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=00100001₂

Зміст мікрооперацій:

y1: R:=A1+m

y2R:=A1+R

y3: R:=A1R

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={y₁,_,y₂, y₃, y₄, y₅, y₆, y₇, y₈, y₉} умовно можна розбити на дві підмножини: Y₁={y₁, y₂, y₃, y₄, y₅, y₆, y₇} і Y₂={y₈, y₉}.

Перша множина містить у собі такі МО, у результаті виконання яких відбуваються зміна вмісту регістра. Ці МО описуються оператором присвоювання R:=f(A₁, A₂,...A_k, R), де f - деяка функція від значень слів, що надходять по вхідних шинах - A₁, A₂,...A_k, а також від вмісту регістра R, що існував в ньому до моменту виконання даної МО.

До підмножини Y₂ 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:

у2:

y3:

y4:

y5:

y6:

y7:

Сегментація для КС2

у8:

у9:

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

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

- 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

- 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

- для мікрооперації у4:

Таблиця 4.5 – Таблиця переключення тригерів 1-2 БФР для МО у4

Таблиця 4.6 – Таблиця переключення тригерів 3-4 БФР для МО у4

Таблиця 4.7 – Таблиця переключення тригерів 5-8 БФР для МО у4

- для мікрооперації у5:

Таблиця 4.8 – Таблиця переключення тригерів 1-5 БФР для МО у5

Таблиця 4.9 – Таблиця переключення тригерів 6-8 БФР для МО у5

- для мікрооперації у6:

Таблиця 4.10 – Таблиця переключення тригерів 1,3,5,7 БФР для МО у6

Таблиця 4.11 – Таблиця переключення тригерів 2,4,6,8 БФР для МО у6

- 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 Ф₁i і Ф₂i 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

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

Таблиця 6.3 - Таблиця операндів, що подаються на входи другого АЛП

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

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

Таблиця 6.6 - Таблиця операндів, що подаються на входи четвертого АЛП

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

1. Плату виготовити комбінованим методом. Група твердості 1.

2. Крок координатної сітки - 2,5 мм

3. Конфігурацію провідників витримати по координатах сітки з відхиленням від креслення ( 1,5 мм).

4.

5. Позиційні позначення елементів відповідають схемі електричної принципової на елементах великого ступеня інтеграції.

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

1. Каган Б.М. Электронные машины и системы: Учебное пособие для Вузов 2-е издание – М: Энергоатомиздат. 1985.

2. Поспелов Д.А. Логические методы анализа и синтеза схем. М: Энергия. 1974.

3. Угрюмов Е.П. Проектирование элементов и узлов ЭВМ. М: Высш. школа, 1987.

4. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. М: Радио и связь, 1987.