Fakultät für Informatik und Automatisierung Institut für Theoretische und Technische Informatik. Praktikumsanleitung

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1 Technische Universität Ilmenau Fakultät für Informatik und Automatisierung Institut für Theoretische und Technische Informatik Praktikumsanleitung Hardwareentwurf der Steuerung einer Fußgängerampel mit Anforderungstasten mit Petri-Netzen (Versuch PN3)

2 Praktikumsanleitung Seite 1 Einführung Dieser Praktikumsversuch soll demonstrieren, wie Petri-Netze als Entwurfsmittel für Hardware-Schaltungen verwendet werden können. Die als Beispiel dienende Steuerung für eine Verkehrsampel wird als synchroner Moore-Automat realisiert. Aus der Sicht des Entwerfers ist ein (in diesem Falle ungefärbtes) Petri-Netz mit w x - und w y -Funktion zu entwerfen und durch Simulation zu testen. Die Überführung in eine Logikschaltung erfolgt nach einem vorbereiteten Algorithmus mit Hilfe eines Übersetzungsprogrammes ( Silicon-Compiler ). Der Versuchsaufbau besteht aus einer elektronischen Schaltung, welche im wesentlichen die Ein- und Ausgabeelemente (Leuchtdioden zur Darstellung der Ampelzustände, Taster) sowie Stromversorgung und Taktgenerator enthält. Der eigentliche Steuerautomat wird durch zwei integrierte Schaltkreise gebildet, die Sie während des Praktikums selbst entwerfen und für die im Versuchsaufbau Steckfassungen vorhanden sind. Bei diesen Schaltkreisen handelt es sich um sogenannte GAL-Bausteine (Generic Array Logic). Das sind fertig verkappte, aber universell verwendbare Logikschaltkreise. Sie enthalten Schaltungen zur Realisierung komplexer kombinatorischer Verknüpfungen mit mehreren Einund Ausgängen und zusätzlich einige Flip-Flops. Die vom Anwender gewünschte Logikfunktion wird mit Hilfe eines Programmiergerätes in den Schaltkreis eingebrannt (und kann auch wieder gelöscht werden). Dadurch kann man sehr schnell und mit geringem Aufwand Spezialschaltkreise für eigene Anwendungen herstellen. Im vorliegenden Fall generiert der oben erwähnte Silicon-Compiler automatisch die Programmierdaten für die GALs aus dem Petri-Netz. Der Anwender selbst kommt nur mit dem Petri-Netz in Berührung. Er muß jedoch einige aus technischen Gegebenheiten resultierende Einschränkungen beachten. 1

3 Praktikumsanleitung Seite 2 Praktikumsversuch Ablauf: * Modellierung von Vorgängen mittels Petri-Netz * Simulative Überprüfung des Verhaltens * Wandlung des PN mittels Silicon-Compiler PNC2JED - in einen getakteten Moore - Automaten - weitere Wandlung in das JEDEC - Format (Programmierdaten für die GALs) * Programmieren der GALs * Überprüfen der Funktion mit einem vorgegebenen Versuchsaufbau Voraussetzungen: * Umgang mit dem Petri-Netz-Tool PENECA (siehe Versuche PN1/2) * Aufbau und Funktion eines Moore - Automaten (siehe Krapp, M.: Digitale Automaten. Verlag Technik Berlin 1988) * Eigenschaften von Petri-Netzen und maximale Schaltregel (siehe Vorlesung) Durchführung: i) Entwerfen Sie zunächst ein einfaches Petri-Netz, welches die an y6 angeschlossene Leuchtdiode (Beschreibung des Versuchsaufbaus siehe Anhang) blinken läßt! Simulieren Sie dieses Netz mittels PENECA, übertragen Sie es in die GALs und testen Sie es mit dem Versuchsaufbau! ii) Modellieren Sie mittels Petri-Netz eine Fußgängerampel (mit Anforderungstasten) für einen Fußgänger-Überweg! Geben Sie dieses Netz in PENECA ein und simulieren Sie es! Übertragen Sie ihre Lösung in die GALs und testen Sie die Funktion mit dem Versuchsaufbau! Hinweise: Es müssen Ausgaben für die Fahrzeug-Ampel (rot, gelb, grün) und für die Fußgänger-Ampel (rot, grün) erzeugt werden. Durch Drücken eines Tasters (Eingang x0) kann der Fußgänger Grün anfordern (im Versuchsaufbau ist nur ein derartiger Taster realisiert). Eine Anzeigelampe Signal kommt bestätigt dem Fußgänger die Registrierung seines Wunsches. Bei ständig betätigter Anforderungstaste soll dennoch eine regelmäßige Fahrzeug-Grünphase gewährleistet sein. Einzelheiten zum Versuchsaufbau finden Sie im Anhang. Die Taktfrequenz ist im Versuchsaufbau einstellbar zwischen 0,5..5Hz. Versuchen Sie die Zeitdauern im Ablauf mit möglichst wenigen Takten darzustellen, damit die Komplexität des entstehenden Automaten nicht die strukturellen Ressourcen der GALs überschreitet. 2

4 Praktikumsanleitung Seite 3 Beispiel für ein Zeitschema: PKW rot : 3 Takte PKW gelb : 1 Takt PKW grün : mindestens 2 Takte Dauer zwischen Signalanforderung und erstem Umschalten : 2 Takte Zusatzaufgaben: Erweitern Sie ihr Petri-Netz (Fußgängerampel) so, daß mittels des zusätzlichen Schalters an x1 ein definiertes Ein- und Ausschalten der Ampelanlage unter Vermeidung verkehrsgefährdender Situationen möglich ist! Einschalten: alles aus => Kfz mehrmals gelb blinken, Fußgänger rot => normaler Betrieb Ausschalten: normaler Betrieb => Kfz mehrmals gelb blinken, Fußgänger rot => alles aus Realisieren Sie weitere Funktionen nach eigenen Ideen (z.b. ständiges Gelb-Blinken, Lampentest-Funktion, DDR-typisches Zeitschema der Fahrzeug-Ampel, Lichtsignal Motor abstellen, usw.). Sie können dabei die als Reserve deklarierten Schalter und Leuchtdioden mit einbeziehen. 3

5 Praktikumsanleitung Seite 4 Anhang 1. Vorschriften für Entwurf der Petri-Netze: Der Compiler PNC2JED wandelt die in PENECA entworfenen Petri-Netze (PNC- Dateien) in boolesche Gleichungen eines getakteten Moore-Automaten und übersetzt diese Gleichungen in das sogenannte JEDEC-Format. Dieses Format kann das Programmiergerät lesen. Beim Entwurf der Netze beachten Sie bitte folgendes: nur PNC-Datei-Version 1.2 verwenden (Menüpunkt Dienste/Version, unbedingt vor der Eingabe des Netzes einstellen!) Transitionen: maximal 255 Plätze: maximal 255 Ausgaben an den Plätzen: im Platzmenü unter Ausgabefunktion eintragen, Bezeichner y0, y1,... y7 verwenden, mehrere Bezeichner durch Leerzeichen trennen (andere Zeichen sind unzulässig), maximal drei Ausgabevariablen pro Platz. externe Bedingungen der Transitionen (Eingangsfunktionen): im Transitionsmenü unter Externe Bedingung eintragen, Bezeichner x0, x1, x2 verwenden. Bei logischen Verknüpfungen unbedingt disjunktive Normalform verwenden. Zulässige Operationszeichen: Negation / UND & ODER v Trennung aller Komponenten durch Leerzeichen! (andere Zeichen sind unzulässig) Beispiel: x1 & / x2 v / x1 & x3 die Zustandszahl des Automaten ist auf 1024 begrenzt, deshalb sind redundante Netzelemente und unnötig hohe Platzkapazitäten zu vermeiden. Die entworfenen Netze müssen konfliktfrei sein (Konfliktlösung durch externe Bedingungen zulässig), sonst kann kein determinierter Automat gebildet werden. WICHTIG: keine Sonderkanten, Unternetze, Zeitbewertungen, Wahrscheinlichkeiten oder Prioritäten verwenden!!! Beim Simulieren maximale Schaltregel und manuelle Konfliktlösung verwenden, letztere imitiert die externen Bedingungen. Speichern des Netzes nicht vergessen! 4

6 Praktikumsanleitung Seite 5 Beschreibung des Versuchsaufbaus: Der Versuchsaufbau besitzt eine Ansichtsfläche mit einem stilisierten Fußgängerüberweg mit Fahrzeug- und Fußgängerampeln in Form farbiger Leuchtdioden. Zwei kleinere Leuchtdioden repräsentieren die Anzeige Signal kommt. Leuchtdioden gleicher Bedeutung werden stets gemeinsam angesteuert. Außerhalb der Ansichtsfläche existieren zwei weitere Leuchtdioden für zusätzliche Anzeigen. Alle genannten Leuchtdioden werden über Ausgänge des Automaten angesteuert. Drei Tastschalter repräsentieren die Eingangssignale des Automaten. Ein zusätzlicher RESET-Taster bringt den Automaten in den Grundzustand. Der Automat selbst wird über zwei GAL-Bausteine des Typs 22V10 realisiert, die in die vorhandenen Fassungen gesteckt werden. Einer der Bausteine enthält die Zustandsüberführungsfunktion δ und die Zustandsspeicher, der andere die Ausgabefunktion µ. Weiterhin ist eine Stromversorgungsschaltung und ein einstellbarer Taktgenerator vorhanden. Die Ein- und Ausgänge des Automaten sind wie folgt zugeordnet: 3 Eingangsvariablen (externe Bedingungen): x0 Signal anfordern x1 Reserve x2 Reserve 8 Ausgangsvariablen: y0 Fußgänger rot y1 Fußgänger grün y2 Kfz rot y3 Kfz gelb y4 Kfz grün y5 Signal kommt y6 Reserve y7 Reserve 5

7 Praktikumsanleitung Seite 6 Bedienung des Compilers PNC2JED Der Compiler ist ein DOS-Programm, wobei die Eingabe, ähnlich einem einfachen DOS- Befehl, als Komandozeilenvariante gestaltet ist. Bei der Versuchsdurchführung übersetzt er ein in PENECA als PNC-Datei abgespeichertes Petri-Netz in JEDEC-Daten zur GAL- Programmierung. Das Programm nutzt das DOS-Protected-Mode-Interface (DPMI). Dazu müssen die Dateien RTM.EXE und DPMI16BI.OVL im gleichen Verzeichnis wie der Compiler stehen oder über eine DOS-Pfadangabe zu finden sein. Den Verzeichnisnamen teilt Ihnen der Praktikumsbetreuer mit. Aus dem Petrinetz entstehen zwei JEDEC-Dateien: * DELTA.JED für die Zustandsüberführungsfunktion δ (für ersten GAL), * MUE.JED für die Ausgabefunktion µ (für zweiten GAL). Kommandozeile: pnc2jed.exe /p:dateiname [/r:dateiname] [/d:dateiname] [/m:dateiname] [/a:gal-typ] [/h] Parameter: p Name der PNC-Datei (! IMMER! ) r Name der Report-Datei ( optional, bei Nichtangabe keine Reporterzeugung ) d Name der Datei für Zustandsüberführungsfunktion ( optional, bei Nichtangabe Generierung der Datei DELTA.JED im aktuellen Verzeichnis ) m Name der Datei für Ausgabefunktion (optional, bei Nichtangabe Generierung der Datei MUE.JED im aktuellen Verzeichnis ) a Angabe des für die Ausgabefunktion zu verwendenden GAL-Typs (optional, Standard ist GAL22V10 ) h Hilfetext ausgeben 6

8 Praktikumsanleitung Seite 7 Die Fehlermeldungen des Compilers: 0 kein Fehler Pascal-Fehlermeldungen 255 Dynamischer Konflikt zwischen den Transitionen (Angabe der Transitionen wie in PENECA) 254 Überschreitung der maximalen Zustandszahl von Überschreitung der maximalen Platzanzahl von Überschreitung der maximalen Transitionsanzahl von Überschreitung der maximalen Anzahl externer Bedingungen von Datei existiert nicht 249 keine PNC-Datei 248 falsche PENECA-Datei-Version 247 Unzulässige Verwendung von Unternetzen 246 Dateiname der PNC-Datei fehlt 245 syntaktischer Fehler in Ausgabefunktion eines Platzes 244 syntaktischer Fehler in externen Bedingungen einer Transition 243 entstandene Zustandsvariablengleichungen passen nicht in GAL 242 entstandene Ausgabevariablengleichungen passen nicht in GAL Bei Fehlermeldungen des Compilers müssen Sie den Fehler analysieren und beheben. Nach erfolgreichem Compilerlauf kopieren Sie die Dateien DELTA.JED und MUE.JED auf eine Diskette und melden sich beim Praktikumsbetreuer. Dieser programmiert die GALs und weist Sie in den Versuchsaufbau ein. Arbeitsweise des Compilers: Für das Petri-Netz wird der vollständige Erreichbarkeitsgraph berechnet. Dieser wird zum Automatengraphen eines Moore-Automaten ergänzt. Aus der Anzahl der Zustände ergibt sich die notwendige Anzahl von Zustandsvariablen (max. 10). Mit den Zustandsvariablen wird eine Zustandskodierung festgelegt. Dann werden die logischen Gleichungen für δ und µ aufgestellt (entsprechend einer D-Flipflop-Realisierung). Die Gleichungen werden nach dem Verfahren von Quine-McClusky minimiert. Das Ergebnis wird im JEDEC-Dateiformat kodiert, so daß die Funktion der damit zu programmierenden GALs den berechneten logischen Gleichungen entspricht. 7

9 Praktikumsanleitung Seite 8 Takt GAL 1 GAL 2 δ µ y7 y6 RESET x0 Anford. x1 x2 Bild 1: Versuchsaufbau Zustandsüberführungsfunktion Zustandsspeicher Ausgabefunktion 3 x Taster 10 x D-FF x0, x1, x2 y0... y7 3 D 10 Q δ µ C R 8 x LED 10 z0... z9 GAL 1 GAL 2 Takt Reset Bild 2: Prinzipschaltung 8

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