Проектирование цифрового автомата (48394)

Посмотреть архив целиком


Министерство образования Российской Федерации

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Новомосковский институт










Проектирование цифрового автомата

Методические указания к курсовой работе

Под редакцией В.И. Воробьева














Новомосковск 2004


УДК 681.322

ББК 32.973

П 791

Рецензенты:

кандидат технических наук, доцент кафедры АПП

В.З. Магергут (НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева)

кандидат технических наук, доцент кафедры Электротехника

Е.Б. Колесников (НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева)

Составитель: В.С. Прохоров

П791 Проектирование цифрового автомата: Методические указания к курсовой работе / Под редакцией В.И. Воробьева; РХТУ им. Д.И. Менделеева, Новомосковский ин-т; Сост.: В.С. Прохоров. Новомосковск, 2001. - 24 с.

Предлагаются индивидуальные задания, даются методические указания и пример выполнения курсовой работы по курсу "Схемотехника" для студентов специальности “Автоматизированные системы обработки информации и управления”.

Ил.8. Табл.11. Библиогр.: 3 назв.

УДК 681.322

ББК 32.973

© Новомосковский институт

РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2001


Содержание


Введение 4

1. Последовательность выполнения задания и рекомендации по проектированию цифрового автомата 5

2. Задание к курсовому проектированию 21

Библиографический список 25



Введение


Курсовая работа является итоговой работой студентов по изучению курса "Схемотехника". Конечной целью изучения курса является освоение студентами самостоятельного проектирования несложных дискретных устройств (цифрового автомата), для того, чтобы в дальнейшем успешно эксплуатировать более сложные, серийно выпускаемые микроконтроллеры, а также ремонтировать и модернизовать персональные компьютеры.

Для облегчения курсового проектирования в этом методическом пособии рассматривается сначала порядок выполнения задания, а затем дается достаточно подробный пример с необходимыми пояснениями. Разумеется, перед курсовым проектированием необходимо изучить соответствующие разделы лекционного курса и выполнить индивидуальные расчетные задания.


1. Последовательность выполнения задания и рекомендации по проектированию цифрового автомата


Для курсовой работы предлагается спроектировать цифровой автомат, структурная схема которого показана на рис.1.

Задание рекомендуется выполнять в следующем порядке:

1. Уточнить порядок функционирования предложенного для проектирования цифрового автомата (ЦА) в соответствии с заданием на курсовое проектирование, которое приводится ниже. Построить структурную схему ЦА с указанием схемы запуска, цепей формирования тактовых сигналов (Ф), сигналов сброса (W), входных сигналов (X) и т.д.

2. Определить период функционирования ЦА в соответствии с заданием на курсовое проектирование.

3. Определить необходимое количество триггеров для реализации регистра (RG).

4. Задать функцию переходов ЦА в виде графа и таблицы состояний ЦА.

5. Составить таблицу функций переходов и таблицу функций выходов.

6. С учетом рекомендуемого в задании на курсовое проектирование типа триггера и таблицы его состояний, приведенной в справочной литературе составить полную таблицу функционирования ЦА.

7. Провести минимизацию логических функций, описывающих работу комбинационных схем КС1, КС2, регистра RG.

8. Провести необходимые тождественные преобразования логических функций в соответствии с заданным в задании на курсовое проектирование логическим базисом для синтеза ЦА.

9. Выбрать тип ПЗУ, описать принцип его работы и составить таблицу программирования.

10. Построить функциональную схему ЦА.

11. С учетом функциональной схемы ЦА синтезировать его принципиальную электрическую схему на выбранных цифровых микросхемах. Описать работу примененных микросхем и ЦА.

12. С помощью интегрированного пакета – редактора схемотехники и SPCE симулятора "MULTISIM" провести анализ работы разработанной электронной схемы. Выявить возможные ошибки в схеме ЦА, сделать необходимые исправления Обширная библиотека компонентов интегрированного пакета "MULTISIM" включает генераторы сигналов, осциллографы, тестеры и т.д., огромное количество полупроводниковых приборов и микросхем разных фирм. Имеется возможность экспорта схемы в программы PCB – трассировки.

13. Составить перечень элементов (спецификацию) принципиальной электрической схемы.

14. Для создания принципиальной электрической схемы ЦА с помощью интегрированного пакета P-CAD использовать графический редактор P-CAD Schematic.

15. Создать макет печатной платы ЦА. Для размещения компонентов и трассировки печатных плат использовать графический редактор P-CAD PCB.

16. Результаты работы оформить в виде расчетно-пояснительной записки и графического материала на двух листах.

Результаты анализа принципиальной электрической схемы ЦА с помощью интегрированного пакета "MULTISIM" сохранить и использовать при защите курсовой работы для доказательства работоспособности разработанной схемы ЦА.

Обобщенная структурная схема (рис.1) цифрового автомата (ЦА) содержит запоминающее устройство ЗУ (RG - регистр, выполненный на триггерах), два комбинационных устройства: для формирования сигналов управления триггерами (КС1) и для формирования требуемых выходных сигналов (КС2).

ЦА работает циклами, заканчивая их всякий раз возвращением в исходное состояние.


Рис.1. Структурная схема цифрового автомата


По сигналу, например, с дешифратора команд ДШ схема запуска формирует входной сигнал x, который принимает только два значения: x1=0 (пауза в работе ЦА) и x2=1 (запуск и работа ЦА).

В ходе выполнения цикла ЦА в заданные моменты времени t1, t2, t3,... проходит через определенную последовательность внутренних состояний a(t) =al (l=0, 1,..., S), сменяющих друг друга при поступлении очередного тактового импульса Ф. При этом каждый цикл функционирования КА начинается в момент t поступления на его вход сигнала запуска x(t) =1.

Часть этих состояний (тактов), пребывание в которых сопровождается выдачей импульса на какой-либо выход y1, y2,..., можно назвать активными, а остальные, обеспечивающие заданные паузы между выдачами импульсов, – пассивными.

Пусть требуется синтезировать цифровой автомат (ЦА) с одним входом и пятью выходами. При этом на выходах y1, y2, y3, y4, y5 после запуска ЦА периодически, на каждом такте, появляются коды символов, образующих фамилию и инициалы студента. Каждый символ кодируется пятью битами: два старших разряда – номер строки, три младших разряда – номер столбца, согласно табл.1.

Период функционирования ЦА может быть определен согласно табл.1.


Таблица 1

Период функционирования цифрового автомата

Символы

П

О

Ж

И

Л

О

В

А

О

И

8-ричный код

00

20

17

07

11

14

17

03

01

00

17

00

11

00


Каждый период (цикл) функционирования ЦА начинается в момент поступления на его вход сигнала запуска x(t) = 1. При поступлении на его вход очередного тактового импульса Ф, максимальное число которых равна периоду функционирования автомата R=14, ЦА проходит ряд сменяющих друг друга состояний a(t) = al (l = 0, 1, 2, …, S). Число рабочих состояний равно S, а общее число состояний ЦА, включая исходное a0, равно s+1 и связано с максимальным числом рабочих тактов R соотношением S  R.

Выполнение этого условия обеспечивает возможность выдачи выходных импульсов на любом такте цикла. Минимально необходимое количество триггеров для синтеза регистра (памяти) определяют из соотношения n  log2 (S + 1).

Для проектируемого ЦА минимальное количество триггеров n = 4, так как 24 > 14. Для определения активных состояний следует задать определенный порядок их чередования в рабочем цикле ЦА, т.е. функцию переходов.

В соответствии с заданием последовательность состояний регистра должна состоять из вычетов по модулю М, образовывать арифметическую прогрессию с разностью, равной простому наименьшему числу, не являющемуся делителем числа М, где М – период генерируемой последовательности.

В рассмотренном случае М = 14. Наименьшее простое число, не являющееся делителем 14, это 3. Поэтому состояния регистра будут изменяться в такой последовательности:

0, 3, 6, 9, 12, 1, 4, 7, 10, 13, 2, 5, 8, 11…

Каждое состояние регистра отождествляется с записанным в триггеры n-разрядным двоичным числом в соответствии с установленным выше правилом и может быть представлено табл.2.


Таблица 2

Таблица состояний цифрового автомата

Состояние

регистра

Сигналы QB(t) на прямых выходах триггеров T4, T3, T2, T1

Q4(t)

Q3(t)

Q2(t)

Q1(t)

a0

0

0

0

0

a3

0

0

1

1

a6

0

1

1

0

a9

1

0

0

1

a12

1

1

0

0

a1

0

0

0

1

a4

0

1

0

0

a7

0

1

1

1

a10

1

0

1

0

a13

1

1

0

1

a2

0

0

1

0

a5

0

1

0

1

a8

1

0

0

0

a11

1

0

1

1

a0

0

0

0

0


Алгоритм функционирования ЦА можно задать с помощью графа, в котором номер состояния удобно обозначить числом, характеризующим состояние регистра, а также указать номер выхода в каждом состоянии, на котором формируется сигнал 1 (рис.2).


Рис. 2. Алгоритм функционирования цифрового автомата, заданный с помощью графа.


Для синтеза КС1 и КС2 следует таблично задать функцию переходов (табл.3) и функцию выходов (табл.4).


Таблица 3

Таблица функций переходов

Предшествующее состояние автомата a(t)

Последующее состояние

автомата a(t+1)

при x(t) =1

при x(t) =0

a0

0000

a3

a0

a3

0011

a6

a0

a6

0110

a9

a0

a9

1001

a12

a0

a12

1100

a1

a0

a1

0001

a4

a0

a4

0100

a7

a0

a7

0111

a10

a0

a10

1010

a13

a0

a13

1101

a2

a0

a2

0010

a5

a0

a5

0101

a8

a0

a8

1000

a11

a0

a11

1011

a0

a0

a0

0000

a0

a0

a0

0000

a0

a0



Таблица 4

Таблица функции выходов

Состояние

автомата a(t)

Значения выходных

сигналов y(t)

y1

y2

y3

y4

y5

W

a0

0000

0

0

0

0

0

0

a3

0011

1

0

0

0

0

0

a6

0110

0

1

1

1

1

0

a9

1001

0

0

1

1

1

0

a12

1100

0

1

0

0

1

0

a1

0001

0

1

1

0

0

0

a4

0100

0

1

1

1

1

0









a7

0111

0

0

0

1

1

0

a10

1010

0

0

0

0

1

0

a13

1101

0

0

0

0

0

0

a2

0010

0

1

1

1

1

0

a5

0101

0

0

0

0

0

0

a8

1000

0

1

0

0

0

0

a11

1011

0

0

0

0

0

1

a0

0000

0

0

0

0

0

0


Пусть в соответствии с заданием для синтеза регистра следует использовать RS-триггер. Можно применить ИМС 564ТР2. В одном корпусе микросхемы содержится четыре одинаковых независимых триггера (см. рис.3).


Рис.3. Микросхема 564ТР2 – четыре RS-триггера:

а – логическая структура одного триггера;

б – уловное изображение микросхемы на принципиальной электрической схеме


Эти триггеры выполнены на логических элементах ИЛИ-НЕ и являются асинхронными RS-триггерами с прямым управлением, т.е. переключаются сигналами логической единицы. В табл.5 описываются состояния, характеризующие работу триггера.


Таблица 5

Состояния RS-триггера с прямым управлением

Такт tn

Такт tn+1

Qn

Rn

Sn

Qn+1

0

0

0

0

1

0

0

1

1

0

0

1

0

0

1

0

1

1

Н/О

Н/0

1

0

0

1

0

1

0

1

1

0

1

1

0

0

1

1

1

1

Н/О

Н/О


Каждый триггер имеет два входа S и R и один выход Q (выходы к внешним выводам микросхемы не подключены). Характерной особенностью этой ИМС является наличие разрешающего входа V – общего для всех четырех триггеров. Когда на этом входе единичный сигнал – информация на выходах триггера присутствует, при логическом нуле – нет. Вход, по которому RS-триггер устанавливается в состояние 1, обозначается буквой S, а в состояние 0 – буквой R. Если на один из входов подать единичный сигнал, сохраняя нулевой на другом, триггер примет состояние, которое однозначно определяется входной информацией. При входных сигналах S=1, R=0 триггер принимает единичное состояние Q=1, =0, а при S=0, R=1 – нулевое: Q=0, =1.


Случайные файлы

Файл
2~1.DOC
30039.rtf
27508-1.rtf
24145-1.rtf
70824-1.rtf