Hardware Reference
In-Depth Information
1.6.8 Zusammenfassung und Übungsaufgaben
Eine sequenzielle Schaltung berechnet ihre Ausgabewerte in mehreren Schrit-
ten. Ein universelles Funktionsmodell dafür ist ein Zustandsgraph, der auf
dem Modell des endlichen Automaten basiert und das Verhalten durch Zu-
stände und Zustandsübergänge beschreibt. In der Schaltungsnachbildung des
Automaten werden die Zustände durch ein Zustandsregister, die Abbildung
der Eingabe und des Ist-Zustands auf den Folgezustand durch eine kombina-
torische Schaltung mit der Übergangsfunktion und die Abbildung der Einga-
be und des Zustands auf die Ausgabe durch eine kombinatorische Schaltung
mit der Ausgabefunktion beschrieben. Der Anfangszustand ist der Initialwert
des Zustandsregisters. Die Nachbildung eines Zustandsgraphen in VHDL er-
folgt nach einfachen Schablonen, in der Regel mit Fallunterscheidungen. Die
Übergangsfunktion kann immer mit im Abtastprozess des Zustandsregisters
beschrieben werden. Die Ausgabesignale werden vorzugsweise in einem kom-
binatorischen Prozess oder mit nebenläufigen Signalzuweisungen erzeugt.
Eine sequenzielle Schaltung besitzt in der Regel unzulässige Zustände, die
zwar nicht im normalen Betrieb, aber durch Fehlfunktionen erreicht werden
und zu einem Systemabsturz führen können. Die übliche Fehlerbehandlung
bei einem Systemabsturz ist die Neuinitialisierung, entweder manuell über
eine Reset-Taste oder automatisch mit einem Watchdog.
Zustandsgraphen sind nur für Funktionen mit wenigen zu unterschei-
denden Zuständen und Eingabewerten geeignet. Zielfunktionen mit großen
Zustands- und Eingabemengen lassen sich genau wie ein Programm auf einem
Rechner durch eine Abfolge von Operationen modellieren. Dazu werden Ope-
randen als in Registern gespeicherte Signale und die Operationen als Register-
Transfer-Funktionen definiert. Der Ablauf wird durch einen Operationsablauf-
graphen beschrieben. Allein mit einer Zählfunktion als gesteuerte Operation
lassen sich auf diese Weise recht komplexe Abläufe in einer anschaulichen Form
darstellen und in VHDL beschreiben. In praktischen Entwürfen ist meist vor
dem eigentlichen Automatenentwurf eine Skizze der Gesamtschaltung mit der
Übergangs- und der Ausgabefunktion als Black-Box zu entwerfen. Ein anderer
nützlicher Entwurfszwischenschritt ist die Beschreibung und Simulation der
geplanten Operationsabläufe im Stile eines normalen imperativen Programms
mit Warteanweisungen zum Weiterschalten der Simulationszeit. Weiterfüh-
rende und ergänzende Literatur siehe [14, 24, 33, 36, 41, 45].
Aufgabe 1.20
Gegeben sind die Schaltung und die Zeitverläufe in Abb. 1.82.
a) Bestimmen Sie für alle Werte des Ist-Zustands s
1
s
0
und des Eingabesi-
gnals x den Folgezustand s
1
s
0
und den Ausgabewert y.
b) Zeichnen Sie den Zustandsgraphen des Automaten.
c) Ergänzen Sie die fehlenden Signalverläufe für den Zustand und die Aus-
gabe in Abb. 1.82b.
