Проектирование цифрового устройства - Курсовая работа

В них состояние выходных сигналов однозначно определяется только действующей в настоящий момент времени комбинацией входных сигналов и не зависит от значений переменных, действовавших на входах ранее. Выходные сигналы определяются не только действующей в настоящий момент времени комбинацией входных сигналов, но и предыдущим состоянием устройства, зависимым от входных переменных, действовавших на входах ранее. Цифровые (дискретные) автоматы (ЦА) - это логические устройства, предназначенные для приема, хранения и преобразования цифровой информации по некоторому алгоритму, способные переходить под действием входных сигналов из одного состояния в другое и выдавать выходные сигналы. Каждое внутреннее состояние цифрового автомата определяется исходным состоянием триггеров и последовательностью входных сигналов, действующих на входе в данный момент времени, поэтому такие устройства последовательного типа. В общем случае структурная схема цифрового автомата может быть представлена в виде набора трех узлов - комбинационной схемы формирования выходных сигналов, комбинационной схемы формирования сигналов управления триггерами и, собственно, памяти (рис.Процессорное устройство (как и всякое сложное цифровое устройство) синтезируется в виде соединения двух устройств: операционного и управляющего (рис.2). Операционное устройство - устройство, в котором выполняются операции. Управляющее устройство координирует действия узлов операционного устройства; оно вырабатывает в оперативной временной последовательности управляющие сигналы, под действием которых в узлах операционного устройства выполняются требуемые действия. При использовании принципа схемной логики, в процессе проектирования подбирается некоторый набор цифровых микросхем (обычно малой и средней степени интеграции) и определяется такая схема соединений их выводов, которая обеспечивает требуемое функционирование (т.е. функционирование процессорного устройства определяется тем, какие выбраны микросхемы и по какой схеме выполнено соединение их выводов). Устройства, построенные по такому принципу, способны обеспечивать наивысшее быстродействие при заданном типе технологии элементов.На основании заданного алгоритма приведенного на рисунке 5 и соображений изложенных в разделе 1.2 составим структурную схему ЦУ (см. рисунок 6). На блок-схеме алгоритма проставляем устойчивое состояние от а0 до а5, которое он принимает после исполнения каждой микрокоманды со своими микрооперациями от y1 до y6. Таким образом, строим структурную схему ЦУ который имеет вид: Рисунок 6. Этот регистр фиксирует состояние цифрового устройства после исполнения каждой микрокоманды, также он формирует сигналы исполнения микроопераций от y1 до y6 поступающих в арифметическо-логическое устройство (АЛУ). Для удобства анализа работы проектируемого цифрового устройства по заданному алгоритму функционирования строим граф, который обеспечивает хорошую наглядность в отличие от блок-схемы алгоритма.Каждому текущему устойчивому ЦУ присваивается соответствующая двоичная кодовая комбинация. Число разрядов этой комбинации определяется из соотношения, где М-количество состояний цифрового автомата, n - минимальное число разрядов двоичного кода, необходимо для обеспечения М кодовых комбинаций. Таким образом, состояния ЦА будут отображаться трехразрядными кодовыми комбинациями. Соответствие состояний ЦУ кодовым комбинациям указывается в таблице кодов состояний (таб. Для обеспечения требуемого типа переходов схема управления (комбинационный узел) должна обеспечивать подачу на входы D, до прихода синхросигналов на входы С, соответствующие уровни сигналов задаваемые таблицей переходов для D-триггеров (табл.2).При составлении логических уравнений для всех выходов КУ необходимо попытаться упростить полученные выражения, используя законы алгебры-логики, в частности закон склеивания, имеющий вид типа: . Таким образом, согласно уравнений потребуется реализовать прямые значения состояний, это потребует введение в схему инверторов в количестве равному числу состояний. Для уменьшения количества линий связи используют шинную организацию на основе, которой проставляются номера проводов кроме нулевого, начиная с первого. На сходы С триггеров Т1,Т2,Т3 подаются синхроимпульса от внешнего генератора которые определяют моменты перехода ЦУ из одного состояния в другое. Через контакты 1,2,3 из ОЗУ (АЛУ) поступают сигналы и через разъемы X2 контакта с 1 по 6-ой поступают сигналы исполнения микроопераций в АЛУДля проверки работоспособности схемы необходимо для заданного перехода (смотри пункт 4.3.) из в при =0 .При этом необходимо следить за тем, чтобы не было эффекта гонок.В синхронных конечных автоматах моменты времени, в которые автомат считывает входные сигналы, определяются принудительно синхронизирующими сигналами.

Содержание

Введение

1. Способы построения процессорных устройств

1.1 ПУ со схемной логикой

1.2 ПУ с программируемой логикой

1.3 Факторы, влияющие на работоспособность ЦУ

1.4 Риски, возникающие в процессе работы ЦУ. Способы исключения сбоев в работе ЦУ

2. Расчетная часть

2.1 Разработка структурной схемы цифрового устройства

2.2 Построение графа функционирования ЦУ

2.3 Кодирование состояний

2.4 Состав таблицы функционирования ЦУ

2.5 Определение функций управления триггерами и функций выходов комбинационного узла

2.6 Разработка принципиальной электрической схемы ЦУ

2.7 Расчет периода следования тактовых импульсов и тактовой частоты

Заключение

Литература

Цифровое устройство - техническое устройство или приспособление, предназначенное для получения и обработки информации в цифровой форме, используя цифровые технологии.

Цифровые устройства делятся на 3 основных вида: 1) По способу ввода и вывода

· последовательные устройства (последовательно разряд за разрядом);

· параллельные (информация снимается одновременно по всем разрядам);

· последовательно-паралельные устройства.

2) По принципу действия

· Комбинационные устройства (автоматы без памяти). В них состояние выходных сигналов однозначно определяется только действующей в настоящий момент времени комбинацией входных сигналов и не зависит от значений переменных, действовавших на входах ранее. К таким устройствам относятся кодеры, декодеры, мультиплексоры, демультиплексоры, сумматоры, компараторы.

3) Последовательные или автоматы с памятью. Выходные сигналы определяются не только действующей в настоящий момент времени комбинацией входных сигналов, но и предыдущим состоянием устройства, зависимым от входных переменных, действовавших на входах ранее. К ним относятся триггеры и все устройства, построенные на триггерах: регистры, счетчики, ОЗУ, ПЗУ.

Цифровые (дискретные) автоматы (ЦА) - это логические устройства, предназначенные для приема, хранения и преобразования цифровой информации по некоторому алгоритму, способные переходить под действием входных сигналов из одного состояния в другое и выдавать выходные сигналы.

Теорию автоматов подразделяют на абстрактную и структурную. Структурная теория ЦА изучает общие приемы построения структурных схем автоматов на основе элементарных автоматов. Абстрактная теория ЦА - изучаются наиболее общие законы их поведения без учета конечной структуры (т.е. способа построения) автомата и физической природы информации.

Значение выходных сигналов такого устройства зависит не только от аргументов на входе в данный момент времени, но и от предыдущего состояния автомата, которое фиксируется элементами памяти. В качестве элементов памяти могут использоваться триггеры. Каждое внутреннее состояние цифрового автомата определяется исходным состоянием триггеров и последовательностью входных сигналов, действующих на входе в данный момент времени, поэтому такие устройства последовательного типа. К последовательным схемам можно отнести - триггеры, счетчики, регистры.

В общем случае структурная схема цифрового автомата может быть представлена в виде набора трех узлов - комбинационной схемы формирования выходных сигналов, комбинационной схемы формирования сигналов управления триггерами и, собственно, памяти (рис. 1).

Рисунок 1. Структурная схема цифрового автомата

На вход комбинационной схемы управления триггерами поступает комбинации входных сигналов х1, х2, …, хк, комбинации сигналов, отражающих состояние элементов памяти Q1, Q2, …, Qm. С учетом этих множеств комбинационная схема формирует серии сигналов, управляющих состоянием триггеров. Кодовые комбинации состояния триггеров образуют внутренние состояние цифрового автомата, которые принято обозначать буквой а.

Комбинационная схема формирования выходных сигналов создает сигналы у1, у2, …, ур, которые могут использоваться для управления некоторыми узлами, для активации процессов в других схемах. Эти сигналы могут зависеть только от внутренних состояний: в этом случае устройство принято называть автоматом Мура. А если выходные сигналы зависят и от входных сигналов х1, х2, …, хк, то - автоматом Мили. Таким образом. Для задания цифрового автомата необходимы три множества: · множество входных сигналов х1, х2, …, хк ;

· множество выходных сигналов у1, у2, …, ур ;

· множество внутренних состояний а1, а2, …, az .

На указанных трех множествах задают две функции - функцию переходов f, определяющую состояние автомата а(t 1) в момент t 1 в зависимости от состояния автомата а(t) и значения входного сигнала х(t) в момент времени t: а(t 1) = f (a(t), x(t)) и функцию выходов ?, которая определяет зависимость выходного сигнала автомата у(t) от состояния автомата а(t) и значения входного сигнала х(t): y(t) = ?(a(t), x(t)).

Для автомата Мили эти функции имеют вид: а(t 1) = f (a(t), x(t)) ; y(t) = ?(a(t), x(t)) ;

где а(t 1) - новое состояние цифрового автомата, a(t) - предыдущее состояние автомата, y(t) - выходные сигналы текущего времени, x(t) - сигналы на входе в данный момент времени.

Для автомата Мура:

а(t 1) = f (a(t), x(t)) ; y(t) = ?(a(t)).

Одно из состояний автомата является начальным (состояние а0), и перед началом работы автомат всегда устанавливается в данное состояние.

Обычно последующие действия автомата задаются с помощью алгоритма. Функции автоматов Мили и Мура используют 2 способа: табличный и графический. В отличие от табличного способа, графический в виде графа функционирования, обеспечивает хорошую наглядность.

По характеру отсчета дискретного времени автоматы делятся на синхронные и асинхронные.

В синхронных конечных автоматах моменты времени, в которые автомат считывает входные сигналы, определяются принудительно синхронизирующими сигналами. После очередного синхронизирующего сигнала с учетом "считанного" и в соответствии с соотношениями для функционирования автомата происходит переход в новое состояние и выдача сигнала на выходе, после чего автомат может воспринимать следующее значение входного сигнала.

Асинхронный конечный автомат считывает входной сигнал непрерывно, и поэтому, реагируя на достаточно длинный входной сигнал постоянной величины x, он может, как следует из соотношений для функционирования автомата, несколько раз изменять состояние, выдавая соответствующее число выходных сигналов, пока не перейдет в устойчивое состояние, которое уже не может быть изменено данным входным сигналом.

1. ГОСТ 2.105-95 ЕСКД. Общие требования к требуемым документам

2. ГОСТ 2.106-68 ЕСКД. Форма и правила выполнения текстовых документов

3. ГОСТ 2.743-91 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой техники

4. ГОСТ 19.701-90 ЕСПД. Схема алгоритмов, программ, данных и систем

5. Интегральные микросхемы. Справочник под ред. Тарабрина В.В.М., Радио и связь, 2008

6. Калабеков Б.А., Мамзелев И.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы. - М.: Радио и связь, 2007.

7. Конспект-справочник

Размещено на