Übung 7: VHDL Automaten

Transkript

1 Übung 7: VHDL Automaten Aufgabe 1 Zustandsdiagramm Erkennen. (a) Analysieren Sie den unteren Code und zeichnen Sie die entsprechenden Zustands- und RTL- Diagramme. (b) Identifizieren Sie den getakteten und den kombinatorischen Prozess und bestimmen Sie die erwartete Anzahl von FFs. library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; ENTITY eth_fsm_3proc is port ( clk : IN std_logic; reset, d, n : IN std_logic; Z : OUT std_logic); end eth_fsm_3proc; ARCHITECTURE synth OF eth_fsm_3proc IS type t_state IS (s_e1, s_e2, s_e3); signal s_state : t_state; signal s_nextstate : t_state; BEGIN fsm_steuer: PROCESS (s_state, d, n) begin -- Default Statement s_nextstate <= s_state; case s_state is when s_e1 => if (d = '1') then s_nextstate <= s_e3; elsif (n = '1') then s_nextstate <= s_e2; when s_e2 => if (d = '1') then s_nextstate <= s_e1; elsif (n = '1') then s_nextstate <= s_e3; when s_e3 => if (d = '1') then s_nextstate <= s_e2; elsif (n = '1') then s_nextstate <= s_e1; when others => s_nextstate <= s_e1; end case; end process fsm_steuer; fsm_ausgang: PROCESS (s_state, d, n) BEGIN -- Default Statement Z <= '0'; case s_state is when s_e2 => if (d = '1') then z <= '1'; when s_e3 => if (d = '1') then z <= '1'; elsif (n = '1') then z <= '1'; when others => Z <= '0'; end case; end process fsm_ausgang; process (clk, reset) begin if (reset = '1') then s_state <= s_e1; elsif (clk'event and clk = '1') then s_state <= s_nextstate; end process; end synth; Quelle: Seite 1/11

2 Aufgabe 2 Aufzugssteuerung. Entwerfen Sie eine Aufzugssteuerung für einen Aufzug, der zwischen dem Keller und Erdgeschoss hin und her pendelt. Drückt man auf eine der Aufzugs Ruf Tasten (RUFE im Erdgeschoss oder RUFK im Keller), speichert der Automat zunächst die gewünschte Funktion. Sofern beide Türen geschlossen sind, Türkontakte TKE (Erdgeschoss) und TKK (Keller) inaktiv. werden beide Türen verriegelt (Magnet VRE und VRK aktiv) und der Aufzugsmotor setzt sich in Bewegung. Hinweis: Signal TKE und TKK können sie verodern, da immer erst beide Türen geschlossen sein müssen damit der Aufzug anfahren darf. In der Kabine befindet sich ein Kontakt (KK) der, sobald der Aufzug in einem der beiden Stockwerke ankommt, betätigt wird. In diesem Fall stellt der Motor ab und die entsprechende Türe wird entriegelt. Beachten Sie, dass sich nur die Türe entriegeln darf, die sich im gleichen Stockwerk wie die Aufzugskabine befindet. M MAB MAUF VRE RUFE 5V 5V KK TKE VRK RUFK 5V TKK Die Eingangs- und Ausgangssignale sind folgender masse definiert: RUFE Eingang RUFE = 1:Benutzer möchte in das Erdgeschoss RUFK Eingang RUFK = 1:Benutzer möchte in den Keller KK Eingang KK = 1: Der Aufzug befindet sich in einem der Stockwerke TKE Eingang TKE = 1: Türe im Erdgeschoss ist geöffnet TKK Eingang TKK = 1: Türe im Keller ist geöffnet MAB Ausgang MAB = 1: Motor dreht in Abwärtsrichtung MAUF Ausgang MAUF = 1: Motor dreht in Aufwärtsrichtung VRK Ausgang VRK = 1: Verriegelung Keller VRE Ausgang VRE = 1: Verriegelung Erdgeschoss Seite 2/11

3 Erde 000 Fahrte 110 Speicherk 001 Speichere 101 Fahrtk 010 Keller 100 Die Zustände bedeuten: Erde: Der Aufzug befindet sich im Ruhezustand im Erdgeschoss. Keller: Der Aufzug befindet sich im Ruhezustand im Keller. Speicherk: Nachdem jemand den Rufknopf im Keller gedrückt hat. Speichere: Nachdem jemand den Rufknopf im Erdgeschoss gedrückt hat. Fahrte: Der Aufzug fährt vom Keller zum Erdgeschoss. Fahrtk: Der Aufzug fährt vom Erdgeschoss zum Keller a) Zeichnen Sie das Block Diagramm des Automaten mit allen Signal Ein- Ausgängen, FlipFlops, und Steuer- und Ausgangslogik. b) Vervollständigen Sie das Zustandsdiagram. c) Zeichnen Sie eine Zustandstabelle mit den Ansteuerungsgleichungen der D-FFs der FSM welche alle Eingänge, Ausgänge, aktuelle Zustände und Folgezustände zeigt. Für Eingänge die irrelevant sind dürfen Sie don t cares benutzen. d) Wie verfahren sie mit einem Zustand, der nicht im Automaten definiert ist? Addieren Sie dies wenn nötig zu Ihrer Zustandstabelle und dem Zustandsdiagram. e) Wenn der Strom ausfällt während der Aufzug in Benutzung ist, werden alle Zustände des Automaten gelöscht. Schlagen Sie eine Lösung vor, so dass der Aufzug nach einem Stromausfall wieder in einen der Ausgangszustände Erde oder Keller fährt. Tragen Sie diese Lösung in Ihr Zustandsdiagram ein. f) Wie könne Sie die Anzahl der Zustände reduzieren, wenn Sie einen Mealy Automaten einsetzen. Zeichnen Sie das Zustandsdiagram und die Zustandstabelle der Aufzugsteuerung als Mealy Automat mit allen Übergangsbedingungen, Ein- und Ausgangszuständen. Sie dürfen don t cares benutzen. Seite 3/11

4 Aufgabe 3 Steuerung eines Getränkeautomaten. Die Lichtschranke im Geldeinwurf eines Getränkeautomaten erkennt 1 Franken Münzen und erzeugt pro Frankenstück einen Signalimpuls genannt Franken. Die Münzen werden nach Einwurf zunächst in einer Halteröhre gehalten. Nachdem 2 x 1 Franken eingeworfen wurden, wird automatisch ein Getränk ausgegeben. Die Ausgabe des Getränks erfolgt durch eine elektromagnetisch betätigte Klappe, die durch ein Signal Getränkeausgabe angesteuert wird. Gleichzeitig wird durch einen elektromagnetischen Schieber, der durch das Signal Kassieren aktiviert wird, das Geld vom Halteschlitz in einen Sammelbehälter befördert. Durch Drücken der Taste Geldrückgabe wird ein vorher eingeworfenes Frankenstück vor der Ausgabe des Getränkes wieder zurückgegeben. Dieser Elektromagnet wird mit Signal Geldauswurf betätigt. Befinden sich keine Getränke mehr im Automaten mehr, was durch Leer signalisiert wird, wird Signal Geldauswurf bei jedem Münzeinwurf sofort aktiviert. Alle Eingangsund Ausgangssignale sind High-Aktiv und werden mit der Breite eines Taktsignales aktiviert. (a) Zeichnen Sie das RTL Diagramm eines Automaten nach Moore mit den oben beschriebenen Signalen. (b) Zeichnen sie ein sauber lesbares Zustandsdiagramm für a) mit allen Zuständen, Übergangsbedingungen und Zustandscodierungen. (c) Bei einem Automaten nach Medvedev wird jedes Ausgangssignal direkt von einem Zustands- Flip-Flop angesteuert; ohne Ausgangslogik. Ändern sie den Automaten nach Medvedev und bestimmen sie die neue Zustandskodierung. Zeichnen sie ein neues RTL Diagramm mit allen Signalen und ein neues Zustandsdiagramm mit allen Zuständen, Übergangsbedingungen und Zustandscodierungen. Seite 4/11

5 Musterlösung Aufgabe 1 (a)!d & n d d reset z s_e1 <= 0 s_e3 z <= d # n s_e1!d &!n s_e3!d &!n s_e2 s_e2 Z <= d!d &!n!d & n!d & n d (b) n s_nextstate clk d n Steuer Logik D Q!Q 2 D-FF s_state Ausgangs Logik z reset Seite 5/11

6 Aufgabe 2 (a) (b) RufK = 0 Reset KK = 1 Erde 000 RufK = 1 KK = 0 VRE <= 0 MAUF <= 0 TKE = 1 oder TKK = 1 FahrtE 110 MAUF <= 1 VRK <= 1 SpeicherK 001 TKE = 0 und TKK = 0 TKE = 0 und TKK = 0 SpeicherE 101 VRE <= 1 MAB <= 1 FahrtK 010 TKE = 1 oder TKK = 1 VRK <= 0 MAB <= 0 KK = 0 RufE = 1 Keller 100 KK = 1 RufE = 0 Seite 6/11

7 Aufgabe 2 ( c & d & e ) Zustandstabelle für Mooreautomat Eingänge Gegenwärtiger Zustand Ausgänge RUFE RUFK KK TKE # TKK Q2 Q1 Q0 Q2 Q1 Q0 x 0 x x x 1 x x s_erde x x x x x x 0 s_speicherk x x 0 x x x 1 x s_fahrtk x x x x x x s_keller x x x x x x 0 s_speichere x x 0 x x x 1 x s_fahrte x x x x Undefinierter Zustand x x x Ausgangstabelle für Mooreautomat Q2 Q1 Q0 MAB MAUF VRK VRE s_erde s_speiecherk s_fahrtk undefiniert s_keller s_speichere s_fahrt_e undefiniert Seite 7/11

8 Aufgabe 2 ( c & d) )Ansteuerungsgleichungen fsm_steuer: PROCESS (s_state,rufe, rufk, kk, tke, tkk ) begin case s_state is when s_erde => if (rufk = '1') then s_nextstate <= s_speicherk; s_nextstate <= s_erde; when s_speicherk => if ((tke = '1') or (tkk = '1')) then s_nextstate <= s_fahrtk; s_nextstate <= s_speicherk; when s_fahrtk => if (kk = '1') then s_nextstate <= s_keller; s_nextstate <= s_fahrtk; when s_keller => if (rufe = '1') then s_nextstate <= s_speichere; s_nextstate <= s_keller; when s_speichere => if (tke = '1')or (tkk = '1') then s_nextstate <= s_fahrtk; s_nextstate <= s_speicherk; when s_fahrte => if (kk = '1') then s_nextstate <= s_erde; s_nextstate <= s_fahrte; when others => s_nextstate <= s_fahrte; end case; end process fsm_steuer; Aufgabe 2 (e) Wenn der Strom wiederkommt, muss man sicherstellen, dass der Aufzug wieder in einer der Stockwerke zurückfährt, falls sich der Stromausfall während der Fahrt ereignet hat. Am besten geht man in den Zustand Fahrte. Dann fährt der Aufzug wieder ins Erdgeschoss zurück. Seite 8/11

9 Aufgabe 2 (f) RufK = 0 KK = 1 Erde 00 RufK = 1 VRE <= 0 MAUF <= 0 Reset KK = 0 SpeicherE 11 IF TKE = 0 und TKK = 0 ELSE MAUF <= 1 VRK <= 1 MAUF <= 0 VRK <= 0 IF TKE = 0 und TKK = 0 VRE <= 1 MAB <= 1 ELSE VRE <= 0 MAB <= 0 SpeicherK 01 KK = 0 VRK <= 0 MAB <= 0 RufE = 1 Keller 10 KK = 1 RufE = 0 TKE = 0 und TKK = 0 Aufgabe 2 (f) Zustandstabelle des Mealy Automaten Eingänge Gegenw. Zustand Folgezustand RUFE RUFK KK TKE # TKK Q1 Q0 Q1 Q0 erde x 0 x x x 1 x x speicherk x x 0 x x x 1 x keller 0 x x x x x x speichere x x 0 x x x 1 x Ausgangstabelle des Mealy Automaten Eingänge Ausgänge TK Q1 Q0 MAB MAUF VRK VRE erde x speicherk keller x speichere Seite 9/11

10 Aufgabe 3 (a) Steuerlogik Ausgangslogik (b)! Franken Getränkeausgabe Idle 00 Leer & Franken Franken &!leer!geldrückgabe &!Franken Franken 1 Franken 01 Geldrückgabe &!Franken Ausgabe Geldausw Seite 10/11

11 Aufgabe 1 (c) 000 Geldauswur Kassieren/ Getränkeausgab Seite 11/11