Разработка функционального устройства

МОСКОВКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(государственный технический университет)

Кафедра 403

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

«Вычислительные системы и микропроцессорная техника»

Выполнил

студент группы 04-512

Гуреев И.А.

Консультировал

Мальшаков Г.В.

2010 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Уточнение задания …………………………………………………………3

2. Разработка схемы алгоритма и составление операционного описания….5

3. Построение функциональной схемы операционного автомата…………..7

4. Управляющий автомат с жесткой логикой………………………………....8

5. Управляющий автомат с программируемой логикой……………………..12

6. Функциональная схема автомата с программируемой логикой………….15

7. Построение принципиальной схемы……………………………………….16

8. Временные диаграммы………………………………………………………17

9. Список литературы…………………………………………………………..18

ЗАДАНИЕ

По шинам А{1:8} и В на вход устройства поступает 16-ти разрядный код по байтам (первый байт по шине А параллельно, второй по шине В последовательно). Определить число комбинаций 11011 в пришедшем коде, результат выдав по отдельной шине С.

УТОЧНЕНИЕ ЗАДАНИЯ

1. Примем, что источник входного кода гарантирует правильность выставленной информации во время действия стробирующего импульса СТРОБ, а само устройство подтверждает выда­чу кода числа единичных символов генерацией импульса считывания УСЧИТ.

Выберем тактовую синхронизирующую последовательность импульсов. Пусть в разрабатываемом устройстве она будет общей для источника, устройства преобразования и потребителя информации (внешняя синхронизация). Пусть частота ГТИ равна 5 МГц.

Будем считать, что смена кодов А, В и С осуществляется по положительному фронту импульсов ГТИ, длительность импульсов СТРОБ и УСЧИТ равна длительности импульсов тактовой последовательности, а положительные фронты этих импульсов появляются вслед за положительным фронтом им­пульсов ГТИ.

2. Определим разрядность выходного кода. Максимальное число возможных последовательностей 11011 в 16-ти разрядном коде равно 11, следовательно, оно потребует формирования на выходной шине 4-х разрядного кода.

3. Входные данные, приходящие по шинам A{1:8} и B, сопровождаются управляющими сигналами СТРОБ (передний фронт сигнала СТРОБ совпадает с установившимся сигналом на шинах A и B).

Выходные данные C{1:4} формируемые устройством сопровождаются управляющим сигналом УСЧИТ (передний фронт сигнала УСЧИТ совпадает с установившимся сигналом на шине C), что бы последующие устройства знали, в какой момент времени необходимо считать результат работы нашего устройства. Считывание данных происходит по переднему фронту управляющих сигналов.

Примем, что в разрабатываемом устройстве не требуется введе­ния внутренней индикации, и не будем пока накладывать никаких ограничений на потребляемую устройством мощность и, следовательно, на выбор оптимальной элементной базы.

Временные диаграммы

ГТИ: t

СТРОБ:

t

Шина А:

t

Шина В:

t

Шина С:

t

УСЧИТ:

t

РАРАБОТКА СХЕМЫ АЛГОРИТМА

И СОСТАВЛЕНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО ОПИСАНИЯ

нет

нет

да

нет

да

Микропрограмма 1

Переменные:

входные: А{1:8}, В, строб;

внутренние: РГ1{1:8}, СЧ1{1:4}, СЧ2{1:4};

внешние: УСЧИТ, С{1:4}:=СЧ1{1:4};

Признаки:

Р1:= ù СТРОБ;

Р2:= РГ3{1}&РГ3{2}&ù РГ3{3}&РГ3{4}&РГ3{5}=1;

Р3:=СЧ2{3}&(СЧ2{2}|СЧ2{1}|СЧ2{0});

P4:=СЧ2{1:4}=11;

Процедура:

М1 если Р1, то М1;

УЗП: РГ1{1:8}:=А{1:8};

УН1: СЧ1:=0;

УН2: СЧ2:=0;

М2 если Р2, то М3;

УСЧ1: СЧ1:=СЧ1+1;

если Р3, то М3;

если Р1, то М3;

М3 если Р4, то М4;

УСДВ: РГ1{1:8}:=РГ1{2:8}.B;

УСЧ2: СЧ2:=СЧ2+1;

идти к М2;

М4 С{1:4}:=СЧ1{1:4},

УСЧИТ;

конец;

после упрощения микропрограмма принимает вид:

Микропрограмма 2

Переменные:

входные: А{1:8}, В, строб;

внутренние: РГ1{1:8}, СЧ1{1:4}, СЧ2{1:4};

внешние: УСЧИТ, С{1:4}:=СЧ1{1:4};

Признаки:

Р1:= ù СТРОБ;

Р2:= РГ3{1}&РГ3{2}&ù РГ3{3}&РГ3{4}&РГ3{5}=1;

Р3:=СЧ2{3}&(СЧ2{2}|СЧ2{1}|СЧ2{0});

P4:=СЧ2{1:4}=11;

Процедура:

М1 если Р1, то М1;

УЗП: РГ1{1:8}:=А{1:8}, СЧ1:=0, СЧ2:=0;

М2 если Р2, то М3;

УСЧ1: СЧ1:=СЧ1+1;

если Р3, то М3;

если Р1, то М3;

М3 если Р4, то М4;

УСДВ: РГ1{1:8}:=РГ1{2:8}.B, СЧ2:=СЧ2+1;

идти к М2;

М4 С{1:4}:=СЧ1{1:4},

УСЧИТ;

конец;

Функциональная схема операционного автомата

Управляющий автомат с жесткой логикой

УА с жесткой логикой будем строить в виде классического конечного автомата – Мура или Мили.

Граф-схема для автомата Мура

а0

1

а1

0

а2

1

а4

а3

а0

Р2

Р1 ùР1 ùР2&Р3&P4+ùР2&ùР3&ùР1&P4

ùР3&ùР1&ùР4 ùР3&ùР1&Р4

УСДВ&P2

ùР2&Р3&P4&УСДВ+ùР2&ùР3&ùР1&P4&УСДВ

УСЧИТ

Граф-схема для автомата Мили

1 а0

а1

0

1

1

а2

1

а0

Р1

ùР1 &УЗП УСЧИТ&P4

Р2&P3&УСЧ1+ ùР2&P3+P2&ùР3&ùР1&УСЧ1+ùР2&ùР3&ùР1

УСДВ&ùР4

Для реализации выберем автомат Мили, т.к он имеет всего 3 состояния. Будм реализовывать его на D-триггере.

Построим таблицу переходов и выходов автомата Мили

Построим кодированную таблицу переходов и выходов конечного автомата.
Для этого воспользуемся кодированной таблицей внутренних состояний автомата:

Тогда кодированная таблица переходов и выходов принимает вид:

На основе полученной кодированной таблицы переходов и выходов УА получим функции возбуждения D-триггера и выражения для управляющих сигналов:

D1= P2&P3&ùQ1&Q2+ùР2&P3&ùQ1&Q2+ P2&ùР3&ùР1&ùQ1&Q2+ùP2&ùР3&ùР1&ùQ1&Q2= P3&ùQ1&Q2+ùР3&ùР1&ùQ1&Q2

D2=ùР1&ùQ1&ùQ2+ùР4&Q1&ùQ2

УЗП= ùР1&ùQ1&ùQ2

УСЧ1= P2&P3&ùQ1&Q2+ P2&ùР3&ùР1&ùQ1&Q2

УСЧИТ= Р4&Q1&ùQ2

УСДВ=ùР4&Q1&ùQ2

На основе полученных выражений получаем функциональную схему УА, сигнал СБРОС является установочным и формируется при включении питания или от кнопки.

Управляющий автомат с программируемой логикой

Составим каноническую форму микропрограммы синтезируемого операционного устройства (для АУ с естественной адресацией).

Будем считать, что устройство управления решает одну задачу, так что для его построения достаточно иметь ПЗУ, содержащие 10 яче­ек. Тогда адрес ячеек ПЗУ будет выражаться четырехразрядным кодом А{3:0}.

Для естественной адресации:

Первый разряд формата микрокоманды УА с естественной адресацией определяет признак микрокоманды (ПРМК): 0 - операционная микрокоманда, 1 - управляющая микрокоманда.

Установим соответствие между метками и адресами переходов: M1=0₁₀=0000₂, M2=2₁₀=0010₂, M3=6₁₀=0110₂, M4=9₁₀=1001₂

Для принудительной адресации микрокоманда может одновременно содержать переходы и управляющие сигналы. Тогда для микрокоманды с принудительной адресацией:

Формат микрокоманды:

Установим соответствие между метками и адресами переходов: M1=0₁₀=000₂, M2=2₁₀=010₂, M3=5₁₀=101₂, M4=7₁₀=0111₂

Теперь кодовое выражение микропрограммы УУ, используя каноническое описание и формат микрокоманды, может быть записано в следующем виде:

Сравнивая объем микропрограмм для управляющих автоматов с ес­тественной и принудительной адресацией, мы убеждаемся в том, что принудительная адресация требует меньшего объема ПЗУ (в нашем случае 11 * 8 = 70 бит), чем естественная адресация (9 * 11 = 99 бит). Таким образом, реа­лизация УА с принудительной адресацией в нашем случае более желательна.

Функциональная схема УА с программируемой логикой

РМК{5:8} 4 P1P2P3P4

10 Р Р

3

сброс Анач

Начальный адрес микропрограммы, равный 000, устанавливается сигна­лом СБРОС, и УА ждет прихода сигнала СТРОБ для продолжения работы.

Построение принципиальной схемы

Будем строить наше устройство на элементах серии K155 и К555, так как они обеспечивают устойчивую работу на заданной тактовой частоте 5 МГц.

Управляющие сигналы S0, S1 обеспечивают запись кода А в регистр (S0=1, S1=1) и сдвиг вле­во (S0=0, S1=1), хранения (S0=0, S1=0).

Их получаем из диаграмм Карно. Диаграммы Карно строятся для управляющих сигналов, воздействующих на регистр, в данном случае это сигналы: УЗП, УСДВ.

SE0 = УЗП,

SE1 = УЗП + УСДВ = УЗП + УСДВ = УЗП ∙ УСДВ = УЗП / УСДВ

Рассчитаем мощность, потребляемую устройством:

Максимальная скорость работы устройства будет определяться временем перехода автомата из состояния а1 в состояние а2, следовательно можно записать:

Максимальная частота:

Временные диаграммы

ГТИ

t

t

t

Список литературы

1. Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Вычислительные устройства и микропроцессорная техника».

2. Конспект лекций по курсу «Вычислительные системы и микропроцессорная техника» А.В. Щеглов.