Проектування багатофункціонального регістра-автомата
Вступ
Основним
завданням даної курсової роботи є
проектування багатофункціонального
регістра-автомата з пам'яттю, у якого
вхідними є змінні
й безліч мікрооперацій
,
а вихідними -
і
,
як основного вузла операційного автомата
(ОА). Це
завдання досягається шляхом розробки
комбінаційних схем обчислювачів і
комутаторів за відомою структурою
регістра на сучасній елементній базі
мультиплексорів, дешифраторів, ПЗП,
програмувальні логічні матриці,
арифметико-логічні пристрої й т.п.
Завданням курсового проекту передбачений синтез БФР як на елементах малої й середньої так і високого ступеню інтеграції.
Навички, отримані в результаті виконання даного курсового проекту, можуть бути корисні й у дипломному проектуванні, а також при виконанні науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт.
1. Вибір варіанта завдання
У даній курсовій роботі необхідно спроектувати багатофункціональний регістр (БФР), що виконує заданий набір мікрооперацій, що і буде основним вузлом синтезованого операційного автомата.
Список мікрооперацій:
Для варіанта №10 заданий наступний список мікрооперацій
4, 5, 10, 14(n1=2, n2=4), 24, 30, 34, 40(n1=3), 46
Операція виконувана схемою контролю:
x1:R <= m; x2:R = 1...1…1, де m - двійкове представлення суми варіанту по списку й числа 23.№ варіанта - 10, отже m=10+23=33=00100001>2>
Зміст мікрооперацій:
y1: R:=A1+m
y2 R:=A1+R
y3:
R:=A1
R
y4: R:= (A2(1:2)&R(1:2).~R(3:4).A2(5:8))
y5: R:=R(5:8).000
y6: R:=~R1.R(2).~R(3).R(4) .~R(5).R(6) .~R(7) .R(8)
y7:
R:=ЯКЩО(R1)
A1(1) ТЕ (R-1) ІНАКШЕ (R+1)
y8:
B=(R(1:3).~R(4:8))
A3
y9: B=ЯКЩО A3(1) *A3(2) *A3(3) *A3(4) ТЕ ~R ІНАКШЕ R
Синтез буде виконаються на елементах серії К555 малого, середнього й великого ступеня інтеграції. В якості тригерів для синтезу застосовуємо JK-тригери.
2. Опис функціонування БФР
В загальному випадку
регістр R виконує множину МО
.
У кожному машинному такті регістр може
виконувати тільки одну МО. Множину
можна
умовно розділити на 3 підмножини, що не
перетинаються:
.
До першої підмножини відносяться такі
МО, в результаті виконання яких проходить
змінення змісту регістра. Ці МО описуються
оператором присвоювання
,де
- деяка функція від значень слів, що
поступають по вхідним шинам -
.
До них, наприклад, відносять МО наступного виду:
- занесення у регістр констант, зокрема, коду 00….0 (R:=00…0) ;
- прийом коду з шини А (R:=A).
До підмножини
відносять такі МО, в результаті виконання
яких не відбувається зміна змісту
регістра, але відбувається передача в
деяку сукупність вихідних шин кодів,
що залежать, в загальному випадку, від
змісту регістра
,
та від кодів на вхідних шинах. Вони
описуються оператором присвоювання
виду:
,
де
-множина
вихідних шин;
- деяка функція від
змісту регістра
та вхідних шин
.
До них відносять, наприклад, наступні:
- передача у вихідну
шину
змісту регістра (
);
- передача у шину
кон’юнкції
від змісту регістра та вихідної шини
.
Прикладом є передача
старого коду з регістра у вихідну шину
з одночасним занесенням нового коду в
регістр з вхідної шини
.
Структурну схему пристрою, що розробляється, представлено на рисунку 3.1.
Рисунок 3.1 – Структурна схема пристрою, що розробляється.
Пристрій складатимется з чотирьох блоків, кожний з я ких виконіватиме свою задачу, а саме:
- КС1 – комбінаційна схема 1, що виконуватиме МО, які змінюють стан регістра, вхідними данними для неї є слова: А1, котре приходить з зовнішньої шини, та А2, котре є вхідною змінною, а також попереднє значення регістра;
- КС2 – комбінаційна схема 2, що виконуватиме МО, що націлені на формування вихідної шини В, вхідними данними є вхадне слово А3 та значення регістра;
- КС3 – комбінаційна схема 3, що генерує контрольні сигнали, вхідними данними є значення регістра;
- Рег– регістр – вузол, що призначений для зберігання інформації та зміну свого стану в залежності від КС1;
- ШФ – шинний формувач, призначений для передачі данних з шини В у загальну шину та прийому слова А1 з загальної шини.
3. Синтез комбінаційних схем БФР
3.1 Розбивка безлічі МО на підмножини, cегментация
Безліч виконуваних регістром мікрооперацій Y={y>1>,>,>y>2>, y>3>, y>4>, y>5>, y>6>, y>7>, y>8>, y>9>} умовно можна розбити на дві підмножини: Y>1>={y>1>, y>2>, y>3>, y>4>, y>5>, y>6>, y>7>} і Y>2>={y>8>, y>9>}.
Перша множина містить у собі такі МО, у результаті виконання яких відбуваються зміна вмісту регістра. Ці МО описуються оператором присвоювання R:=f(A>1>, A>2>,...A>k>, R), де f - деяка функція від значень слів, що надходять по вхідних шинах - A>1>, A>2>,...A>k>, а також від вмісту регістра R, що існував в ньому до моменту виконання даної МО.
До підмножини Y>2> віднесемо такі МО, у результаті виконання яких не відбувається зміна вмісту регістру, але здійснюється передача в деяку сукупність вихідних шин кодів, які залежать, у загальному випадку, і від умісту регістра R, і від кодів на вхідних шинах.
Сегментація для КС1: Сегментація для КС1:
у1:
-
1 8
у2:
-
1 8
y3:
-
1 8
y4:
-
1 2
3 4
5 8
y5:
-
1 5
6 8
y6:
-
1 8
y7:
-
1 8
Сегментація для КС2
у8:
-
1 3
4 8
у9:
-
1 8
3.2 Формування функцій збудження
3.2.1 Формування функцій збудження для КС1 (для JK-тригера)
Функції збудження для кожної МО
У серії використаємо синхронний JK - тригер, що має наступну таблицю переходів:
Таблиця 4.1 - таблиця переходів JK - тригеру
|
Q(t) |
Q(t+1) |
J(t) |
K(t) |
|
0 |
0 |
0 |
X |
|
0 |
1 |
1 |
X |
|
1 |
0 |
X |
1 |
|
1 |
1 |
X |
0 |
Синтез виконувався по наступному принципу:
1) Одержуємо те значення в яке необхідно встановити регістр (наприклад A1&R або суму 2A2+R на суматорі )
2) Мультиплексором робимо вибірку потрібного значення залежно від використовуваної мікрооперації.
3) Значення розряду регістра отримане на виході мультиплексора необхідно подати на відповідний розряд тригера. До речі необхідно відзначити й те, що якщо не діє жодна з мікрооперацій, регістр повинен зберігати своє значення.
- для мікрооперації
y1:
,
дані функції
збудження будуть реалізовані на суматорі.
На вхід першого операнду подається
А1(1:8) на вхід другого операнда число m в
двійковому вигляді.
Таблиця 4.2 – Таблиця переключення тригерів БФР для МО у1
-
Sm1
R
R
J
K
0
0
0
0
X
0
1
0
X
1
1
0
1
1
X
1
1
1
X
0
- для мікрооперації
у2:
функції збудження реалізовані аналогічно
мікрооперації у1, але на вхід першого
доданка подається A1, а на другий вхід
подаємо R.
Таблиця 4.3 – Таблиця переключення тригерів БФР для МО у2
-
Sm2
R
R
J
K
0
0
0
0
X
0
1
0
X
1
1
0
1
1
X
1
1
1
X
0
- для мікрооперації
y3:
функції збудження реалізовані аналогічно
мікрооперації в1, але на вхід першого
доданка подається
.
Таблиця 4.4 – Таблиця переключення тригерів БФР для МО у3
-
R
R
J
K
0
0
0
0
X
0
1
1
X
0
1
0
1
1
X
1
1
1
X
0
- для мікрооперації
у4:
Таблиця 4.5 – Таблиця переключення тригерів 1-2 БФР для МО у4
-
R
R
J
K
0
0
0
0
X
0
1
0
X
1
1
0
0
0
X
1
1
1
X
0
Таблиця 4.6 – Таблиця переключення тригерів 3-4 БФР для МО у4
-
R
R
J
K
0
1
1
X
1
0
X
1
Таблиця 4.7 – Таблиця переключення тригерів 5-8 БФР для МО у4
-
R
R
J
K
0
0
0
0
X
0
1
1
1
X
1
0
0
X
1
1
1
1
X
0
- для мікрооперації
у5:
Таблиця 4.8 – Таблиця переключення тригерів 1-5 БФР для МО у5
-
R(i+1)
R(i)
R(i+1)
J
K
0
0
0
0
X
0
1
1
1
X
1
0
0
X
1
1
1
1
X
0
Таблиця 4.9 – Таблиця переключення тригерів 6-8 БФР для МО у5
-
R
R
J
K
0
1
1
X
1
0
X
1
- для мікрооперації
у6:
Таблиця 4.10 – Таблиця переключення тригерів 1,3,5,7 БФР для МО у6
-
R
R
J
K
0
1
1
X
1
0
X
1
Таблиця 4.11 – Таблиця переключення тригерів 2,4,6,8 БФР для МО у6
-
R
R
J
K
0
0
0
X
1
0
X
0
- для мікрооперації у7:
Для цієї мікрооперації
дуже зручно використати суматор Sm3. На
перший вхід операнду суматора Sm3 {а1..а8},
підключаємо вихід регістра R(1..8), на
другий вхід операнда суматора Sm3 {b1..b7},
крім b8, подаємо вихід комбінаційної
схеми, що реалізує функцію
. Якщо схема виробляє «0», то вид другого
операнда такий: 00000001 що еквівалентно
110. Якщо схема виробляє «1» то другий
операнд прийме вид: 11111110 = 11111111 що
еквівалентно «-1» у зворотному коді.
Функції збудження тригерів:
3.2.2 Реалізація функцій для КС2
- Для КС2:
Мікрооперації у8 і у9 не змінюють вміст регістру, а формують шину В.
- для мікрооперації у8
- для мікрооперації у9
4. Опис принципової схеми на елементах малого й середнього ступеня інтеграції
Синтез принципової схеми виконується за допомогою елементів малого ступеня інтеграції, таких як: найпростіші логічні елементи - І-НІ, АБО, а також за допомогою елементів середнього ступеня інтеграції, до них можна віднести мультиплексори (МП), двійкові суматори.
Регістр - це електронний вузол, що складається з восьми тригерів, а з іншого боку - це апарат, для виконання деякого набору мікрооперацій (МО), під впливом синхроімпульсу тригер переходить із одного стану в інший, у такий спосіб відбувається виконання операції присвоювання:
Fr(А1, А2,..., Ak.R) при y>n>=1
R:=R, якщо y1=y2=...=y>q >=0,
де Fr- деяка функція від вхідних змінних А1,..., Аk і попереднього значення регістра .
Крім того синхроімпульс вказує, у який момент часу виконати цю операцію. Синхроімпульс, а також сигнал RESET(сигнал скидання ) надходять на всі тригери одночасно й подаються із вхідних рознімань.
Керуючі сигнали МО (y1, ..., y9) надходять із входів і за допомогою схеми декодування перетворяться з унітарного коду у двійковий. Керуючий сигнал показує що конкретно повинен виконати регістр і відповідно його тригер тобто всі Fr повинні бути обчислені до моменту появи керуючого сигналу. Розглянемо структуру розряду БФР. Тут повинні бути передбачені обчислювачі й вузол, що дозволяє вибирати із всіх результатів той який відповідає даному керуючому сигналу.
Вхідні змінні А1(1:8) надходять із виходів шинного формувача в шину А. Для обчислення Fr використаємо логічні елементи І-НІ ,АБО, двійкові суматори, схеми порівняння . Як комутатор використовується мультиплексор, що формує функції збудження Ф>1>i і Ф>2>i i-го тригери.
Структура КС2 результатом якої є вихідна змінна без пам'яті В (інтерпретуюча шина) подібна до структури КС1. Розряд також складається з обчислювачів реалізованих на найпростіших логічних елементах, мультиплексорах і комутаторах керованих сигналами Y8, Y9. Вхідними змінними служать змінні A3(1:8) поступаючих із входу схеми в шину А та виходи регістра R(1:8). Результат їхнього перетворення в КС2 з'являється в цьому ж такті у відмінності від КС1( де результат з'являється лише в наступному такті). Вихідні змінні надходять у шину В. Значення шини У формується за допомогою шинного формувача, що залежно від поступаючих на його входи керуючих сигналів, формує результат. Схема контролю реалізована на схемі порівняння, що входить у серію 555.
5. Опис принципової схеми на елементах великого ступеня інтеграції
Для синтезу схеми на елементах великого ступеня інтеграції зручно використати ПЛМ і АЛП. Число змінних, використовуваних у ПЛМ до 48 конъюнкцій в одному вираженні. Отриману схему легше реалізувати на друкованій платі тому що зменшується число входів/виходів тобто зменшується число доріжок. У схемі, зібраної на елементах великого ступеня інтеграції використається ПЛМ серії К556 РТ2 і чотири АЛП серії К556ИП3.
Загальний принцип побудови схеми схожий з побудовою схеми на елементах малого й середнього ступеня інтеграції й у повторному описі не має потреби.
5.1 Підготовка операндів
Загальний принцип побудови схеми схожий з побудовою схеми на елементах малого й середнього ступеня інтеграції й у повторному описі не має потреби.
Запишемо вираження для JK з 1 по 8 розряди.
Для операцій застосовуються чотири чотирьохрозрядних АЛП, два для операцій у КС1 і два для роботи із шиною В.
Для наочності синтезу зручно намалювати наступну таблицю:
Таблиця 6.1- Сигнали керування для АЛП, що працює з операціями з КС1
-
Y(i)
S3
S2
S1
S0
M
CR
Операція
Y1
1
0
0
1
0
1
А+В
Y2
1
0
0
1
0
1
А+В
Y3
1
1
1
0
1
0
A
BY4
1
1
1
1
1
0
A
Y5
1
1
1
1
1
0
A
Y6
1
1
1
1
1
0
A
Y7(0)
0
0
0
0
0
0
A+1
Y7(1)
1
1
1
1
0
1
A-1
Для одержання функцій, які потрібно сформувати на ПЛМ зручно побудувати наступну таблицю в якій прописані операнди для АЛП в кожний момент часу. Причому y0 - випадок, коли немає сигналу на виконання операцій. Запишемо для КС1 операнди, які повинні надходити на АЛП при приході відповідного керуючого сигналу.
Операнди для АЛП
Таблиця 6.2 - Таблиця операндів, що подаються на входи першого АЛП
|
Y(i) |
A1 |
B1 |
A2 |
B2 |
A3 |
B3 |
A4 |
B4 |
|
Y1 |
A1[1] |
0 |
A1[2] |
0 |
A1[3] |
1 |
A1[4] |
0 |
|
Y2 |
A1[1] |
R[1] |
A1[2] |
R[2] |
A1[3] |
R[3] |
A1[4] |
R[4] |
|
Y3 |
A1[1] |
R[1] |
A1[2] |
R[2] |
A1[3] |
R[3] |
A1[4] |
R[4] |
|
Y4 |
L[1] |
X |
L[2] |
X |
|
X |
|
X |
|
Y5 |
R[4] |
X |
R[5] |
X |
R[6] |
X |
R[7] |
X |
|
Y6 |
|
X |
R[2] |
X |
|
X |
R[4] |
X |
|
Y7(0) |
R[1] |
1 |
R[2] |
1 |
R[3] |
1 |
R[4] |
1 |
|
Y7(1) |
R[1] |
1 |
R[2] |
1 |
R[3] |
1 |
R[4] |
1 |
Таблиця 6.3 - Таблиця операндів, що подаються на входи другого АЛП
|
Y(i) |
A5 |
B5 |
A6 |
B6 |
A7 |
B7 |
A8 |
B8 |
|
Y1 |
A1[5] |
0 |
A1[6] |
0 |
A1[7] |
0 |
A1[8] |
1 |
|
Y2 |
A1[5] |
R[5] |
A1[6] |
R[6] |
A1[7] |
R[7] |
A1[8] |
R[8] |
|
Y3 |
A1[5] |
R[5] |
A1[6] |
R[6] |
A1[7] |
R[7] |
A1[8] |
R[8] |
|
Y4 |
|
X |
A2[6] |
X |
A2[7] |
X |
A2[8] |
X |
|
Y5 |
R[8] |
X |
0 |
X |
0 |
X |
0 |
X |
|
Y6 |
|
X |
R[6] |
X |
|
X |
R[8] |
X |
|
Y7(0) |
R[5] |
1 |
R[6] |
1 |
R[7] |
1 |
R[8] |
1 |
|
Y7(1) |
R[5] |
1 |
R[6] |
1 |
R[7] |
1 |
R[8] |
1 |
На першій ПЛМ будуть реалізовані наступні функції:
На другій ПЛМ :
На третій ПЛМ:
Подібно формування операндів, що поступаютьдо регістра, для АЛП будуємо таблицю формування операндів шини В.
Таблиця 6.4 - Сигнали керування для АЛП, що працює з операціями з КС1
-
Y(i)
S3
S2
S1
S0
M
CR
Операція
Y8
1
1
1
0
1
0
A
BY9(0)
1
1
1
1
1
0
A
Y9(1)
1
0
1
0
1
0
B
Запишемо для КС2 операнди, які повинні надходити на входи АЛП при приході відповідного керуючого сигналу
Операнди для АЛП Таблиця 6.5 - Таблиця операндів, що подаються на входи третього АЛП
|
Y(i) |
P1 |
O1 |
P2 |
O2 |
P3 |
O3 |
P4 |
O4 |
|
Y8 |
R[1] |
A3[1] |
R[2] |
A3[2] |
R[3] |
A3[3] |
|
A3[4] |
|
Y9(0) |
R[1] |
X |
R[2] |
X |
R[3] |
X |
R[4] |
X |
|
Y9(1) |
X |
|
X |
|
X |
|
X |
|
Таблиця 6.6 - Таблиця операндів, що подаються на входи четвертого АЛП
|
Y(i) |
P5 |
O5 |
P6 |
O6 |
P7 |
O7 |
P8 |
O8 |
|
Y8 |
|
A3[5] |
|
A3[6] |
|
A3[7] |
|
A3[8] |
|
Y9(0) |
R[5] |
X |
R[6] |
X |
R[7] |
X |
R[8] |
X |
|
Y9(1) |
X |
|
X |
|
X |
|
X |
|
Функції для четвертої ПЛМ виглядатимуть наступним чином:
Функції для п’ятої ПЛМ:
Сигнали управління для третього та четвертого АЛП:
5.2 Схеми прошивок ПЛМ
Схеми прошивок ПЛМ приведені нижче.
Рисунок 6.1 - Карта прожига ПЛМ1
Рисунок 6.2 - Карта прожига ПЛМ2
Рисунок 6.3 - Карта прожига ПЛМ3
Рисунок 6.4 - Карта прожига ПЛМ4
Рисунок 6.5 - Карта прожига ПЛМ5
6. Технічні вказівки до друкованої плати
Плату виготовити комбінованим методом. Група твердості 1.
Крок координатної сітки - 2,5 мм
Конфігурацію провідників витримати по координатах сітки з відхиленням від креслення ( 1,5 мм).
-
Параметри елементів
Розміри в мм
плати, крім не обговорених особливо
У вільних місцях
У вузьких місцях
Ширина провідників
1,0
1,0
Відстань між двома провідниками
1,0
1,0
Відстань між двома контактними площадками
0,8
0,8
Позиційні позначення елементів відповідають схемі електричної принципової на елементах великого ступеня інтеграції.
-
Умовне позначення отвору
Діаметр отвору
Наявність металізації
0,9
Так
3,6
Немає
Висновок
Основна мета цього курсового проекту крім закріплення теоретичних положень - ознайомити студентів з основними етапами синтезу мікросхем, починаючи від розробки «на папері», закінчуючи синтезом з урахуванням конкретної серії мікроелементів і розведенням друкованої плати. Отримані знання можуть бути корисні не тільки в курсовому, але й у дипломному проектуванні, а також при виконанні науково-дослідних і досвідчених робіт.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
Каган Б.М. Электронные машины и системы: Учебное пособие для Вузов 2-е издание – М: Энергоатомиздат. 1985.
Поспелов Д.А. Логические методы анализа и синтеза схем. М: Энергия. 1974.
Угрюмов Е.П. Проектирование элементов и узлов ЭВМ. М: Высш. школа, 1987.
Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. М: Радио и связь, 1987.