Bài giảng Kỹ thuật số 2 - Chương 2: Thiết kế máy trạng thái dùng lưu đồ ASM

Chương 2 
THIẾT KẾ MÁY TRẠNG THÁI 
DÙNG LƯU ĐỒ ASM 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
1 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
1. CẤU TRÚC CỦA LƯU ĐỒ ASM 
Löu ñoà ASM ñöôïc xaây döïng töø 3 bieåu töôïng cô baûn laø: 
Hoäp traïng thaùi (state box) 
Hoäp quyeát ñònh (decision box) 
Hoäp ngoõ ra coù ñieàu kieän (conditional output box) 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
2 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
1. CẤU TRÚC CỦA LƯU ĐỒ ASM (tt) 
Khoái ASM: chæ chöùa chính xaùc moät hoäp traïng thaùi vaø coù theå coù caùc hoäp quyeát ñònh vaø caùc hoäp ngoõ ra ñieàu kieän. 
Moät löu ñoà ASM ñöôïc xaây döïng töø caùc khoái ASM. 
Moãi khoái ASM minh hoïa hoaït ñoäng cuûa maùy trong traïng thaùi hieän taïi. 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
3 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
1. CẤU TRÚC CỦA LƯU ĐỒ ASM (tt) 
Moät khoái ASM coù moät ñöôøng vaøo vaø moät hay nhieàu ñöôøng ra . 
Moãi ñöôøng ra phaûi daãn ñeán moät traïng thaùi. 
Moãi khi heä thoáng ñi vaøo moät traïng thaùi töông öùng vôùi moät khoái ASM thì caùc ngoõ ra trong hoäp traïng thaùi seõ ñöôïc kích hoaït. 
Caùc ñieàu kieän trong hoäp quyeát ñònh seõ ñöôïc ñònh trò ñeå xaùc ñònh ñi theo ñöôøng naøo qua khoái ASM. 
Treân ñöôøng ñi theo ñieàu kieän neáu gaëp hoäp ngoõ ra ñieàu kieän thì caùc ngoõ ra trong hoäp ñoù seõ ñöôïc kích hoaït. 
Moät ñöôøng ñi qua khoái ASM töø ngoõ vaøo ñeán ngoõ ra ñöôïc goïi laø ñöôøng noái (link path). 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
4 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
1. CẤU TRÚC CỦA LƯU ĐỒ ASM (tt) 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
5 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
1. CẤU TRÚC CỦA LƯU ĐỒ ASM (tt) 
Moãi ñöôøng noái töông öùng moät bieåu thöùc Boole goùp vaøo bieåu thöùc hoaøn chænh cho haøm ngoõ ra ñieàu kieän hoaëc haøm traïng thaùi keá tieáp. 
Trong moät khoái ASM, hoäp traïng thaùi laø phaàn töû duy nhaát chæ thò yeáu toá thôøi gian, taát caû caùc hoäp khaùc xem nhö ñöôïc kích hoaït ñoàng thôøi. 
Löu ñoà ASM chæ coù moät traïng thaùi → bieåu dieãn heä toå hôïp. 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
6 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
1. CẤU TRÚC CỦA LƯU ĐỒ ASM (tt) 
Toång quaùt thì moät khoái ASM coù theå ñöôïc veõ theo nhieàu daïng khaùc nhau. 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
7 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
1. CẤU TRÚC CỦA LƯU ĐỒ ASM (tt) 
Phaûi ñaûm baûo moãi traïng thaùi chæ daãn ñeán moät traïng thaùi keá tieáp duy nhaát öùng vôùi moãi taäp hôïp xaùc ñònh caùc ñieàu kieän vaøo. 
Moät vaøi caáu truùc bieåu dieãn ASM sai 
Caáu truùc ASM ñuùng cuûa hình b 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
8 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
1. CẤU TRÚC CỦA LƯU ĐỒ ASM (tt) 
Khoâng cho pheùp hoài tieáp noäi trong moät khoái ASM. 
Khoâng boá trí caùc hoäp quyeát ñònh daãn ñeán caùc ñieàu kieän logic khoâng thoûa maõn. 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
9 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
1. CẤU TRÚC CỦA LƯU ĐỒ ASM (tt) 
Bieåu ñoà ASM vôùi caùc ñöôøng noái sai 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
10 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
1. CẤU TRÚC CỦA LƯU ĐỒ ASM (tt) 
Moät vaøi caáu truùc bieåu ñoà ASM ñuùng 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
11 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
1. CẤU TRÚC CỦA LƯU ĐỒ ASM (tt) 
Coù theå söû duïng lieân keát daïng noái tieáp hoaëc song song töông ñöông cho caùc hoäp quyeát ñònh trong moät khoái ASM. 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
12 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
1. CẤU TRÚC CỦA LƯU ĐỒ ASM (tt) 
Cho pheùp caùc khoái ASM duøng chung caùc hoäp quyeát ñònh hoaëc caùc hoäp ngoõ ra ñieàu kieän. 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
13 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
1. CẤU TRÚC CỦA LƯU ĐỒ ASM (tt) 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
14 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
1. CẤU TRÚC CỦA LƯU ĐỒ ASM (tt) 
Baøi taäp: Xaùc ñònh caùc loãi trong löu ñoà ASM sau: 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
15 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
1. CẤU TRÚC CỦA LƯU ĐỒ ASM (tt) 
Ví duï 2.1: Xeùt löu ñoà ASM: 
Giaûn ñoà thôøi gian: 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
16 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
Bài tập 
Hoaøn taát giaûn ñoà thôøi gian cho löu ñoà ASM sau: 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
17 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
2. THÀNH LẬP LƯU ĐỒ ASM 
Các bước thực hiện: 
Vẽ sơ đồ khối của hệ thống. 
Xác định các tín hiệu vào/ra cần cho hệ. 
Xây dựng lưu đồ ASM. 
Ví dụ 2.2: Veõ löu ñoà ASM cho boä ñeám ñoàng boä 2-bit kích baèng caïnh leân cuûa xung clock. Boä ñeám thöïc hieän ñeám leân khi ngoõ vaøo laø 0 vaø ñeám xuoáng khi ngoõ vaøo laø 1. 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
18 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
2. THÀNH LẬP LƯU ĐỒ ASM (tt) 
Lưu ñoà ASM cho ví dụ 2.2: 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
19 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
2. THÀNH LẬP LƯU ĐỒ ASM (tt) 
Ví dụ 2.3: Veõ löu ñoà ASM cho moät maùy traïng thaùi ñoàng boä phaùt hieän höôùng xe ñi qua moät con ñöôøng vaøo baõi ñaäu xe nhö treân hình. Hai chuøm tia saùng ñaët caùch nhau moät khoaûng nhoû hôn chieàu daøi cuûa xe hôi. Caùc caûm bieán X1, X2 cho möùc logic 0 khi chuøm tia saùng khoâng bò caét vaø cho möùc logic 1 khi chuøm tia saùng bò caét vaø ñöôïc ñöa vaøo caùc ngoõ vaøo cuûa maùy traïng thaùi. Giaû söû ñöôøng xe ñi heïp chæ cho pheùp moãi laàn moät xe hôi ñi vaøo hay ñi ra. Heä thoáng coù 2 ngoõ ra: Z1 =1 neáu xe ñi vaøo baõi ñaäu xe vaø ngöôïc laïi Z2 =1 neáu xe ñi ra khoûi baõi ñaäu xe. 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
20 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
2. THÀNH LẬP LƯU ĐỒ ASM (tt) 
Lưu ñoà ASM cho ví dụ 2.3: 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
21 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
3. THÀNH LẬP BẢNG ASM 
Xét lưu đồ ASM sau: 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
22 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
3. THÀNH LẬP BẢNG ASM (tt) 
Các khối ASM và các đường nối: 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
23 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
3. THÀNH LẬP BẢNG ASM (tt) 
Caùc baûng traïng thaùi keá tieáp 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
24 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
3. THÀNH LẬP BẢNG ASM (tt) 
Baûng ñaàu ra traïng thaùi 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
25 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
3. THÀNH LẬP BẢNG ASM (tt) 
Baûng ñaàu ra ñieàu kieän 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
26 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
3. THÀNH LẬP BẢNG ASM (tt) 
Baûng ASM keát hôïp 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
27 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
3. THÀNH LẬP BẢNG ASM (tt) 
Caùc baûng haøm heä thoáng cho ASM 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
28 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
4. LIÊN KẾT CÁC MÁY TRẠNG THÁI 
Tách ASM của một hệ thống lớn thành một số ASM nối với nhau theo một cách nào đó. 
Sự tương tác của hai ASM có thể là nối tiếp hoặc song song. 
Đầu ra của một ASM là đầu vào điều khiển của một ASM khác và ngược lại. 
Lieân keát noái tieáp 2 ASM ñoàng boä 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
29 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
4. LIÊN KẾT CÁC MÁY TRẠNG THÁI (tt) 
Lieân keát noái tieáp coù nhieàu laàn goïi 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
30 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
4. LIÊN KẾT CÁC MÁY TRẠNG THÁI (tt) 
Lieân keát noái tieáp vôùi caùc pheùp goïi loàng nhau 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
31 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
4. LIÊN KẾT CÁC MÁY TRẠNG THÁI (tt) 
Lieân keát song song 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
32 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
Bài tập 
Moät thuaät toaùn maùy 
traïng thaùi ñöôïc xaùc ñònh 
bôûi löu ñoà ASM cho treân 
hình. Veõ moãi khoái ASM 
vaø caùc ñöôøng noái. Xaây 
döïng baûng ASM keát hôïp. 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
33 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
Giải 
Caùc khoái ASM vaø caùc ñöôøng noái 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
34 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
Giải 
Bảng ASM kết hợp 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
35 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
Moät thuaät toaùn maùy 
traïng thaùi ñöôïc xaùc ñònh 
bôûi löu ñoà ASM cho treân 
hình. Veõ moãi khoái ASM 
vaø caùc ñöôøng noái. 
Xaây döïng baûng ASM 
keát hôïp. 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
36 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
5. NÉN BẢNG KARNAUGH 
Coù theå chuyển baûng 
Karnaugh của caùc haøm 
nhieàu bieán thaønh baûng 
nhoû hôn baèng caùch nhaäp 
caùc bieán dö vaøo baûng . 
Ví dụ: Baûng Karnaugh 
3 bieán ñöôïc neùn thaønh daïng 
2 bieán 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
37 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
5. NÉN BẢNG KARNAUGH (tt) 
Ba caùch neùn haøm 3 bieán: 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
38 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
5. NÉN BẢNG KARNAUGH (tt) 
Boán caùch neùn haøm 4 bieán thaønh 3 bieán: 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
39 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
5. NÉN BẢNG KARNAUGH (tt) 
Neùn thaønh baûng 2 bieán: 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
40 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
5. NÉN BẢNG 
KARNAUGH (tt) 
Saùu khaû naêng 
neùn baûng 4 bieán 
thaønh 2 bieán: 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
41 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
5. NÉN BẢNG KARNAUGH (tt) 
AÙp duïng ñeå ruùt ra baûng Karnaugh neùn töø baûng ASM: 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
42 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
5. NÉN BẢNG KARNAUGH (tt) 
AÙp duïng ñeå ruùt ra baûng Karnaugh neùn töø baûng ASM: 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
43 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
5. NÉN BẢNG KARNAUGH (tt) 
Ví duï 2.4 : Ruùt ra baûng Karnaugh cho caùc haøm kích thích öùng vôùi caùc loaïi D-FF, JK-FF vaø SR-FF cho baûng ASM sau: 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
44 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
5. NÉN BẢNG KARNAUGH (tt) 
Ví duï 2.4 : Ruùt ra baûng Karnaugh cho caùc haøm kích thích öùng vôùi caùc loaïi D-FF, JK-FF vaø SR-FF cho baûng ASM sau: 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
45 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
5. NÉN BẢNG KARNAUGH (tt) 
Ví duï 2.4 : (tt) 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
46 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
5. NÉN BẢNG KARNAUGH (tt) 
Ví duï 2.5 : Ruùt ra baûng Karnaugh cho caùc haøm traïng thaùi keá tieáp cho baûng ASM trong hình sau: 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
47 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
5. NÉN BẢNG KARNAUGH (tt) 
Ví duï 2.5 : Ruùt ra baûng Karnaugh cho caùc haøm traïng thaùi keá tieáp cho baûng ASM trong hình sau: 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
48 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
5. NÉN BẢNG KARNAUGH (tt) 
Các bước để rút ra các hàm được biểu diễn bằng phương pháp đưa biến vào bảng Karnaugh: 
Ñaët taát caû caùc bieán dö (hay haøm dö) baèng 0 vaø ñôn giaûn hoùa treân caùc soá 1 coøn laïi treân baûng. 
Phuïc hoài laïi caùc bieán, ñaët caùc soá 1 thaønh don’t care vaø toái thieåu hoùa vôùi moãi bieán hoaëc haøm dö. 
Keát hôïp caùc bieåu thöùc ñöôïc taïo ra ôû böôùc 1 vaø 2 ñeå coù bieåu thöùc hoaøn chænh cuûa haøm. 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
49 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
5. NÉN BẢNG KARNAUGH (tt) 
Ví duï 2.6 : Ruùt ra caùc haøm traïng thaùi keá tieáp cho ví duï 2.4: 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
50 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
5. NÉN BẢNG KARNAUGH (tt) 
Ví duï 2.7 : Ruùt ra caùc haøm ngoõ ra cho ví duï 2.4: 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
51 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
Bài tập 
	Dẫn ra các phương trình trạng thái kế tiếp và phương trình ngõ ra ở dạng tối thiểu dùng phương pháp đưa biến vào bảng Karnaugh cho lưu đồ ASM sau: 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
52 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
6. CÀI ĐẶT ASM 
6.1. Cài đặt bằng cổng rời rạc 
Ví duï 2.8 : Caøi ñaët maïch cho baûng ASM trong ví duï 2.4: 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
53 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
6.2. Cài đặt bằng ULM (Universal Logic Module) 
Kyù hieäu, baûng söï thaät, vaø maïch beân trong cho MUX 2:1 vaø 4:1 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
54 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
6.2. Cài đặt bằng ULM (tt) 
Toång quaùt MUX 2 k :1 coù theå thöïc hieän ñöôïc caùc haøm (k+1) bieán → ñöôïc xem laø ULM k+1 . 
Ví duï 2.9 : Thöïc hieän caùc haøm hai bieán treân MUX 2:1 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
55 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
6.2. Cài đặt bằng ULM (tt) 
Ví duï 2.10 : Söû duïng MUX 4:1 nhö moät ULM 3 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
56 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
6.2. Cài đặt bằng ULM (tt) 
Khai trieån Shannon: 
Coù theå khai trieån tieáp cho caùc bieán X 2 , X 3 ,  
Ví duï 2.11 : Caùc caáu truùc coù theå cuûa ULM 4 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
57 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
6.2. Cài đặt bằng ULM (tt) 
Ví duï 2.12 : Caùc caáu truùc coù theå cuûa ULM 5 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
58 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
6.2. Cài đặt bằng ULM (tt) 
Ví duï 2.13 : Thieát keá ASM cuûa ví duï 2.4 baèng caùc phaàn töû ULM 4 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
59 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
6.2. Cài đặt bằng ULM (tt) 
Ví duï 2.13 : Thieát keá haøm kích thích cuûa ví duï 2.4 duøng JK-FF 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
60 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
6.2. Cài đặt bằng ULM (tt) 
Tröôøng hôïp haøm dö coù nhieàu hôn 1 bieán: 
Ví duï 2.14 : Thieát keá haøm traïng thaùi keá tieáp cho ví duï 2.5 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
61 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
6.2. Cài đặt bằng ULM (tt) 
Daïng toång quaùt cuûa thieát keá ASM duøng ULM: 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
62 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
Bài tập 
Thöïc hieän baûng ASM sau chæ duøng ULM vaø D-FF: 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
63 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành 
Q&A 
Bài giảng môn Kỹ thuật số 2 
64 
Giảng viên: Nguyễn Hữu Chân Thành