Реализация синхронного автомата на интегральных микросхемах

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ  ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ 

УНИВЕРСИТЕТ» 

(ГБОУВПО «ВГТУ»)

 

Факультет  заочного обучения

 

Кафедра «Автоматизированные и  вычислительные системы»

Специальность «Вычислительные машины, комплексы,

системы и сети»

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

 

по дисциплине "Схемотехника ЭВМ"

 

Тема: "Реализация синхронного автомата на интегральных микросхемах"

 

Расчетно-пояснительная записка

 

 

 

 

 

 

 

Разработал студент      гр. ВМ-101                                А.В. Гулевский         _

^{подпись,  дата                                   инициалы,  фамилия}

Руководитель                                                                       В.И. Захватов      _

^{подпись,  дата                                    инициалы,  фамилия}

 

Нормоконтролер                                                                  В.И. Захватов      _

^{подпись,  дата                                    инициалы,  фамилия}

 

Защищен ________________          Оценка ___________________

                   ^дата

 

 

 

 

 

 

 

ВОРОНЕЖ 2013

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ  ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ 

УНИВЕРСИТЕТ»

(ГБОУВПО «ВГТУ»)

 

Кафедра «Автоматизированные и  вычислительные системы»

 

 

ЗАДАНИЕ

на курсовой проект

по дисциплине "Схемотехника ЭВМ"

 

 

Тема проекта: " Реализация синхронного автомата на интегральных микросхемах "

 

Студент группы ВМ-101     Гулевский Алексей Владимирович

^{фамилия, имя, отчество}

 

Номер варианта___10____________________________________

Технические условия: объектом разработки является синхронный счетчик с четырьмя выходами, циклически изменяющий свои состояния в соответствии с табл.1 (Ксч = 8). Проверить работу счетчика, зафиксировав последовательность смены состояний с помощью цифрового индикатора. Период колебаний генератора G выбрать равным 1 с.

 

Содержание и объем проекта (графические  работы, расчеты и прочее): расчетно-пояснительная  записка –15…20 страниц формата  А4; поясняющие текст, рисунки, расчеты, таблицы и т.п.); схема электрическая принципиальная устройства селекции бинарной подпоследовательности.

Сроки выполнения этапов: 1й-этап - _______;  2й-этап - ________

Срок защиты курсового проекта: с ____________по ___________

 

 

 

 

Задание принял студент    гр. ВМ-101 /                             А.В. Гулевский    /

^{подпись,  дата                          инициалы,  фамилия}

Руководитель                                        /                             В.И Захватов       /

^{подпись,  дата                         инициалы,  фамилия}

 

 

 

 

Замечания руководителя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………….……	5
ОСновная  часть………………………………………………...….….	6
1.  Основные особенности  теории синхронных автоматов….…….….....	6
2.  Общие принципы построения  и реализации синхронных
управляющих автоматов…………………..………………….…...........	9
2.1 Обобщённая структура и принцип функционирования
синхронных управляющих автоматов.…………………...................	9
3. Разработка схемы синхронного автомата (СА)	10
3.1 Исходные данные для курсового проектирования…….…............	10
3.2 Выбор способа решения задачи курсового проектирования............	11
3.3 Выбор способа синтеза схемы электрической функциональной
синхронного автомата.…............…….….......................................	13
3.4 Выбор интегральных микросхем для реализации СА….…............	15
4. Моделирование устройства с помощью ElectronicsWorkbench …...…	17
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………….………….……...….	19
Литература………………………………………….…………….……..	20
Приложения  ………………………...………………………….………	21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

По функциональному  назначению основные устройства ЭВМ  можно условно разделить на две  категории: операционные устройства (ОУ) и управляющие устройства (УУ). Отдельные  части операционного устройства функционируют в зависимости  от алгоритма выполняемой операции. Управляющее устройство по сигналу  операции вырабатывает необходимые  сигналы, по которым запускается  выполнение заданной микрооперации. Совокупность микроопераций, объединенных алгоритмом операции, составляет микропрограмму операции, которая, в свою очередь, является связующим звеном между командой (кодом операции) и операционным устройством (аппаратными средствами), предназначенным для преобразования информации.

Управляющее устройство состоит из отдельных  логических схем, вырабатывающих управляющие  сигналы в заданной последовательности. Такое управляющее устройство можно  реализовать на интегральных микросхемах.

В данной курсовой работе нами будет синтезирован синхронный счетчик с четырьмя выходами, циклически изменяющий свои состояния в соответствии с заданием.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕОРИИ СИНХРОННЫХ АВТОМАТОВ

 

 

Математической моделью дискретного  устройства является абстрактный автомат, определяемый как шестикомпонентный кортеж, или вектор:

S = (Z, A ,W, δ, λ, a₁),   (1)

у которого:

Z={z₁,…z_f…z_F} - множество входных сигналов автомата (входной алфавит);

A={a₁,…a_m…a_M} - множество состояний автомата (алфавит состояний);

W={w₁,…w_g…w_G} – множество выходных сигналов автомата (выходной алфавит);

δ : A х Z  ® A – функция переходов автомата, реализующая отображение D_δ A х Z на A.

Другими словами, функция δ некоторым  парам состояние - входной сигнал (a_m, z_f)ставит в соответствие состояние автомата a_s = δ(a_m, z_f), a_s A;

λ : A х Z ® W  – функция выходов, реализующая отображение D_l A х Z на W, которая некоторым парам состояние - входной сигнал (a_m, z_f) ставит в соответствие выходной сигнал автомата w_g = λ (a_m, z_f);

a₁ A – начальное состояния автомата.

Под алфавитом  здесь понимается непустое множество  попарно различных символов. Элементы алфавита называются буквами, а конечная упорядоченная последовательность букв - словом в данном алфавите.

Абстрактный автомат имеет один вход и один выход. Автомат работает в дискретном времени, принимающем целые неотрицательные  значения  t = 0,1,2,… В каждый момент t дискретного времени автомат находится в некотором состоянии a(t) из множества состояний автомата, причем в начальный момент времени t(0) автомат может находиться в начальном состоянии a(0) = a₁. В момент t, будучи в состоянии a(t), автомат способен воспринять на входе букву входного алфавита  z(t) Z. В соответствии с функцией выходов он выдает  в тот же момент времени  t  букву  выходного алфавита           w(t) = λ (a(t)_, z(t)) и в соответствии с функцией переходов перейдет  в следующее  состояние     a(t +1)=δ(a(t)_, z(t)),    причем a(t +1) A, а w(t) W. Смысл понятия абстрактного автомата состоит в том, что он реализует некоторое отображение множества слов входного алфавита Z в множество слов выходного алфавита W. Иначе, если на вход автомата, установленного в начальное состояние a₁, подавать буква за буквой некоторую последовательность букв входного алфавита z(0), z(1), z(2), … - входное слово, то на выходе автомата будут последовательно появляться буквы выходного  алфавита w(0), w(1), w(2), … - выходное слово. Каждому входному слову соответствует определенное выходное слово, структура которого определяется функциями переходов и выходов.

Таким образом, на уровне абстрактной теории понятие "работа автомата" понимается как  преобразование входных слов в выходные слова. Структурной моделью нулевого уровня абстрактного автомата является модель, представленная на рисунке 1.

 

S

                                   Z                                    W

Рисунок 1 -  Структурная модель абстрактного автомата

(нулевой  уровень)

 

Чтобы задать конечный автомат S, необходимо описать все компоненты вектора S = (Z, A ,W, δ, λ, a₁), т.е. входной и выходной алфавиты и алфавит состояний, а также функции переходов и выходов. Среди множества состояний может быть выделено начальное состояния автомата a₁, в котором автомат находится в момент t = 0. 

По способу  организации автоматного времени  все автоматы делят на два больших  класса: синхронные автоматы и асинхронные  автоматы. Для синхронных автоматов моменты времени, в которых фиксируются изменения состояния автомата, задаются специальным устройством - генератором синхронизирующих сигналов (синхросигналов). Генератор формирует синхронизирующие сигналы через определенные промежутки времени, длительность которых может быть постоянной или переменной. В асинхронных автоматах моменты перехода автомата из одного состояния в другое заранее не определены, так как их продолжительность целиком определяется временем переходных процессов, происходящих в автомате.

При реальной работе любого автомата необходимо учитывать  такие негативные явления, которые получили название "гонки" или "состязания". Эти явления обусловлены ограниченным быстродействием различных физических элементов автомата, конечным временем распространения электрических сигналов по линиям связи, различной длиной линий связи. В синхронных автоматах борьба с такими негативными явлениями осуществляется путем выбора (определения) минимально возможного такта работы автомата. В асинхронных автоматах устранения гонок или состязаний добиваются специальными, весьма сложными, видами кодирования входных, выходных сигналов и внутренних состояний автомата.

Надежную  работу автомата легче обеспечить, если его выполнить в виде синхронного  автомата, однако максимальным быстродействием  обладают асинхронные автоматы. В то же время основой всех синхронных автоматов являются асинхронные автоматы.

 

 

 

 

 

2 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ  И РЕАЛИЗАЦИИ СИНХРОННЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ  АВТОМАТОВ.

 

2.1 Обобщённая структура  и принцип функционирования синхронных управляющих автоматов.

 

Управляющий автомат (УА) генерирует последовательность управляющих сигналов из множества у₁ . . . у_m (сигналы у₁ . . . у_m называются микрооперациями, каждый из сигналов может принимать только одно из значений 1 или 0), предписанную микропрограммой У; и соответствующую значениям логическим условий х₁...х_n. При выполнении процессором пакета  микропрограмм на его входы последовательно подаются коды операции, которые соответствуют той или иной микропрограмме. На входы процессора

могут поступать  внешние сигналы логических условий, а с выходов сниматься сигналы для управления внешними устройствами.

Переход на новый шаг алгоритма осуществляется только с приходом специального сигнала синхронизации (S).

Выходные  сигналы у₁...у_m могут иметь различную длительность. Математической моделью управляющих автоматов, формирующих короткие выходные сигналы, является модель Мили, а для автоматов, формирующих длинные выходные сигналы - модель Мура.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 РАЗРАБОТКА  СХЕМЫ СИНХРОННОГО АВТОМАТА (СА)

 

3.1 Исходные  данные для курсового проектирования.

 

 

Задание на курсовое проектирование включает в  себя следующие исходные данные:

- Состояния счетчика (Ксч=8) 0, 5, 4, 3, 2, 1, 12, 13;

- Тип интегральных микросхем ограничен библиотекой  моделей микросхем серии SN74, либо отечественным аналогом 155 серии.