu välttää energian tuhlausta ja tarve vaikuttaa järjestelmän käyttäytymiseen, kun ulkona sekä on pakkasta että sataa. Tällöin sataa lunta eikä sateenvarjoa ole syytä raahata mukana.

3 Sivu 3 (35) Fe Suunnitellessaan järjestelmää opiskelijat huomasivat, että lähtösignaalien arvojen tuli riippua vain ja ainoastaan tulosignaalien arvoista. Järjestelmän logiikkaosan toteuttamiseen riitti siis yksinkertainen kombinaatiopiiri. Järjestelmä toimi aluksi hyvin. Proffa ei enää sairastellut, ja luennot täyttyivät proffan innokkaista kuulijoista. Kunnes taas meni kaksi ja kolmekin luentoa peruutettuina. Professorille oli käynyt tosi huonosti. Hänen hajamielisyytensä oli edelleen lisääntynyt. Kun hän astui pois eteismatolta ja käveli vaatekaapilleen, hän samassa unohti, pitikö hänen ottaa takki päälleen vai sateenvarjo mukaansa. Saadakseen selvyyden asiasta hän käveli uudelleen matolle, kääntyi ja unohti taas. Onneksi paikalle saapunut tenttijä katkaisi siihen mennessä vuorokauden kestäneen kierteen, ja proffa selvisi tapahtuneesta hengissä. Parin viikon sairaalakeikka siitä kuitenkin seurasi. Opiskelijat keksivät ratkaisun uuteen ongelmaan. Proffamuistuttimen toimintaa piti muuttaa siten, että matolle astuttaessa syttynyt lamppu ei enää sammuisikaan matolta poistuttaessa, vaan jäisi palamaan ja muistuttamaan mukaan otettavasta apuvälineestä. Kuitenkin haluttiin säilyttää energian säästöperiaate. Lamppua ei siis saisi turhaan polttaa silloin kun sitä ei tarvita. Mittauksin todettiin, että proffalta kuluu enintään kymmenen sekuntia oikean apuvälineen etsimiseen. Riittäisi siis, että valo jäisi palamaan vähintään kymmeneksi sekunniksi matolta poistumisen jälkeen ja sammuisi vasta sitten. Kun opiskelijat alkoivat suunnitella proffamuistuttimen versiota 2, he huomasivat, että laitetta ei enää voinutkaan toteuttaa kombinaatiopiirillä. Sen lähtösignaaleille halutut arvot eivät enää riippuneetkaan pelkästään tulosignaaleiden kunkinhetkisistä arvoista, vaan laitteen piti ikään kuin muistaa olemassa oleva tilansa, jotta haluttu toiminta olisi mahdollinen. Piti siis suunnitella sekvenssipiiri. Kun vielä aika oli mukana vaikuttamassa piirin toimintaan, tuntui luonnolliselta suunnitella nimenomaan synkroninen sekvenssipiiri. Suunnittelu onnistuikin sujuvasti, kun oli aikanaan osallistunut aktiivisesti Digitaalitekniikan opintojaksojen opetukseen..2 Digitaalisten piirien ryhmittely Digitaaliset piirit jakautuvat kahteen pääryhmään: kombinaatiopiireihin ja sekvenssipiireihin. Kombinaatiopiirin lähtösignaalien arvot riippuvat vain ja ainoastaan tulosignaalien kunkinhetkisistä arvoista. Sekvenssipiirin lähtösignaalien arvot riippuvat piirin tilasta, joka on tallettuneena piiriin, ja ehkä sen lisäksi piirin tulosignaalien arvoista. Asia voidaan ilmaista myös niin, että sekvenssipiirin lähtösignaalien arvot riippuvat piirin alkutilasta ja tulosignaalien historiasta. Kombinaatiopiiristä saadaan sekvenssipiiri lisäämällä siihen yksi tai useita takaisinkytkentöjä eli kytkemällä lähtösignaali tai lähtösignaaleita piirin tulosignaaleiksi. Sekvenssipiirit jakautuvat edelleen kahteen ryhmään: asynkroniset sekvenssipiirit ja synkroniset sekvenssipiirit. Asynkroninen sekvenssipiiri vaihtaa tilaansa, kun jokin tai jotkin sen tulosignaaleista muuttuu tai muuttuvat. Synkronisessa sekvenssipiirissä on yksi tulo, jolla on erikoisasema. Se on kellotulo, johon tuodun kellosignaalin muuttumisen tahdissa synkroninen sekvenssipiiri vaihtaa tilaansa. Kellosignaali saadaan yleensä laitteessa olevasta kello-oskillaattorista. Tyypillisen kellosignaalin aikakaavio on esitetty kuvassa 2. CLK Kuva 2 Kellosignaalin aikakaavio. Synkroninen sekvenssipiiri voi vaihtaa tilaansa, vaikka sen muut tulot kuin kellotulo pysyisivät muuttumattomina.

4 Sivu 4 (35) Fe Kuvassa 3 on esitetty kombinaatiopiirin, asynkronisen sekvenssipiirin ja synkronisen sekvenssipiirin eli tilakoneen lohkokaavio. Asynkronisten sekvenssipiirien analyysi ja suunnittelu ovat työläitä ja hankalia. Niitä ei käsitellä tässä opintojaksossa. Sen sijaan yksinkertaisten synkronisten sekvenssipiirien analyysi ja suunnittelu on suhteellisen suoraviivaista. Se auttaa ymmärtämään digitaalilaitteiden toiminnan perusasioita ja on pohjana myöhemmille opinnoille. Kombinaatiopiiri n m Asynkroninen sekvenssipiiri n m k Tulosignaalit Kellosignaali Synkroninen sekvenssipiiri n Lähtösign. Nykyinen Tila- tila rekis- teri k Kombinaatiopiiri Tulosign. Lähtösign. Kombinaatiopiiri Tulosign. Lähtösign. Takaisinkytkentäsignaalit Kombinaatiopiiri Takaisinkytkentäsignaalit m Seuraava tila k COMB ASYNC SYNC Kuva 3 Digitaalisten piirien ryhmittely..3 Synkronisen sekvenssipiirin rakenne ja toiminta Kuva 4 havainnollistaa esimerkin avulla synkronisen sekvenssipiirin rakennetta ja toimintaa. Sen esittämä piiri on valojen vilkutin. Vilkuttimessa on kaksi lamppua, joita ohjaavat lähtösignaalit L ja L2. Siinä on yksi tulosignaali VUOR. Jos VUOR =, lamput vilkkuvat samassa tahdissa. Jos taas VUOR =, lamput vilkkuvat vuorotellen.

5 Sivu 5 (35) Fe Tulosignaali VUOR Kellosignaali CLK NS NS Tilarekisteri Tilarekisteri Nykyinen tila PS PS Kombinaatiopiirnaatiopiiri Seuraava tila NS NS Lähtösignaalit L L2 Tila CLK a) NOL YKS KAK KOL NOL PS PS VUOR NS NS L L2 Kuva 4 b) Esimerkki synkronisesta sekvenssipiiristä. a) Lohkokaavio. b) Signaalien aikakaavio. Synkroninen sekvenssipiiri koostuu kahdesta päälohkosta: kombinaatiopiiristä ja tilarekisteristä. Piiriin tulevat ulkoiset tulosignaalit (esimerkissä VUOR) tulevat kombinaatiopiiriosaan ja ulkoiset lähtösignaalit (esimerkissä L ja L2) lähtevät siitä. Piirin nykyinen tila on talletettuna tilarekisteriin. Esimerkissä tilarekisteri on kaksibittinen ja tilasignaalit ovat PS ja PS. Tilarekisterin sisältö säilyy muuttumattomana muun osan ajasta, mutta kellosignaalin (esimerkissä CLK) aktiivinen reuna (esimerkissä nouseva reuna) aikaansaa kombinaatiopiiristä saatavan seuraavan tilan (esimerkissä signaalit NS ja NS) tallettumisen tilarekisteriin uudeksi nykyiseksi tilaksi. Tämä näkyy tilarekisterin lähdöissä rekisterin etenemisviiveen verran kellopulssin aktiivisen reunan jälkeen. Tilanmuutoksesta kuluu kombinaatiopiirin etenemisviiveen verran aikaa, ennen kuin lähtösignaalit muuttuvat uuden nykyisen tilan edellyttämiin arvoihin. Viiveet ovat tässä tapauksessa hyvin lyhyitä kellopulssin jaksonaikaan verrattuina eikä niitä ole piirretty näkyviin kuvaan 4. Seuraavan tilan signaali NS riippuu tulosignaalista VUOR. Näyttäisi siltä, että kyseessä on sama signaali. Näin voi ollakin, mutta varmuudella asiaa ei tiedetä, koska kuvassa ei näy kaikkia tilamuutoksia. Tilan ja lähtösignaalien muutokset toistuvat seuraavalla kellosignaalin aktiivisella reunalla ja toiminta jatkuu kellosignaalin määräämässä tahdissa. Synkronisen sekvenssipiirin kombinaatiopiiri voidaan toteuttaa esimerkiksi ohjelmoitavalla logiikkaverkolla, porteilla, kiintomuistilla tai tulovalitsimilla. Tilarekisteri koostuu kiikuista. Yhteen kiikkuun voidaan tallettaa yksibittinen tieto, joko tai. Näin ollen kiikulla on kaksi erilaista tilaa. Jokainen tilasignaali on talletettu yhteen kiikkuun, joten

6 Sivu 6 (35) Fe kiikkuja on sama määrä kuin tilasignaaleja. Tarvittava kiikkumäärä riippuu siitä, montako erilaista tilaa piirillä on. Jos kiikkuja on k kappaletta, niiden tiloista voidaan muodostaa 2 k erilaista yhdistelmää. Kukin näistä yhdistelmistä voidaan asettaa vastaamaan yhtä tilarekisterin tilaa, jolloin k:lla kiikulla saadaan toteutetuksi enintään 2 k -tilainen synkroninen sekvenssipiiri. Mikäli tarvittava tilojen lukumäärä s ei ole kahden kokonainen potenssi, vaan on voimassa 2 k- < s < 2 k tarvitaan kuitenkin k kiikkua. Osa tiloista jää tällöin käyttämättömiksi tiloiksi. Tilarekisterin kiikut ovat yleensä käytännössä D-kiikkuja tai T-kiikkuja. Tällöin seuraava tila tuodaan kombinaatiopiiristä kiikkujen D- tai T-tuloihin. Joissain tapauksissa on edullista käyttää JK-kiikkuja, mikäli kombinaatiopiiri toteutetaan porteilla. Kaikkien kiikkujen kellotuloihin tuodaan sama kellosignaali. Kellosignaali määrää, missä tahdissa tilanmuutokset tapahtuvat..4 Synkronisten sekvenssipiirien pääluokat Synkronisessa sekvenssipiirissä lähtösignaalit voivat riippua pelkästään tilasta, jossa piiri on, tai sekä piirin tilasta että tulosignaaleista. Synkronista sekvenssipiiriä, jonka mikään lähtösignaali ei suoraan riipu mistään tulosignaalista, vaan ainoastaan piirin tilasta, nimitetään Mooren koneeksi. Mikäli yksikin lähtösignaali riippuu suoraan jostakin tai joistakin tulosignaaleista, on kyseessä Mealyn kone. Mealyn koneen sellaista lähtösignaalia, joka riippuu suoraan yhdestä tai useasta tulosignaalista, nimitetään ehdolliseksi lähdöksi. Usein tietyn määrittelyn mukainen piiri voidaan toteuttaa joko Mooren koneena tai Mealyn koneena. Tällöin Mooren kone -toteutuksessa on yleensä enemmän tiloja, mutta kombinaatiopiiri saattaa olla Mealyn kone -toteutusta yksinkertaisempi. Kuva 5 esittää Mooren koneen ja Mealyn koneen rakennetta. IN CLK Tilarekisteri PS Lähdöt muodostava kombinaatiopiiri Seuraavan tilan muodostavva kombinaatiopiirva NS OUT Vain Mealyn koneessa IN CLK Tilarekis- PS teri Lähdöt muodostava kombinaatiopiiri Seuraavan tilan muodostavva kombinaatiopiirva NS OUT a) b) Kuva 5 Mooren koneen ja Mealyn koneen lohkokaavio. a) Mooren kone. b) Mealyn kone..5 Asynkroniset tulot synkronisessa sekvenssipiirissä (lisäsisältöä) Synkroniseen sekvenssipiiriin tulevat ulkoiset tulosignaalit muuttavat tilaansa useissa tapauksissa täysin riippumatta kellosignaalista. Tällaisia tulosignaaleja nimitetään asynkronisiksi tuloiksi. Mooren koneessa asynkronisista tuloista ei ole haittaa, koska lähtösignaalit riippuvat vain piirin tilasta ja muuttuvat näin ollen vain tilan muututtua.

7 Sivu 7 (35) Fe Mealyn koneessa sen sijaan tulosignaalin muutos saattaa aiheuttaa ehdollisen lähtösignaalin välittömän muutoksen kesken tilan. Mikäli tulosignaali muuttuu useita kertoja tilan aikana, on lähtösignaalissakin useita muutoksia. Tästä ei välttämättä ole mitään haittaa, mutta se on piiriä suunniteltaessa otettava huomioon. Lähtösignaalin muutos kesken kellojakson voidaan tarvittaessa estää myös viemällä tulosignaalit piiriin synkronoivan rekisterin kautta. Synkronoivan rekisterin käyttö on esitetty kuvassa 6. IN Synkronoiva INS noiva rekisteri Asynkronisia Kombinaatiopiirpiiri tuloja Synkronoituja tuloja CLK Tilarekisteri PS NS Tila- NS OUT Kuva 6 Synkronoivan rekisterin käyttö asynkronisten tulojen synkronointiin.

8 Sivu 8 (35) Fe LUKU KAKSI Huom! Luku 2 vastaa opetuskalvojen lukua 3. 2 Synkronisten sekvenssipiirien suunnittelu ASM-menetelmällä 2. Yleistä Seuraavassa esitetään synkronisen sekvenssipiirin suunnitteluprosessi ja menetelmä kuvata synkronisia sekvenssipiirejä. Sitä nimitetään ASM-menetelmäksi, koska siinä käytetään apuna ns. ASM-kaaviota. ASM-menetelmän on kehittänyt Christopher R. Clare. Se on esitetty kirjassa Cristopher R. Clare, Designing Logic Systems Using State Machines, McGraw-Hill, New York, 973. ASM-menetelmä on havainnollinen ja selkeä tapa kuvata ja suunnitella synkronisia sekvenssipiirejä. 2.2 Synkronisen sekvenssipiirin suunnitteluprosessi Synkronisen sekvenssipiirin suunnitteluprosessi voidaan jakaa useisiin vaiheisiin. On tärkeää, että prosessissa edetään seuraavaan vaiheeseen vasta, kun edellinen on tehty kunnolla valmiiksi. Työn kuluessa saatetaan kylläkin joutua palaamaan edellisiin vaiheisiin, mikäli myöhemmin huomataan muutostarpeita. Toteutuksen vaiheet ovat seuraavat: ) Määrittely Aluksi määritellään piirin toiminta. Määrittely on yleensä sanallinen kuvaus piirin toiminnasta. Piiriä tarkastellaan ulkoa päin, eikä sen tulo- ja lähtösignaaleja vielä määritellä tarkasti. Sanallinen määrittely voi yksinkertaiselle piirille olla vain pari lausetta, mutta mutkikkaalle hyvinkin laaja. Määrittelyyn liitetään usein toimintaa kuvaava vuokaavio, joka selkeyttää ja täsmentää määrittelyä. 2) Suunnittelu 2.) Päälohkokaavion piirtäminen. Määrittelyn pohjalta laaditaan piirin päälohkokaavio. Yksittäisen piirin suunnittelussa päälohkokaavio on yleensä yhden lohkon lohkokaavio, jossa esitetään piirin nimi ja sen tulo- ja lähtösignaalien nimet. 2.2) Piirin ASM-kaavion tai tilakaavion piirtäminen. Suositeltavaa on käyttää ASM-menetelmää ja piirtää piirin ASM-kaavio. 2.3a) Piirin kuvaaminen korkean tason kuvauskielellä ASM- tai tilakaavion perusteella ja suunnittelun jatkaminen digitaalipiirien suunnitteluohjelmistolla (EDA, Electronic Desing Automation). Tässä opintojaksossa käytetään VHDL-kuvauskieltä. 2.3b) Suunnittelun jatkaminen käsin. Tällöin laaditaan ASM- tai tilakaavion perusteella tila- ja lähtötaulut ja niistä johdetaan joko suoraan tai Karnaugh'n karttojen avulla tila- ja lähtösignaalien lausekkeet. Näistä lähtien piirretään piirin piirikaavio valittuja komponentteja käyttäen.

9 Sivu 9 (35) Fe 3 Piirin toiminnan simulointi Vaiheessa 3 varmistetaan, että suunniteltu piiri todellakin toimii määrittelyn mukaisesti. Piiriä simuloidaan antamalla sen korkean tason kuvauskielellä laadittu kuvaus tai piirikaavio tietokoneessa toimivalle simulaattoriohjelmalle, joka matkii piirin toimintaa, ja tutkimalla piirin toiminta erilaisilla herätteillä eli tulosignaalisekvensseillä. Näin saadaan selville, toimiiko se määrittelyn edellyttämällä tavalla. Mikäli vaiheessa 3 huomataan, että piirin toiminta ei olekaan sellainen kuin määritelmä edellyttää, virhe tai virheet etsitään ja korjataan. Tämän jälkeen toistetaan vaihe 3, kunnes toiminta on virheetön. 4 Piirin toiminnan testaus Piiri toteutetaan joko sellaisenaan tai osana suurempaa kokonaisuutta eli tehdään siitä prototyyppi. Tässä voidaan käyttää apuna ohjelmoitavaa logiikkaverkkoa. Prototyyppi on suunnitellun piirin toteutus todellisilla komponenteilla. Se testataan etukäteen laaditun testaussuunnitelman mukaisesti, joka usein on varsin samanlainen kuin simuloinnissa käytetyt herätteet. Seuraavassa on esitetty useita esimerkkejä synkronisen sekvenssipiirin suunnittelusta ASM-menetelmällä. Ne havainnollistavat edellä esitettyä suunnittelutyön vaihejakoa ja eri vaiheiden tehtäviä. 2.3 Mikä ASM on? Lyhenne ASM tulee sanoista Algorithmic State Machine. Se voitaisiin suomentaa vaikkapa algoritmin mukaan toimivaksi tilakoneeksi, mutta yleensä puhutaan vain tilakoneesta. Itse asiassa nimitykset ASM, tilakone ja synkroninen sekvenssipiiri tarkoittavat kaikki samaa asiaa. Seuraavassa käytetään lyhyyden ja johdonmukaisuuden vuoksi pelkästään nimitystä ASM. 2.4 Yleistä ASM-kaaviosta ASM-kaavio piirretään ASM:n toiminnallisen määrittelyn ja lohkokaavion perusteella. Se kuvaa täysin yksikäsitteisesti ASM:n toiminnan. Se sisältää kaiken tarvittavan tiedon ASM:n toteuttamiseksi digitaalipiireillä, esimerkiksi D-kiikuilla ja porteilla. ASM-kaavio koostuu symboleista ja niihin liittyvistä merkinnöistä. Symboleilla kuvataan ASM:n tiloja, siirtymiä tilasta toiseen, siirtymiseen liittyviä ehdollisia haarautumisia ja lähtösignaalien arvoja. Merkinnät antavat ASM:n toimintaan liittyviä lisätietoja. ASM-kaavion rakenne ja siinä käytettävä esitystapa selviävät parhaiten esimerkin avulla. Seuraavissa kohdissa esitetään neljän erilaisen ASM:n suunnittelu ASM-kaaviota käyttäen. Nämä ovat Jaskan kuppilan mainoksen ohjaimen kolme erilaista versiota, joista jokainen on edellistä hieman monipuolisempi. Kolmas niistä suunnitellaan sekä Mooren koneena että Mealyn koneena. Esimerkkien käsittelyn yhteydessä esitetään myös ASM-kaavio ja siinä käytettävät symbolit ja merkinnät. Kun viimeinen esimerkki on käyty läpi, ovat ASM-menetelmään ja ASM-kaavioihin liittyvät keskeiset asiatkin tulleet läpikäydyiksi. 2.5 Ensimmäinen esimerkki: Jaskan kuppilan perusmainos Ensimmäisessä esimerkissä lähtökohtana on vanhan ystävämme Jaskan vaikea tilanne huonosti menestyvän kuppilan omistajana ja pitäjänä. Yritämme piristää Jaskan kuppilan toimintaa parantamalla kuppilan vanhan valomainoksen tehoa.

10 Sivu (35) Fe Jaskalla on vuosikausia ollut kuppilan oven yläpuolella suurikokoinen mainos, mutta sen staattinen viesti ei ole kunnolla tavoittanut potentiaalista asiakaskuntaa. Nyt lisäämme mainokseen ytyä panemalla sen sanat vilkkumaan dynaamisesti. Nimitämme näin syntynyttä uutta mainosta perusmainokseksi, koska tulemme myöhemmin kehittämään sitä edelleen. 2.6 Perusmainoksen määrittely Mainos näyttää nykyisellään kuvan 7 mukaiselta: UTTELE AN ILASSA Kuva 7 Jaskan kuppilan mainos nykyasussaan. Haluamme, että perusmainoksessa tekstitöntä tilaa seuraa kolme tilaa, joista kussakin on tekstistä sana enemmän näkyvissä. Kukin tila kestää kaksi sekuntia. Haluttu toiminta on esitetty vuokaaviona kuvassa 8. UTTELE UTTELE AN UTTELE AN ILASSA Kuva 8 Jaskan kuppilan perusmainoksen toiminnan vuokaavio. Voimme toteuttaa perusmainoksen nelitilaisella ASM:lla, jonka kellojakso on. Kussakin tilassa ohjataan halutut mainoksen valot palamaan. Koska tilasekvenssi on aina samanlainen eikä siihen vaikuteta ulkopuolelta mitenkään, ASM:lla on vain kellosignaali tulosignaalinaan. 2.7 Perusmainoksen lohkokaavio Perusmainoksen lohkokaavio on esitetty kuvassa 9. Signaalien nimet Ohjain Lamput Kello,5,5 Hz Hz Kellojakso CLK JKP JKP UTTELE AN ILASSA Kuva 9 Perusmainoksen lohkokaavio.

11 Sivu (35) Fe 2.8 Perusmainoksen ASM-kaaviossa tarvittavat symbolit ja merkinnät Perusmainoksen ASM-kaaviossa tarvitaan vain kaksi symbolityyppiä: tilalohko ja lähtönuoli. Näillä voidaan kuvata ASM, jossa ei ole ulkoisia tuloja. Jokaista ASM:n tilaa varten piirretään oma tilalohko. Näiden väliin piirretään lähtönuolet kuvaamaan siirtymistä tilasta seuraavaan. Kuvassa on esitetty symbolit ja niihin liittyvät merkinnät ja esimerkki. Tilan nimi BBB ASM-lohko Tilakoodi = tilarekisterin tila = PS-signaalien arvot Esimerkki SN OUT OUT2 Tilalohko Tilassa aktiiviset lähtösignaalit OPER RUN NORM Lähtönuoli Kuva ASM-kaavion perussymbolit: tilalohko ja lähtönuoli. Määrittely ja esimerkki. 2.9 Perusmainoksen ASM-kaavio Perusmainoksen ASM-kaavion muodostuminen vuo- ja lohkokaaviosta on esitetty kuvassa. Vuokaavio ASM-kaavio UTTELE EI UTTELE AN UTTELE AN ILASSA H Lohkokaavio Kello,5,5 Hz Hz Kellojakso CLK Ohjain JKP JKP Lamput UTTELE AN ILASSA HJ Kellojakso 2 s Kuva Perusmainoksen ASM-kaavion muodostuminen vuo- ja lohkokaaviosta. Kuhunkin tilalohkoon on merkitty kyseisessä tilassa aktiivisten lähtöjen signaalinimet eli muistikkaat. ASM on aina yhdessä kaaviossa esitetyistä tiloista. Vain hyvin lyhyenä tilojen välisenä siirtymäaikana se on siirtymässä tilasta toiseen. Tätä ei yleensä suunnittelussa tarvitse erikseen ottaa huomioon.

12 Sivu 2 (35) Fe Lähtönuolet kuvaavat tilojen väliset siirtymät. Kellopulssin aktiivisella reunalla ASM siirtyy lähtönuolen osoittamalla tavalla tilasta seuraavaan tilaan. Tiloille annetaan symboliset nimet. Symbolinen nimi merkitään ympyrään tilalohkon jommalle kummalle puolelle. ASM:ssa käytettävän kellojakson pituus merkitään myös näkyville ASM-kaavioon. Kun ASM-kaavio on piirretty, jokaiselle siinä olevalle tilalle annetaan yksikäsitteinen tilakoodi. Tilakoodi koostuu ykkösistä ja nollista. Sen minimipituus määräytyy tilojen lukumäärän mukaan. Mikäli ASM:ssa tarvitaan s tilaa, tilakoodissa pitää olla bittejä vähintään k = log ylöspäin kokonaisluvuksi pyöristettynä. ASM:ssa on todellisuudessa edellisessä tapauksessa 2 k tilaa. Mikäli s < 2 k, osa tilakoodeista jää käyttämättä ASM-kaaviossa. Jos esimerkiksi on todettu ASM:ssa tarvittavan kuusi tilaa, tarvitaan tilakoodissa kolme bittiä. Kolmella bitillä voidaan esittää 2 3 = 8 tilaa. Kaksi tilaa jää siis käyttämättömiksi tiloiksi. Tilakoodin valinnalle on kaksi perustapaa. Toisessa, perinteisessä menetelmässä, minimoidaan käytettävien kiikkujen määrä ja käytetään tilakoodeina binaarilukuja. Tämän menetelmän etuna on se, että kiikkuja tarvitaan minimimäärä ja haittana se, että kombinaatiopiirin suunnittelu on suhteellisen mutkikas tehtävä. Toisessa menetelmässä eli kuuman kiikun menetelmässä (onehot) käytetään kiikkuja yhtä monta kuin tilojakin on. Kussakin ASM:n tilassa vain yksi kiikku on tilassa, muut ovat tilassa. Tässä menetelmässä etuna on se, että kombinaatiopiirin suunnittelu on yksinkertaista ja suoraviivaista, mutta haittana se, että erityisesti monitilaisessa ASM:ssa tarvitaan kiikkuja paljon enemmän kuin mitä välttämättä tarvittaisiin. Jatkossa käsitellään vain perinteisellä menetelmällä tehtävää suunnittelua. Se, mikä tilakoodi millekin tilalle ASM-kaaviossa annetaan, vaikuttaa suuresti ASM:n toteutuksen mutkikkuuteen. Erityisiä sääntöjä sille, miten koodin valinta on edullisinta tehdä, ei ole, vaan se tehdään kokemuksen perusteella tai yrityksen ja erehdyksen menetelmällä. Usein tilat voidaan nimetä mielivaltaisesti ja tulos on toteutuksen kannalta riittävän hyvä nimeämistä erityisesti suunnittelemattakin. Jos halutaan, että jokin tai jotkin lähtösignaaleista saadaan suoraan tilakiikun lähdöstä, tilojen nimeäminen on tehtävä niin, että kutakin tällaista lähtösignaalia vastaa oma bitti tilakoodissa. Kyseisen bitin on oltava kaikissa niissä tiloissa, joissa tämä lähtösignaalikin saa arvon, ja kaikissa muissa tiloissa. Ellei tämä ole muutoin mahdollista, on tilarekisteriin otettava enemmän kiikkuja kuin välttämättä tarvittaisiin. Jaskan kuppilan perusmainoksen ASM-kaavio tilakoodeineen on esitetty kuvassa 2.

13 Sivu 3 (35) Fe Tilakoodi EI H HJ Kellojakso Kuva 2 Jaskan kuppilan perusmainoksen ASM-kaavio tilakoodeineen. 2. Perusmainoksen tarkennettu lohkokaavio Edellä esitetystä ASM-kaaviosta nähdään suoraan tarvittava kiikkujen määrä ja kombinaatiopiirin tulot ja lähdöt. Näiden perusteella voidaan piirtää perusmainoksen tarkennettu lohkokaavio. Se on esitetty kuvassa 3. Kiikkujen lähtösignaaleita, jotka samalla ilmoittavat kiikkujen tilan eli piirin nykyisen tilan, nimitetään tilamuuttujiksi. Yleensä tilamuuttujien nimiksi valitaan Q, Q jne. niin, että tilakoodin vähiten merkitsevää bittiä vastaa tilamuuttuja Q. Esimerkiksi kuvan 3 tilassa HJ Q = ja Q =. EI H HJ Yksi kiikku / tilakoodin bitti CLK D D Kellojakso D C D C Tilarekisteri Q Q Q Q Tilamuuttujat eli tilasignaalit eli nykyisen tilan signaalit Kombinaatiopiiri D D Seuraavan tilan signaalit Kuva 3 Jaskan kuppilan perusmainoksen tarkennettu lohkokaavio.

14 Sivu 4 (35) Fe 2. Perusmainoksen tila- ja lähtötaulu ASM-kaavion perusteella laaditaan seuraavaksi tilataulu, jossa on esitetty kutakin tilaa seuraava tila, ja lähtötaulu, jossa on esitetty lähtösignaalien arvot kussakin tilassa. Kaikki tarvittavat tiedot saadaan ASM-kaaviosta. Perusmainoksen tila- ja lähtötaulu on esitetty kuvassa 4. EI H HJ Q Q Kellojakso Nykyinen tila Q Q Nykyinen tila Q Q Tilataulu Seuraava tila D D Lähtötaulu Lähdöt Tilataulu on seuraavan tilan signaalien totuustaulu ja lähtötaulu lähtösignaalien totuustaulu Kuva 4 Jaskan kuppilan perusmainoksen tila- ja lähtötaulu. 2.2 Perusmainoksen seuraavan tilan ja lähtösignaalien lausekkeet Edellä laaditusta tilataulusta saadaan lausekkeet tilakiikkujen D-tuloille. Nämä on esitetty kuvassa 5. Lausekkeet ovat niin yksinkertaiset, että ne näkee suoraan tilataulusta ilman sievennyksiä. Nykyinen tila Q Q Seuraava tila D D Kytkentäfunktioiden lausekkeet: D = Q Q D = Q Kuva 5 Jaskan kuppilan perusmainoksen kiikkujen tulojen kytkentäfunktiot. Vastaavasti saadaan lähtötaulusta lausekkeet lähtösignaaleille, kuten kuvassa 6 on esitetty.

15 Sivu 5 (35) Fe Nykyinen tila Lähdöt Q Q Kytkentäfunktioiden lausekkeet: = Q + Q = Q = Q Q Kuva 6 Jaskan kuppilan perusmainoksen lähtöjen kytkentäfunktiot. 2.3 Perusmainoksen piirikaavio Kiikkujen D-tulojen ja lähtösignaalien lausekkeet voidaan toteuttaa porttipiireillä. Tarvittavat piirit eli ASM:n kombinaatio-osa on esitetty kuvassa 7. D = Q Q D D = Q Q = Q + Q = Q Q Q = D = Q Q & Kuva 7 Jaskan kuppilan perusmainoksen kombinaatio-osan piirikaavio. Lisäämällä tilakiikut saadaan koko ASM:n piirikaavio piirretyksi. Se on esitetty kuvassa 8. ASM ja siihen liitetyt perusmainoksen lohkokaavion mukaiset osat toteuttavat alkuperäisen määrittelyn mukaisen toiminnan. Jaskan kuppilan maine paranee ja toiminta vilkastuu. Mekin saamme osamme hyödystä: iloinen Jaska antaa meille koko porukalle oikein tuplapurilaiset tyytyväisenä hymyillen. CLK D D D C D Q Q Q = D C & Kuva 8 Jaskan kuppilan perusmainoksen piirikaavio.

16 Sivu 6 (35) Fe 2.4 Jaskan syvä pettymys Aluksi kaikki vaikutti erinomaiselta. Jaskan kuppilan myynti lisääntyi, ja kaikki kehuivat kilvan uutta mainosta. Mutta yksi yö muutti kaiken: yön pimeimpänä hetkenä ja mainoksen pimeän kaksisekuntisen aikana vikkelä voro pääsi livahtamaan kuppilaan. Oli siinä Jaska-paralla aamulla ihmettelemistä! Rosmo hyväkäs oli pistellyt poskeensa parhaat pizzantäytteet ja vielä temponut pirtelöt päälle! Onneksi Jaska piti kassaa kotona tyynyn alla, joten suoranaisia rahamenetyksiä ei aiheutunut. Mutta kassakoneen konna oli murtanut auki, ja sen korjauttaminen teki melko loven Jaskan kukkaroon. 2.5 Uusi yritys - Jaskan kuppilan parannettu mainos Eihän Jaskaa voi jättää pulaan ja varkaiden armoille. Pulmasta selvitään tekemällä uusi ja entistä ehompi mainos. Pannaan mainos toimimaan eri lailla silloin, kun business pyörii ja silloin, kun rosvot on pidettävä loitolla. Takahuoneeseen sijoitamme YÖ-kytkimen, jota kääntämällä Jaska voi valita: joko aiemman mallin mukaisen päivätoiminnan tai yötoiminnan, jolloin kaikki lamput palavat koko ajan. Annetaan kytkimen asennosta riippuvalle signaalille nimi. Kun on, poltetaan kaikkia lamppuja koko ajan ja kun on, mainos vilkkuu niin kuin ennenkin. 2.6 Parannetun mainoksen määrittely Voimme määritellä edellä esitetyn toiminnan vuokaaviona kuvan 9 mukaisesti. Siitä näkyy myös, miten päivätoiminnasta siirrytään yötoimintaan ja päinvastoin. UTTELE UTTELE AN UTTELE AN ILASSA Ei Yötoiminta? Kyllä Kuva 9 Jaskan kuppilan parannetun mainoksen vuokaavio. 2.7 Parannetun mainoksen toteutusperiaate ja lohkokaavio Periaate on muutoin sama kuin perusmainoksessakin, mutta kytkimestä saatava -signaali viedään tulosignaalina ASM:iin. Sen arvon perusteella valitaan, kierretäänkö neljän tilan kehää vai pysytäänkö koko ajan samassa tilassa. Lohkokaavio on esitetty kuvassa 2. Myös siinä näkyy uutena asiana tulosignaali.

17 Sivu 7 (35) Fe Tulosignaalin nimi Kytkin Ohjain Lamput Kello,5,5 Hz Hz CLK JKPA JKPA UTTELE AN ILASSA Kellojakso Kuva 2 Jaskan kuppilan parannetun mainoksen lohkokaavio. 2.8 Parannetun mainoksen ASM-kaaviossa tarvittava uusi symboli: päätöslohko Tulosignaalin vaikutus kuvataan ASM-kaaviossa päätöslohkolla. Sen symboli on vinoneliö. ASMkaaviota piirrettäessä harkitaan jokaisen tilan kohdalla, vaikuttaako jokin tulosignaali tai jotkin tulosignaalit siihen, mihin tilaan siirrytään. Jokainen vaikuttava tulosignaali kuvataan päätöslohkolla, joka sijoitetaan kyseisestä tilasta lähtevään lähtönuoleen. Mikäli vaikuttavia tulosignaaleja on useita, niitä vastaavat päätöslohkot sijoitetaan peräkkäin lähtönuoleen, ei koskaan rinnakkain. Päätöslohkosta lähtee kaksi lähtönuolta. Nuolet johtavat joko tilalohkoon tai toiseen päätöslohkoon. Toinen lähtönuoli kuvaa siirtymistä seuraavaan tilaan siinä tapauksessa, että tulosignaalin arvo on, kun seuraava kellopulssin aktiivinen reuna tulee, ja toinen siinä tapauksessa, että tulosignaalin arvo on. Tulosignaalin nimi kirjoitetaan päätöslohkon sisään. Kuvassa 2 on esitetty päätöslohkoon liittyvät merkinnät ja käsitteet sekä esitetty esimerkki päätöslohkojen käytöstä. SN BBB OUT OUT2 OPER RUN NORM Tulosignaali IN IN2 Päätöslohko SLOW FAST Kuva 2 Päätöslohko ASM-kaaviossa. Yleinen kuvaus ja esimerkki. 2.9 Parannetun mainoksen ASM-kaavio Parannetussa mainoksessa on yksi tulosignaali, -signaali. Kuvassa 22 on esitetty, miten vuo- ja lohkokaaviosta saadaan parannetun mainoksen ASM-kaavio.

18 Sivu 8 (35) Fe ASM-kaavio Lohkokaavio Kytkin Ohjain Kello,5,5 Hz Hz Vuokaavio UTTELE UTTELE AN UTTELE AN ILASSA Ei Kyllä Yötoiminta? CLK JKPA JKPA Lamput UTTELE AN ILASSA EI H HJ Tulosignaalin vaikutus Kellojakso Kuva 22 Jaskan kuppilan parannetun mainoksen vuokaavio, lohkokaavio ja ASM-kaavio. Kuvan 22 ASM-kaaviossa tulosignaali vaikuttaa vain yhteen tilasiirtymään. Oltaessa tilassa, jossa kaikki lamput palavat, valitaan, jäädäänkö kyseiseen tilaan vai palataanko alkutilaan EI. Näin saadaan aikaan vuokaavion mukainen toiminta. 2.2 Parannetun mainoksen ASM:n lohkokaavio ASM-kaavion perusteella voidaan piirtää ASM:n lohkokaavio. Se on esitetty kuvassa 23. EI H HJ CLK D D Q D Q C Q D Q C Tilarekisteri Kombinaatiopiiri D D Kellojakso Kuva 23 Jaskan kuppilan parannetun mainoksen ASM:n lohkokaavio.

19 Sivu 9 (35) Fe 2.2 Parannetun mainoksen tila- ja lähtötaulu: tulosignaalin vaikutus Parannetun mainoksen tila- ja lähtötaulu on esitetty kuvassa 24. EI H HJ Nykyinen tila Q Q Kellojakso Tulo Seuraava tila D D Nykyinen tila Q Q Tilataulussa on mukana myös tulosignaali Mooren koneen lähtötaulussa on vain nykyinen tila Lähdöt Kuva 24 Jaskan kuppilan parannetun mainoksen tila- ja lähtötaulu. Tulosignaalin mukanaolo tuo tilatauluun uuden sarakkeen. Mooren koneessa, joka parannettu mainoskin on, ei lähtötaulussa ole tulosignaalia, koska tulosignaali ei vaikuta lähtösignaaliin Parannetun mainoksen seuraavan tilan ja lähtösignaalien lausekkeet Edellä laaditusta tilataulusta saadaan Karnaugh'n karttojen avulla lausekkeet tilakiikkujen D- tuloille. Nämä on esitetty kuvassa 25. Karnaugh n kartat: Nykyinen tila Q Q Tulo Seuraava tila D D D Q Q D Kytkentäfunktioiden lausekkeet: Q Q D = Q Q + Q Q + Q = Q Q + Q D = Q + Q Kuva 25 Jaskan kuppilan parannetun mainoksen kiikkujen D-tulojen Karnaugh'n kartat ja kytkentäfunktioiden lausekkeet. Vastaavasti saadaan lähtötaulusta lausekkeet lähtösignaaleille, kuten kuvassa 26 on esitetty. Koska kyseessä on Mooren kone, lähtösignaalit eivät riipu tulosignaalista, joten lausekkeet ovat samat kuin perusmainoksessakin.

20 Sivu 2 (35) Fe Nykyinen tila Q Q Lähdöt Kytkentäfunktioiden lausekkeet: = Q + Q = Q = Q Q Kuva 26 Jaskan kuppilan parannetun mainoksen lähtöjen kytkentäfunktioiden lausekkeet Parannetun mainoksen piirikaavio Tarvittavat piirit eli ASM:n kombinaatio-osa on esitetty kuvassa 27. D = Q + Q D = Q Q + Q = Q + Q = Q = Q Q Q Q Q & = D D & Kuva 27 Jaskan kuppilan parannetun mainoksen kombinaatio-osan piirikaavio. Lisäämällä tilakiikut saadaan koko parannetun mainoksen piirikaavio piirretyksi. Se on esitetty kuvassa 28. & CLK D D D C D Q Q Q = C & Kuva 28 Jaskan kuppilan parannetun mainoksen piirikaavio Happy Hour -kausi Kuppiloissa tuli yleiseksi käytännöksi tarjota hiljaisena aikana tuotteita alennettuun hintaan. Tätä aikaahan tunnetusti kutsutaan nimellä Happy Hour. Jaska otti tämän myös käyttöön ja mietti, miten

21 Sivu 2 (35) Fe asiakkaille viestittäisi alennusajasta. Hän keksi, että valosekvenssi voisi olla erilainen normaaliaikana ja Happy Hour -aikana No, mehän kehitämme systeemiä, kun tarvetta on! Lisätään pieni variaatio: Jaska voi nyt valita toisen kahdesta erilaisesta päivätoiminnan sekvenssistä. Näin syntyy Jaskan Supermainos! 2.25 Supermainoksen määrittely Toteutamme supermainoksen lisäämällä toisen kytkimen. Sitä nimitämme -kytkimeksi. Mikäli YÖ-kytkin on päiväasennossa eli signaali =, -kytkimen asento valitsee joko edellä esitetyn sekvenssin tai uuden, erilaisen sekvenssin. Annetaan -kytkimestä saatavalle signaalille yllätys, yllätys nimi. Kun =, käydään läpi aiempi kaikki vaihtoehdot sisältävä sekvenssi ja kun =, uusi Happy Hour -sekvenssi. Uudessa sekvenssissä seuraakin kahden sekunnin pimeää vaihetta kuuden sekunnin vaihe, jossa kaikki lamput palavat. Tämä on esitetty vuokaaviona kuvassa 29. Ei Happy Happy Hour? Hour? Kyllä UTTELE UTTELE AN UTTELE AN ILASSA 6 s Ei Yötoiminta? Kyllä Kuva 29 Jaskan kuppilan supermainoksen vuokaavio Supermainoksen lohkokaavio Lohkokaavio on hyvin samanlainen kuin parannetun mainoksen lohkokaaviokin. Tässä on vain lisäksi toinen kytkin. Lohkokaavio on esitetty kuvassa 3. Kytkimet Kello,5,5 Hz Hz CLK Ohjain JKS JKS Lamput UTTELE AN ILASSA Kellojakso Kuva 3 Jaskan kuppilan supermainoksen lohkokaavio.

22 Sivu 22 (35) Fe 2.27 Supermainoksen toteutusmahdollisuudet Monet ASM:it voidaan toteuttaa joko Mooren koneena tai Mealyn koneena. Mooren kone -toteutus on yleensä mutkikkaampi, mutta koska siinä tulosignaalit eivät vaikuta suoraan lähtöihin, kone toimii usein jonkin verran hienostuneemmin kuin Mealyn kone. Riippuu tapauksesta, kumpi toteutustapa kannattaa valita. Myös Supermainos voidaan toteuttaa joko Mooren koneena tai Mealyn koneena. Seuraavassa toteutetaan molemmat vaihtoehdot, jolloin voidaan verrata kumpaakin toteutusta ja nähdään niiden edut ja haitat Supermainos Mooren koneena, ASM-kaavio Mooren koneessa ei selvitä neljällä tilalla, koska EI-tilassa pitää haarautua sen mukaan, pysytäänkö entisessä sekvenssissä vai mennäänkö uuteen. Tarvitaan kuusi tilaa. Tällöin tilakoodiin tulee kolme bittiä. Kaksi tilaa jää käyttämättä. Esitetyssä ratkaisussa on valittu tilat niin, että ensimmäinen bitti osoittaa suoraan haaran. Kuvassa 3 on esitetty, miten vuo- ja lohkokaaviosta saadaan Supermainoksen Mooren kone -toteutuksen ASM-kaavio. Vuokaavio Ei UTTELE Ei Lohkokaavio,5 Hz CLK Happy Hour? UTTELE AN JKS UTTELE AN UTTELE AN ILASSA 6 s Yötoiminta? Kyllä Kyllä ILASSA H HJ ASM - Mooren kone EI 3 Kolme tilasignaalia 2 Kellojakso Kuva 3 Jaskan kuppilan Supermainoksen Mooren kone -toteutuksen vuo-, lohko- ja ASMkaavio. Esitetyssä ASM-kaaviossa -kytkimen asento eli -signaalin arvo määrää EI-tilasta lähdettäessä, kumpaan sekvenssiin mennään. Sekvenssin vaihto sen aikana ei ole mahdollista. ASM-kaaviossa näkyy se tapa, jolla synkronisissa sekvenssipiireissä toteutetaan usean kellojakson mittainen samanlainen tilanne. Samaan tilaan ei voida jäädä moneksi kellojaksoksi, koska ei ole ehtoa, jonka toteutuminen johtaisi pois tilasta. On siis pantava mukaan monta peräkkäistä ulospäin samanlaista tilaa. Tässä esimerkissä nämä tilat ovat, 2 ja 3. Näin saadaan aikaan kuusi sekuntia eli kolme kellojaksoa kestävä kaikkien lamppujen palaminen.

23 Sivu 23 (35) Fe 2.29 Supermainoksen Mooren kone -toteutuksen tarkennettu lohkokaavio ASM-kaavion perusteella voidaan piirtää tarkennettu lohkokaavio. Se on esitetty kuvassa 32. Kombinaatiopiiriin tuodaan molemmat tulosignaalit, ja. Kiikkuja on kolme, koska tiloja tarvitaan kuusi. EI CLK Tilarekisteri D D D C D Q Q Q C Q D2 D Q2 C Q2 Kombinaatiopiiri D D D2 H HJ 2 3 Kolme kiikkua Kellojakso Kuva 32 Jaskan kuppilan Supermainoksen Mooren kone -toteutuksen tarkennettu lohkokaavio. 2.3 Supermainoksen Mooren kone -toteutuksen tila- ja lähtötaulu Seuraavaksi voidaan laatia Supermainoksen Mooren kone -toteutuksen tila- ja lähtötaulu. Niissä tiloissa, joissa tulosignaalilla ei ole vaikutusta toimintaan, sen kohdalle voidaan tauluun merkitä. Tämä lyhentää tilataulun 32-rivisestä kymmenriviseksi. Supermainoksen Mooren kone -toteutuksen tilataulu on esitetty kuvassa 33 ja lähtötaulu kuvassa 34.

24 Sivu 24 (35) Fe EI Nykyinen tila Q2 Q Q Tulot Seuraava tila D2 D D Käyttämättömät tilat H HJ 2 3 Kellojakso Kuva 33 Jaskan kuppilan Supermainoksen Mooren kone -toteutuksen tilataulu. EI Nykyinen tila Q2 Q Q Lähdöt Käyttämättömät tilat H HJ 2 3 Kellojakso Kuva 34 Jaskan kuppilan Supermainoksen Mooren kone -toteutuksen lähtötaulu. ASM:ssa on kaikkiaan kuusi tilaa. Näin ollen kaksi tilaa jää käyttämättömiksi. Ne ovat tilat ja. Nämäkin tilat on otettava mukaan tilatauluun. Seuraava tila on määriteltävä siten, että käyttämättömistä tiloista päästään pois ja palataan johonkin tai joihinkin käytössä oleviin tiloihin. Tässä tapauksessa asia on hoidettu siten, että seuraavan tilan tilakoodin ensimmäinen bitti on määritelty :ksi, mutta tilakoodi on muutoin jätetty määrittelemättä eli merkitty :llä. Näin varmistetaan siirtyminen normaalisekvenssiin, mutta ei aseteta turhia vaatimuksia, jotka voisivat mutkistaa toteutusta.

25 Sivu 25 (35) Fe Käyttämättömissä tiloissa lähdöille ei ole asetettu vaatimuksia, vaan vastaavissa kohdissa lähtötaulussa on :t. Pahimmassakin tapauksessa käyttämättömässä tilassa ollaan vain kaksi sekuntia, joten lamppujen palamisella tai palamattomuudella tänä aikana ei ole suurta merkitystä. 2.3 Supermainoksen Mooren kone -toteutuksen seuraavan tilan ja lähtösignaalien Karnaugh'n kartat ja lausekkeet (lisäsisältöä) Edellä laaditusta tilataulusta saadaan Karnaugh'n kartat ja lausekkeet tilakiikkujen D-tuloille. Nämä on esitetty kuvassa 35. Karnaugh'n kartta on viiden muuttujan kartta, joka koostuu kahdesta neljän muuttujan kartasta. Sitä laadittaessa on otettava huomioon, että tilataulun yksi rivi vastaa Karnaugh'n kartan kahta ruutua, jos rivillä tulosarakkeissa on yksi ja neljää ruutua, jos :iä on kaksi. Esimerkiksi tilataulun ylimmän rivin D2:n tulee D2:n Karnaugh'n kartan vasemmanpuoleisen sarakkeen ylimpään ja alimpaan ruutuun, koska on :n sarakkeessa. Kolmannen rivin D2:n puolestaan täyttää koko seuraavan sarakkeen nollilla, koska rivillä on kaksi :ää. Karnaugh n kartta, D2 Nykyinen tila Tulot Seuraava tila D2 Q2 = Q2 = Q D2 Q Q2 Q Q D2 D D Q Q Kytkentäfunktion D2 lauseke: D2 = Q Q Q2 + Q Q Q2 Karnaugh'n kartta, D Karnaugh'n kartta, D Q2 = Q2 = Q2 = Q2 = D Q D Q D Q D Q Q Q Q Q Kytkentäfunktion D lauseke: D= Q Q+ Q Q+ Q = Q Q+ Q Kytkentäfunktion D lauseke: D = Q + Q Kuva 35 Jaskan kuppilan Supermainoksen Mooren kone -toteutuksen kiikkujen D-tulojen kytkentäfunktioiden lausekkeet. Vastaavasti saadaan lähtötaulusta Karnaugh'n kartat ja lausekkeet lähtösignaaleille, kuten kuvassa 36 on esitetty.

26 Sivu 26 (35) Fe Nykyinen tila Q2 Q Q Lähdöt Lähtöjen Karnaugh'n kartat ja funktiot Q2 Q2 Q Q Q Q = Q + Q = Q+ Q Q2 Q2 Q Q = Q Q2 + Q Q2 Kuva 36 Jaskan kuppilan Supermainoksen Moore-toteutuksen lähtöjen Karnaugh'n kartat ja kytkentäfunktioiden lausekkeet Supermainoksen Moore-toteutuksen piirikaavio Moore-totutuksen piirikaavio on esitetty kuvassa 37. CLK D D D2 D C D C D C Q Q Q Q Q2 Q2 & = & & & & Kuva 37 Jaskan kuppilan Supermainoksen Moore-toteutuksen piirikaavio. Huomataan, että Supermainos on huomattavasti mutkikkaampi kuin parannettu mainos Supermainos Mealyn koneena Kun Supermainos toteutetaan Mealyn koneena, selvitään nelitilaisella ASM:lla. Tämä johtuu siitä, että antamalla tulosignaalin vaikuttaa suoraan lähtösignaaleihin voidaan haluttu toiminta saada aikaan samalla tilasekvenssillä kuin parannetussa mainoksessakin. Lähtösignaalia, johon jokin tulosignaali vaikuttaa suoraan, sanotaan ehdolliseksi lähtösignaaliksi.

27 Sivu 27 (35) Fe 2.34 Ehdollisen lähdön kuvaaminen ASM-kaaviossa: ehdollinen lähtölohko Mealyn koneessa esiintyvät ehdolliset lähtösignaalit kuvataan ehdollisilla lähtölohkoilla.ehdollisen lähtölohkon symboli on soikio. Soikion sisään merkitään ne lähtösignaalit, joiden arvoon sitä edeltävässä päätöslohkossa oleva tulo tai edeltävissä päätöslohkoissa olevat tulot vaikuttavat. Ehdollinen lähtölohko on aina kiinni päätöslohkossa. Siihen tulee lähtönuoli päätöslohkosta ja siitä lähtee lähtönuoli tilalohkoon. On erityisesti huomattava, että sekä päätöslohko että ehdollinen lähtölohko liittyvät ASM-kaaviossa siihen tilaan, josta lähtevää lähtönuolta ne seuraavat, eivätkä koskaan seuraavaan tilaan. Tämä on tärkeä muistaa lähtötaulua laadittaessa. Kuvassa 38 on esitetty ehdollisen lähtölohkon sijainti ASM-kaaviossa yleisesti ja esimerkin avulla. Esimerkissä tilassa OPER, jonka tilakoodi on, on ainoastaan lähtö RUN aina aktiivinen, eli RUN =. Mikäli tässä tilassa tulot FAST ja SLOW ovat molemmat nollia, on myös lähtö NORM aktiivinen eli NORM = ja nopeus on normaali. Mikäli SLOW =, lähtö SLUGG aktivoituu heti, ja toiminta hidastuu. Mikäli SLOW = ja FAST =, lähtö RAPID aktivoituu heti ja toiminta nopeutuu. Näin signaalien SLOW ja FAST muutokset tilassa saavat aikaan signaalien NORM, RAPID ja SLUGG heti tapahtuvia muutoksia. SN Ehdollinen lähtö BBB OUT OUT2 IN OUT3 OPER Esimerkki Ehdollinen lähtölohko RUN SLOW NORM FAST RAPID SLUGG Kuva 38 Ehdollinen lähtölohko ASM-kaaviossa. Yleinen kuvaus ja esimerkki Supermainos Mealyn koneena, ASM-kaavio Supermainoksessa annetaan tiloissa H ja HJ tulosignaalin vaikuttaa siihen, ovatko muut kuin tilassa aina aktiivinen lähtö aktiivisia vai ei. Tällä päästään siihen, että tiloja ei tarvitse lisätä, vaan neljä tilaa riittää. Kuvassa 39 on esitetty, miten vuo- ja lohkokaaviosta saadaan Supermainoksen Mealyn kone -toteutuksen ASM-kaavio.

28 Sivu 28 (35) Fe ASM - Mealyn kone Vuokaavio Ei UTTELE UTTELE AN Ei UTTELE AN ILASSA 6 s Lohkokaavio,5 Hz CLK Happy Hour? JKS Yötoiminta? Kyllä Kyllä UTTELE AN ILASSA EI H Ehdolliset lähdöt HJ Kuva 39 Jaskan kuppilan Supermainoksen Mealyn kone -toteutuksen ASM-kaavio Supermainoksen Mealyn kone -toteutuksen tila- ja lähtötaulu Seuraavaksi voidaan laatia Supermainoksen Mealyn kone -toteutuksen tilataulu ja lähtötaulu. Niissä tiloissa, joissa tulosignaalilla ei ole vaikutusta toimintaan, sen kohdalle voidaan tauluihin tässäkin merkitä. Tämä lyhentää tauluja. Supermainoksen Mealyn kone -toteutuksen tilataulu on esitetty kuvassa 4 ja lähtötaulu kuvassa 4. Nykyinen tila Q Q Tulot Seuraava tila D D EI H HJ Kuva 4 Jaskan kuppilan Supermainoksen Mealyn kone -toteutuksen tilataulu.

29 Sivu 29 (35) Fe Nyk. tila Q Q Tulot Lähdöt EI H HJ Kuva 4 Jaskan kuppilan Supermainoksen Mealyn kone -toteutuksen lähtötaulu. Lähtötaulussa tilassa lähdöt ja riippuvat ja tilassa lähtö riippuu tulon arvosta, kuten pitääkin Supermainoksen Mealyn kone -toteutuksen seuraavan tilan ja lähtösignaalien Karnaugh'n kartat ja lausekkeet Tilakiikkujen D-tulojen Karnaugh'n kartassa on tulosignaalin kohdalla pelkkää :ää. Tämä tarkoittaa sitä, että tilamuuttujat eivät riipu ollenkaan :sta Huomataan, että tilataulu on itse asiassa sama kuin parannetussa mainoksessa. Se ja siitä saatavat lausekkeet on esitetty uudelleen kuvassa 42. Nykyinen tila Q Q Tulot Seuraava tila D D D = Q Q + Q Q + Q = Q Q + Q Nykyinen tila Q Q Tulo Seuraava tila D D D = Q + Q Kuva 42 Jaskan kuppilan Supermainoksen Mealyn kone -toteutuksen kiikkujen D-tulojen kytkentäfunktioiden lausekkeet. Lähtötaulussa on tulosignaalin kohdalla pelkkää :ää. Tämä tarkoittaa sitä, että lähtösignaalit eivät riipu ollenkaan :sta ja se voidaan jättää pois lähtötaulusta. Näin saadaan kuvan 43 mukaisesti uusi lähtötaulu ja siitä Karnaugh'n kartat ja lausekkeet lähtösignaaleille.

30 Sivu 3 (35) Fe Nyk. tila Q Q Tulo Lähdöt Q Q = Q + Q Q Q = Q + Q Q Q = Q Q + Q + Q Kuva 43 Jaskan kuppilan Supermainoksen Mealy-toteutuksen lähtöjen kytkentäfunktioiden Karnaugh'n kartat ja lausekkeet Supermainoksen Mealyn kone -toteutuksen piirikaavio Piirikaavio on esitetty kuvassa 44. & CLK D D D C D C Q Q Q = & & & & Kuva 44 Jaskan kuppilan Supermainoksen Mealyn kone -toteutuksen piirikaavio Jaskan kuppilan mainoksen versioiden D-kiikkutoteutusten mutkikkuus (lisäsisältöä) Eri toteutuksilla on erilaisia ominaisuuksia. Näin ollen on luonnollista, että eri toteutusten mutkikkuuskin on erilainen. Kunkin version kiikkujen ja porttien sekä porttien tulojen määrä on esitetty taulukossa.

31 Sivu 3 (35) Fe TAULUKKO Jaskan kuppilan mainoksen versioiden D-kiikkutoteutusten mutkikkuusvertailu Versio Kiikkuja Portteja Porttien tuloja Perus Parannettu Super, Moore Super, Mealy T- ja JK-kiikkujen käyttö ASM-suunnittelussa (lisäsisältöä) D-kiikussa D-tuloon tuotava signaali määrää suoraan seuraavan tilan. Näin ollen ASM:n tilataulun sarake Seuraava tila riittää sellaisenaan määrittelemään tilakiikkujen D-tulojen lausekkeet. Käytettäessä T- tai JK-kiikkuja tilakiikkuina tilanne on mutkikkaampi. Seuraavan tilan sarake ei nyt sellaisenaan ole kiikun tulosignaali, vaan T-tulon tai J- ja K-tulojen arvot riippuvat sekä nykyisestä tilasta että seuraavasta tilasta. Tästä syystä kullakin tilataulun rivillä on nykyisen tilan ja seuraavan tilan perusteella määritettävä jokaiselle T- tai J- ja K-tulolle arvo. Tehtävän helpottamiseksi on edullista laatia kiikun tilataulusta toinen versio eli muutostaulu. Tämä kuvaa sen, miten missäkin halutussa tilanmuutoksessa T-tulon tai J- ja K-tulojen tulojen arvot on valittava. Muutostaulut on esitetty kuvassa 45. T-kiikku JK-kiikku Tilataulu Muutostaulu Tilataulu Muutostaulu T Q(t+) Q(t) Q(t) Q(t) Q(t+) T J K Q(t+) Q(t) Q(t) Q(t) Q(t+) J K Kuva 45 T-kiikun ja JK-kiikun muutostaulut. Muutostaulusta nähdään suoraan, mitkä arvot T- tai J- ja K-tulolle on annettava mitäkin tilanmuutosta haluttaessa. Muutostaulu havainnollistaa myös sen, miksi usein JK-kiikkujen käyttö johtaa yksinkertaisempaan toteutukseen kuin D-kiikkutoteutus. Kutakin tilanmuutosta varten on vain joko J- tai K-tulon saatava tietty arvo. Toinen tulo voi saada kumman arvon tahansa. Tämä näkyy muutostaulussa :nä. Kun muodostetaan Karnaugh n karttoja J- ja K-tuloille, niissä on kussakin vähintään puolet :iä. Tällöin on usein helppo löytää hyvinkin yksinkertaiset lausekkeet J- ja K-tuloille. Toisaalta JK-kiikku on sisäiseltä rakenteeltaan mutkikkaampi kuin D-kiikku, joten JK-kiikut ovat edullisempia vain silloin, kun käytetään erillisiä kiikkuja ja portteja. ASIC-piireissä ja ohjelmoitavissa logiikkaverkoissa JK-kiikkuja ei käytetä. T- tai JK-kiikkujen käyttö ei vaikuta määrittelyyn, lohkokaavioon eikä itse ASM-kaavioon mitenkään. Se tulee esille ainoastaan, kun määritetään kiikkujen tulojen lausekkeet ja kun piirretään piirin piirikaavio. Esimerkkinä tilataulusta, jossa ovat mukana T- ja JK-kiikkujen tulosarakkeet, esitetään seuraavassa Jaskan Supermainoksen Mealyn kone -toteutuksen tilataulun T- ja JK-kiikkuversio. Suunniteltavan ASM:n D-kiikkutoteutuksen tilakaavion johtaminen ASM-kaaviosta on esitetty edellä kuvassa 4.

32 Sivu 32 (35) Fe Kuvassa 46 on esitetty lisäksi T- ja JK-kiikkujen tulosarakkeet, jotka saadaan muutostaulujen avulla. Nykyinen tila Tulo Seuraava tila T-kiikkujen tulot JK-kiikkujen tulot Q(t) Q(t) Q(t+) Q(t+) T T J K J K Kuva 46 Supermainoksen Mealyn kone T- tai JK-kiikkutoteutuksen T- tai J- ja K-tulojen johtaminen tilanmuutoksista. Tarkastellaan aluksi tilataulun ylintä riviä. Siinä tila muuttuu :sta :ksi. Q ei siis muutu, vaan pysyy :na. Tämä saadaan aikaan muutostaulun mukaisesti T-kiikulla asettamalla T = ja JK-kiikulla asettamalla J = ja K =. Q muuttuu :sta :ksi. Tämä taas edellyttää muutostaulun mukaan, että T-kiikussa T = tai JK-kiikussa J = ja K =. Tilataulu täytetään joka rivin osalta vastaavasti. ASM:n suunnittelua T- tai JK-kiikuilla ei esitetä tässä monisteessa. Oppikirjassa se on esitetty. 2.4 Kellosignaalin käyttötavat synkronisissa sekvenssipiireissä Erilaisissa synkronisissa sekvenssipiireissä kellosignaalia käytetään jossain määrin eri tavoilla. Yksi tärkeä käyttötapa on tehdä piirin toiminnan ajastus kellosignaalin avulla. Tätä tapaa on käytetty Jaskan kuppilan mainoksissakin. Tässä käyttötavassa tilanmuutoksia tapahtuu kellosignaalin tahdissa, vaikka mikään muu tulosignaali ei muuttuisikaan. Muita tulosignaaleja ei välttämättä edes ole, kuten oli laita perusmainoksessa. Useissa sovelluksissa kellosignaalin taajuuden arvo ja tarkkuus ovat hyvin tärkeitä. Tyypillinen sovellus, jossa kellosignaalia käytetään ajastukseen, on digitaalikello. Siinä kellosignaalin taajuus on tyypillisesti 2 5 Hz = Hz. Kellossa on tietysti hyvin tärkeää, että kellosignaalin taajuus on tarkasti oikea, ei riipu esimerkiksi lämpötilasta eikä muutu ajan mukana. Muita sovelluksia ovat esimerkiksi tiedon sarjamuotoinen siirto, joka tapahtuu kellosignaalin tahdissa sekä siirtojohdoissa että radioteitse tietoa siirrettäessä, tietokoneen prosessorin ajastus, analogiadigitaali- ja digitaali-analogiamuuntimet sekä ääni- ja videosignaalin käsittely. Sellaisen synkronisen sekvenssipiirin ASM-kaavio, jossa kellosignaalia käytetään piirin toiminnan ajastukseen, on kuvassa 47 esitetyn esimerkin tyyppinen. Siitä nähdään, että siirrytään tilasta toiseen kellosignaalin tahdissa, vaikka mikään muu tulo ei muuttuisikaan. Joissain tapauksissa tulosignaalin arvo vaikuttaa siihen, mihin tilaan siirrytään.