INTRODUZIONE ALLE MACCHINE A STATI

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1 Architettura degli Elaboratori I INTRODUZIONE ALLE MACCHINE A STATI Filippo Mantovani Corso di Laurea in Informatica Università degli Studi di Ferrara Ferrara, 08 Maggio 2008

2 Tante parti, un unico scopo... LOGICA COMBINATORIA (l'algebra di Boole, le tabelle di verità) TEMPO (CLOCK) LOGICA SEQUENZIALE (elementi che MEMORIZZANO informazioni) SCOPO: Scoprire come si costruiscono macchine che possano pilotare/controllare i dati (le istruzioni) che circolano all'interno di un calcolatore. Mantovani Filippo, 08/05/

3 Macchina a stati: Una MACCHINA A STATI (o FSM) e' composta da: 1 elemento di memoria (a n-bit) che contiene lo stato attuale; 1 funzione che determina il prossimo stato sulla base dello stato corrente e di alcuni input; 1 funzione che determina gli output in base allo stato corrente e agli input. Mantovani Filippo, 08/05/

4 Rappresentazione di FSM...Quindi una macchina a stati può essere vista a sua volta come una funzione logica composta da più funzioni. DOMANDA: RISPOSTA: In quanto funzione logica può avere una tabella di verità? NO, perché e' composta da una funzione sequenziale e la sua rappresentazione in termini di porte logiche richiederebbe dei CICLI. PROBLEMA: Come rappresentiamo/studiamo quindi una funzione logica che implementa una macchina a stati? Mantovani Filippo, 08/05/

5 Il distributore di bevande Supponiamo di voler formalizzare il funzionamento di un distributore di bevande mediante una macchina a stati. Supponiamo che il distributore: 1) distribuisca solo bevande del valore di 2 ; 2) accetti solo monete da 2, 1 e 50 cent; 3) non dia il resto ma accumuli eventuale credito residuo per l'utente successivo. Mantovani Filippo, 08/05/

6 Il distributore di bevande Gli stati sono 4: S0: il credito accumulato e' 0 o 2 ; S1: il credito accumulato e' 0.5 ; S2: il credito accumulato e' 1 ; S3: il credito accumulato e' 1.5 ; Il segnale di controllo e' 1: M: l'importo della moneta inserita (avra' quindi valori 0, 0.5, 1, 2). Mantovani Filippo, 08/05/

7 Diagramma a bolle REGOLE di COMPILAZIONE di UN BUON DIAGRAMMA A BOLLE: Ogni stato viene rappresentato con una bolla. Da ogni bolla devono uscire le frecce rappresentanti i controlli che influenzano la transizione di stato. Ogni freccia (transizione di stato) e' sempre associata a una label (etichetta col nome del controllo che fa transire lo stato) e deve essere sempre e solo MONODIREZIONALE. Non ci sono limiti grafici, ma il grafico non deve lasciare ambiguità e deve essere ASSOLUTAMENTE coerente con la descrizione della macchina!!! Mantovani Filippo, 08/05/

8 Esercizio Compilare il diagramma a bolle per la macchina a stati che descrive il funzionamento del distributore appena visto... Mantovani Filippo, 08/05/

9 Tabella di transizione: REGOLE di COMPILAZIONE di UNA BUONA TABELLA DI TRANSIZIONE: Ogni tabella deve riportare come colonne i segnali di controllo, lo stato attuale e lo stato prossimo. Le righe della tabella devono essere tante quante sono necessarie per rendere esaustivo il trattamento di tutte le possibili transizioni di stato. NB: il numero di righe R e' dato da: dove s e' il numero di stati, c il numero di controlli e n e' il numero di valori che può assumere ciascun controllo. E' possibile utilizzare shortcut, ma la tabella non deve lasciare ambiguità!!! c R=s i=1 n i Mantovani Filippo, 08/05/

10 Esercizio Compilare la tabella di transizione della macchina a stati che descrive il comportamento del distributore appena visto... Mantovani Filippo, 08/05/

11 Esercizio Qual e' il numero minimo di registri a 1 bit che servono per memorizzare lo stato di una macchina a stati con 18 stati? Mantovani Filippo, 08/05/

12 Cosa abbiamo imparato? Mediante l'uso della logica combinatoria, della logica sequenziale e del concetto di clock riusciamo a creare/descrivere sistemi sincroni che evolvono su stati noti reagendo a determinati input (MACCHINE A STATI o FSM). Conosciamo due modi per studiare/descrivere macchine e stati finiti: le tabelle di transizione e i diagrammi a bolle. Mantovani Filippo, 08/05/

13 Perché tutto questo? Poiché l'architettura di un tipico calcolatore può essere schematizzata come segue: Il control-path di ogni processore (e quindi anche del MIPS) e' gestito da macchine a stati... Mantovani Filippo, 08/05/

14 Perché tutto questo? Mantovani Filippo, 08/05/

15 Domande... Mantovani Filippo, 08/05/

16 Make your choice! Mantovani Filippo, 08/05/