Реализация синхронного автомата на интегральных микросхемах

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ 

УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО  «ВГТУ»)

Факультет информационных технологий и компьютерной безопасности

Кафедра «Автоматизированные и вычислительные системы»

Профиль «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-121                                                                   И.И. Токарев

                                                      ^{подпись,  дата                                                    инициалы,  фамилия}

           

Руководитель                                                                                     С.В. Тюрин

                                                    ^{подпись,  дата                                                       инициалы,  фамилия}

        

Нормоконтролер                                                                             С.В. Тюрин

                                                    ^{подпись,  дата                                                        инициалы,  фамилия}

 

Защищен ________________          Оценка ___________________

                               ^дата

 

 

 

 

 

ВОРОНЕЖ 2013

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И КОМПЬЮТЕРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Кафедра «Автоматизированные и вычислительные системы»

 

ЗАДАНИЕ

на курсовой проект по дисциплине «Схемотехника ЭВМ»

Тема проекта: «Реализация синхронного автомата на интегральных микросхемах»

Студент группы ВМ-121  Токарев Иван Игоревич

                                                    

Технические условия: объектом разработки является синхронный автомат, на вход которого поступают два сигнала: сигнал p, задающий режим работы синхронного автомата, и сигнал ТИ (тактовые импульсы), по фронту которого автомат переходит в следующее состояние. На выходе формируется двоичный код, характеризующий внутреннее состояние автомата. Автомат имеет 11 состояний, каждое из которых нумеруется десятичным кодом. Автомат должен быть реализован на интегральных микросхемах малой и средней степени интеграции. Разрешено использовать только те интегральные микросхемы, модели которых содержит пакет схемотехнического моделирования Electronic Workbench 5.x.

 

Содержание  и объем проекта: расчетно-пояснительная записка – 20 страниц формата А4; поясняющие текст рисунки, расчеты, таблицы; схема электрическая принципиальная синхронного автомата.

 

Сроки выполнения этапов: 1^й-этап – _________;  2^й-этап – ______________

Срок защиты курсового проекта: с ______________ по _________________

 

Задание принял студент гр.ВМ-121                                                          И.И. Токарев

                                                                ^{подпись,  дата                                    инициалы,  фамилия}             

Руководитель                                                                                                  С.В. Тюрин

                                                                  ^{подпись,  дата                                     инициалы,  фамилия}             

ЗАМЕЧАНИЯ РУКОВОДИТЕЛЯ

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

Задание на курсовой проект 2

Замечания руководителя 3

Введение 5

1 Анализ задания на курсовой проект 6

2 Построение структурной схемы заданного автомата 7

3 Реализация заданного автомата на микросхемах малой и средней степени

интеграции 8

4 Выявление и устранение рисков сбоя 12

Заключение   18

Список литературы 19

Приложение 20

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Под схемотехникой понимается дисциплина, которая изучает основы построения аппаратных средств цифровых устройств, в том числе цифровых вы-числительных машин (ЦВМ) и персональных компьютеров. В рамках данной дисциплины рассматриваются принципы работы логических элементов и элементная база цифровых устройств, триггеры, принципы организации и функционирования полупроводниковой памяти, принципы работы и организации микропроцессоров, микропроцессорных систем и устройств, входящих в состав этих систем.

Большинство задач в схемотехнике можно разделить на два класса:

1. задачи синтеза – построение схемы какого-либо устройства на базе отдельных элементов.
2. задачи анализа – анализ работы того или иного изделия на основе работы его составных частей.

В рамках данного курсового проекта конечной целью проектирования является синтез схемы электрической принципиальной заданного синхронного автомата.  

1 АНАЛИЗ ЗАДАНИЯ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Требуется разработать и доказать правильность функционирования синхронного автомата, на вход которого поступают два сигнала. Сигнал p задаёт режим работы синхронного автомата и сигнал ТИ, по фронту которых автомат переходит в следующее состояние. На выходе синхронного автомата должен формироваться двоичный код, соответствующий десятичному номеру состояния автомата.

Автомат имеет 11 состояний, каждое из которых нумеруется десятичным кодом. Если сигнал p равен логической единице, то переход из одного состояния в другое осуществляется в прямом порядке, если логическому нулю – в обратном порядке. Работа автомата характеризуется приведённым ниже графом (рисунок 1).

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1

 

2 ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

ЗАДАННОГО АВТОМАТА

Множество состояний автомата:

 

Формируемый на выходе двоичный код соответствует десятичному номеру состояния автомата, следовательно, мы реализуем автомат типа Мура.

Данный  автомат мы можем представить в виде структурной схемы, которая содержит блок памяти, логический преобразователь и блок управления, задающий внутреннее начальное состояние.

 

Структурная схема заданного автомата изображена на рисунке 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 

3 РЕАЛИЗАЦИЯ ЗАДАННОГО СИНХРОННОГО АВТОМАТА

По таблице  переходов и выходов составили логические уравнения функций возбуждения блока памяти. Он должен был быть реализован на интегральных микросхемах малой степени интеграции. Но составленные уравнения оказались слишком громоздкими, поэтому реализация автомата данным способом является нецелесообразной.

Рассмотрим  другой способ. Синтезируемый автомат должен считать в последовательности, указанной графом. Поэтому в качестве блока памяти следует использовать счетчик. А чтобы он считал в заданной последовательности, мы составили уравнения, задающие работу логического преобразователя. Он реализуется с помощью мультиплексоров, уравнения для которых получим следующим образом. За начальное состояние автомата примем «0000». Следующее состояние при прямом переходе “0001”, значит, поставим этот набор в соответствие _Для соответствием будет “1001” и т.д. В таблице 1 приведены состоянию счётчика и соответствующие им состояния логического преобразователя.

Таблица 1

	Счетчик				ЛП
	0	0	0	0	0	0	0	0
	0	0	0	1	0	1	1	1
	0	0	1	0	1	0	0	1
	0	0	1	1	1	0	1	0
	0	1	0	0	0	1	1	0
	0	1	0	1	0	1	0	0
	0	1	1	0	0	0	1	0
	0	1	1	1	0	0	0	1
	1	0	0	0	0	0	1	1
	1	0	0	1	0	1	0	1
	1	0	1	0	1	0	0	0

По столбцам  f_i  можем записать уравнения для логического преобразователя:

 

 

 

 

Для реализации логического преобразователя нам потребуется 4 четырехразрядных мультиплексора.

Рисунок 3 – УГО микросхемы К155КП1

Микросхема К155КП1 (рисунок 3) содержит четыре адресных входа 1,2,4,8; 16 информационных входов D0 – D15 и вход стробирования S. Выход у этой микросхемы только инверсный. Вход 24 – +5В, вход 12 – 0В.

 

Для реализации заданного синхронного автомата нам потребуется реверсивный счетчик, (считает в прямом и в обратном порядке). Счетчик должен иметь 4 адресных входа.

Микросхема КР1533ИЕ13 (рисунок 4) обеспечивает параллельную запись и режим счета. Входы Dl, D2, D4, D8 служат для подачи сигналов кода при параллельной записи информации. Запись в триггеры счетчика происходит асинхронно при поступлении на вход L лог. 0 независимо от состояния других входов. При лог. 1 на входе L и лог. 0 на входе разрешения работы Е счетчик изменяет состояние по спадам импульсов отрицательной полярности на входе С. Направление счета определяется сигналом на входе D/U: при лог. 0 происходит счет вверх, при лог. 1 - вниз.

Рисунок 4 –УГО микросхемы КР1533ИЕ13

Для построения многоразрядных счетчиков  у микросхемы есть два специальных выхода: последнего состояния 0/15 и переноса Р. На выходе 0/15 лог. 1 появляется при достижении состояния 15 при прямом счете и состояния 0 при обратном. В остальных случаях на выходе 0/15 – лог. 0. При наличии лог. 1 на выходе 0/15 и лог. 0 на входе Е одновременно с импульсом на входе С на выходе переноса Р появляется импульс отрицательной полярности и той же длительности.

Счетчик КР1533ИЕ13 не имеет входа установки в 0. Для этой цели на входы Dl, D2, D4, D8 подают лог. 0, а на вход L – импульс отрицательной полярности. Смена сигналов на входах D/U и Е должна происходить в момент переключения сигнала на входе С из лог. 0 в лог. 1 или в паузе между импульсами на входе С (то есть при лог. 1 на этом входе).

 

Так как  счетчик считает до 16, а заданный автомат имеет 11 состояний, то нужно сделать так, чтобы после 10 счетчик снова переходил на 0,а если переход осуществляется в обратном порядке, то счетчик после 0 должен переходить в 10.

Для реализации таких переходов нужно осуществлять внутреннюю начальную установку, т.е. на вход Load счетчика подгружать ту комбинацию, которая должна быть установлена в случае достижения конечного состояния. В зависимости от прямого или обратного счета это состояния “0000” или “1010” соответственно. При p=1, т.е. при прямом порядке, счетчик, доходя до комбинации “1011”, устанавливается в “0000”. Это осуществляется с помощью блока управления, реализованного на двух микросхемах 155ЛИ3 и одной микросхеме 155ЛЕ1(рисунок 5).

 

Рисунок 5 – Блок управления

 

 

 

4 ВЫЯВЛЕНИЕ И УСТРАНЕНИЕ РИСКОВ СБОЯ

Генератор слов используется для задания  цифровых последовательностей. На рисунке 6 приведено уменьшенное изображение генератора слов.

                      

Рисунок 6 – Уменьшенное изображение генератора слов

На шестнадцать выходов в  нижней части генератора параллельно  подаются биты генерируемого слова. На выход тактового сигнала подается последовательность тактовых импульсов с заданной частотой. Вход синхронизации используется для подачи синхронизирующего сигнала от внешнего источника.

Двойным щелчком мыши по уменьшенному изображению генератора слов открывается его расширенное изображение. На рисунке 7 представлено расширенное изображение генератора слов.

 

        

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7 – Расширенное изображение генератора слов

Левая часть генератора отображает любые 16 (из 2048) шестнадцатибитовых слов, которые отображаются как четырехразрядные шестнадцатиричные числа.  Выделением отмечается слово, активное в данный момент. Значения битов этого слова отображаются в круглых окнах внизу на панели генератора. Ввод слов может производиться в окне «Binary» генератора при помощи мыши и клавиатуры. Нажатием на левую клавишу мыши выделяется нужный бит, а ввод значения 0 или 1 производится с клавиатуры. Ввод данных может также осуществляться путем ввода с клавиатуры четырех шестнадцатиричных чисел в левую часть генератора слов.

Генератор может работать в трех режимах:

1. пошаговый (каждый раз после подачи очередного слова на выход генератор останавливается);
2. циклический (на выход генератора однократно последовательно поступают все 2048 слов);
3. непрерывный (все 2048 слов циклически передаются на выход генератора в течение необходимого времени).

Нажатием на кнопку STEP (рисунок 7) генератор переводится в пошаговый режим, кнопка BURST переводит в циклический режим, а кнопка CYCLE - в непрерывный. Для того чтобы прервать работу в непрерывном режиме, необходимо еще раз нажать кнопку CYCLE.

Используя окно «Final» можно зацикливать последовательность из произвольного числа слов. Для этого достаточно ввести в это окно шестнадцатиричное значение (по сути, номер) последнего в последовательности слова.