Вопрос 35

Программная реализация дискретных устройств с памятью

Как известно, дискретное устройство с памятью может быть описано с помощью набора логических функций, графов состояний устройства или таблиц переходов и выходов. В соответствии с этим, возможны различные способы программной реализации этих устройств. Рассмотрим два из них на конкретном примере.

Рис.4. Схема маршрутных реле

На рис. 4 показана принципиальная схема маршрутных реле электрической централизации стрелок и сигналов для станции, расположенной на двухпутном участке. В исходном состоянии оба маршрутных реле возбуждены, при занятии участка приближения и открытом светофоре реле обесточиваются, после освобождения участка приближения возбудится реле 1М, освобождение стрелочной секции и занятие приемоотправочного пути приведёт к включению реле 2М (искусственное размыкание маршрута не показано).

Функции алгебры логики, описывающие работу этого устройства, представляют собой описание цепей возбуждения и самоблокировки каждого элемента памяти. Программа должна предусматривать поочерёдное решение этих ФАЛ.

Обратите внимание на то, что реле Ч1М возбуждается и через контакт реле Ч2М. Эта цепь необходима для его возбуждения при искусственном размыкании маршрута (на схеме не показано).

Рис.5. Алгоритм вычислений ФАЛ, описывающих

работу элементов памяти дискретного устройства с памятью

Вычисление приведённых выше функций алгебры логики может быть выполнено любым из рассмотренных ранее способов.

К решению поставленной задачи можно подойти и другим путём, а именно:

- определить число состояний дискретного устройства;

- для каждого состояния составить программу, предусматривающую формирование и вывод выходного слова;

- считать входные величины и проконтролировать выполнение условий перехода в другие состояния.

Работа схемы маршрутных реле может быть продемонстрирована графом, изображённым на рис.6.

Устройство может находиться в одном из трёх устойчивых состояний:

0 – маршрут разомкнут, условие перехода в первое состояние не выполнено

- 1 – маршрут замкнут, условие перехода во второе состояние не выполнено

- 2 – маршрут замкнут, поезд освободил участок приближения. Из этого состояния устройство может перейти в нулевое состояние, если поезд освободит горловину и займёт приёмоотправочный путь, или в первое состояние при освобождении горловины, повторном открытии светофора и вступлении поезда на предмаршрутный участок (такая ситуация может сложиться, если сигнал перекроется из-за шунтирования рельсовой цепи стрелочной секции).

Условие перехода в нулевое и первое состояния соответственно:

Укрупнённый алгоритм программы реализации этого устройства изображён на рис.7. Как следует из этого рисунка, программа состоит из блоков, решающих функции алгебры логики работы устройства в устойчивых состояниях, и переходы от одного блока к другому осуществляются с помощью операторов условных переходов. Функции алгебры логики, описывающие функционирование устройства в устойчивых состояниях, предусматривают формирование и вывод выходных слов, считывание и анализ переменных, входящих в функцию алгебры логики, определяющую условия перехода в другие состояния.

Рассматриваемое дискретное устройство с памятью является автоматом Мура, поэтому выходное слово зависит только от внутреннего состояния и не зависит от входных сигналов. Последние используются только для переключения внутреннего состояния автомата.

Достоинством данного способа программной реализации является его наглядность, простота составления блок-схемы программы, высокое быстродействие. Последнее качество определяется быстротой анализа входных переменных, особенно если их сделать методом бинарных программ. К достоинствам следует также отнести то, что не требуется вводить и хранить какие-либо данные и константы. Недостатком подобных программ можно считать их сложность при большом количестве внутренних состояний автомата. Данная программа является компиляционной.

При использовании интерпретирующего метода таблицы переходов и выходов хранятся в памяти ЭВМ, а программа предусматривает поиск и считывание соответствующих строк этих таблиц. Программа, показанная на рис. 6, состоит из трёх подпрограмм: формирования и кодирования входного слова, изменения внутреннего состояния автомата и формирования и вывода выходного слова.

Ввод исходных данных предусматривает ввод следующих таблиц: кодирования входных слов, переходов и выходных слов. Кроме того, необходимо ввести количество входных слов в таблице кодирования и число разрядов, необходимых для нумерации входных слов (n ³.log N, n – число разрядов, N –число слов входного алфавита).

Рис.6. Алгоритм интерпретирующей программы

Подпрограмма ПП1 включается в программу в том случае, если не все комбинации входных величин используются при нормальной работе устройства. Например, в нашем случае открытое состояние входного светофора при обесточенных рельсовых цепях может длиться только на время замедления этого реле. Если этим состоянием пренебречь, то подобное входное слово можно исключить из списка разрешенных входных слов.

Для сокращения таблицы кодирования входных слов в неё можно поместить только слова, подача которых приведёт к изменению внутреннего состояния дискретного устройства. В этом случае любое другое слово, не содержащееся в таблице, должно означать сохранение достигнутого состояния.

Кодирование входного слова представлено в табл. 5.

Таблица 5

Кодирование входного алфавита

Для перехода устройства во второе состояние предусмотрено два слова: Tab.+1 и Tab.+2. Связано это с тем, что состав может быть длинным или коротким (в первом случае в момент освобождения участка приближения голова поезда уже будет находиться на приемоотправочном пути).

Суть подпрограммы формирования входного слова будет состоять в следующем:

- необходимо считать входные величины и полученные данные сравнить со строками табл. 5;

- если такого слова в таблице нет, то состояние дискретного устройства не изменяется, необходимо возвратиться к началу программы;

- при обнаружении слова, совпадающего с одной из строк таблицы, предусматривается переход к подпрограмме изменения входного состояния дискретного устройства. При этом номер строки таблицы является номером входного набора.

-

Таблица 6

Таблица переходов

Примечание. Разряды D₇..D₂ номера нового состояния равны нулю.

Подпрограмма ПП 2 предусматривает поиск строки таблицы переходов, в которой указывается новое состояние дискретного устройства. Для рассматриваемого примера таблица переходов представлена в табл. 6.

Формирование адреса таблицы переходов заключается в следующем:

- номер текущего состояния дискретного устройства сдвигается влево столько раз, сколько разрядов имеет номер входного слова. Полученный результат складывается с адресом начала таблицы переходов;

- к полученному в предыдущем действии адресу необходимо прибавить номер входного слова. По этому адресу и будет находиться запись нового состояния дискретного устройства.

где s – номер текущего внутреннего состояния дискретного

устройства, N (w) – номер входного слова, n – число разрядов двоичного номера входного слова.

Подпрограмма ПП 3 формирует и выводит выходное слово. Поскольку рассматриваемый автомат является автоматом Мура, выходное слово зависит только от его текущего состояния. Таблица выходов приведена ниже.

Таблица 7

Таблица выходов

Примечание. Разряды D₇..D₂ выходного слова равны нулю.

Адрес строки таблицы выходов равен:

Адр.= Tab.2 + s,

где s – номер текущего внутреннего состояния дискретного устройства.