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
,...Ak
, R), де f - деяка функція від значень слів, що надходять по вхідних шинах - A1
, A2
,...Ak
, 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:
| 1 8 |
у2:
| 1 8 |
y3:
| 1 8 |
y4:
| 1 2 | 3 4 | 5 8 |
y5:
| 1 5 | 6 8 |
y6:
| 1 8 |
y7:
| 1 8 |
Сегментація для КС2
у8:
| 1 3 | 4 8 |
у9:
| 1 8 |
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
| Q(t) | Q(t+1) | J(t) | K(t) |
| 0 | 0 | 0 | X |
| 0 | 1 | 1 | X |
| 1 | 0 | X | 1 |
| 1 | 1 | X | 0 |
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
| Sm1 | R | R | J | K |
| 0 | 0 | 0 | 0 | X |
| 0 | 1 | 0 | X | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | X |
| 1 | 1 | 1 | X | 0 |
- 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
| Sm2 | R | R | J | K |
| 0 | 0 | 0 | 0 | X |
| 0 | 1 | 0 | X | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | X |
| 1 | 1 | 1 | X | 0 |
- 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
| R | R | J | K | |
| 0 | 0 | 0 | 0 | X |
| 0 | 1 | 1 | X | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | X |
| 1 | 1 | 1 | X | 0 |
- для мікрооперації у4:
Таблиця 4.5 – Таблиця переключення тригерів 1-2 БФР для МО у4
| R | R | J | K | |
| 0 | 0 | 0 | 0 | X |
| 0 | 1 | 0 | X | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | X |
| 1 | 1 | 1 | X | 0 |
Таблиця 4.6 – Таблиця переключення тригерів 3-4 БФР для МО у4
| R | R | J | K |
| 0 | 1 | 1 | X |
| 1 | 0 | X | 1 |
Таблиця 4.7 – Таблиця переключення тригерів 5-8 БФР для МО у4
| R | R | J | K | |
| 0 | 0 | 0 | 0 | X |
| 0 | 1 | 1 | 1 | X |
| 1 | 0 | 0 | X | 1 |
| 1 | 1 | 1 | X | 0 |
- для мікрооперації у5:
Таблиця 4.8 – Таблиця переключення тригерів 1-5 БФР для МО у5
| R(i+1) | R(i) | R(i+1) | J | K |
| 0 | 0 | 0 | 0 | X |
| 0 | 1 | 1 | 1 | X |
| 1 | 0 | 0 | X | 1 |
| 1 | 1 | 1 | X | 0 |
Таблиця 4.9 – Таблиця переключення тригерів 6-8 БФР для МО у5
| R | R | J | K |
| 0 | 1 | 1 | X |
| 1 | 0 | X | 1 |
- для мікрооперації у6:
Таблиця 4.10 – Таблиця переключення тригерів 1,3,5,7 БФР для МО у6
| R | R | J | K |
| 0 | 1 | 1 | X |
| 1 | 0 | X | 1 |
Таблиця 4.11 – Таблиця переключення тригерів 2,4,6,8 БФР для МО у6
| R | R | J | K |
| 0 | 0 | 0 | X |
| 1 | 0 | X | 0 |
- 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 тригері
Fr(А1, А2,..., Ak.R) при yn
=1
R:=R, якщо y1=y2=...=yq
=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 Ф1
i і Ф2
i 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
| Y(i) | S3 | S2 | S1 | S0 | M | CR | Операція |
| Y1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | А+В |
| Y2 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | А+В |
| Y3 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | A B |
| Y4 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | A |
| Y5 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | A |
| Y6 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | A |
| Y7(0) | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | A+1 |
| Y7(1) | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | A-1 |
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
| Y(i) | A1 | B1 | A2 | B2 | A3 | B3 | A4 | B4 |
| Y1 | A1[1] | 0 | A1[2] | 0 | A1[3] | 1 | A1[4] | 0 |
| Y2 | A1[1] | R[1] | A1[2] | R[2] | A1[3] | R[3] | A1[4] | R[4] |
| Y3 | A1[1] | R[1] | A1[2] | R[2] | A1[3] | R[3] | A1[4] | R[4] |
| Y4 | L[1] | X | L[2] | X | X | X | ||
| Y5 | R[4] | X | R[5] | X | R[6] | X | R[7] | X |
| Y6 | X | R[2] | X | X | R[4] | X | ||
| Y7(0) | R[1] | 1 | R[2] | 1 | R[3] | 1 | R[4] | 1 |
| Y7(1) | R[1] | 1 | R[2] | 1 | R[3] | 1 | R[4] | 1 |
Таблиця 6.3 - Таблиця операндів, що подаються на входи другого АЛП
| Y(i) | A5 | B5 | A6 | B6 | A7 | B7 | A8 | B8 |
| Y1 | A1[5] | 0 | A1[6] | 0 | A1[7] | 0 | A1[8] | 1 |
| Y2 | A1[5] | R[5] | A1[6] | R[6] | A1[7] | R[7] | A1[8] | R[8] |
| Y3 | A1[5] | R[5] | A1[6] | R[6] | A1[7] | R[7] | A1[8] | R[8] |
| Y4 | X | A2[6] | X | A2[7] | X | A2[8] | X | |
| Y5 | R[8] | X | 0 | X | 0 | X | 0 | X |
| Y6 | X | R[6] | X | X | R[8] | X | ||
| Y7(0) | R[5] | 1 | R[6] | 1 | R[7] | 1 | R[8] | 1 |
| Y7(1) | R[5] | 1 | R[6] | 1 | R[7] | 1 | R[8] | 1 |
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
| Y(i) | S3 | S2 | S1 | S0 | M | CR | Операція |
| Y8 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | A B |
| Y9(0) | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | A |
| Y9(1) | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | B |
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
| Y(i) | P1 | O1 | P2 | O2 | P3 | O3 | P4 | O4 |
| Y8 | R[1] | A3[1] | R[2] | A3[2] | R[3] | A3[3] | A3[4] | |
| Y9(0) | R[1] | X | R[2] | X | R[3] | X | R[4] | X |
| Y9(1) | X | X | X | X |
Таблиця 6.6 - Таблиця операндів, що подаються на входи четвертого АЛП
| Y(i) | P5 | O5 | P6 | O6 | P7 | O7 | P8 | O8 |
| Y8 | A3[5] | A3[6] | A3[7] | A3[8] | ||||
| Y9(0) | R[5] | X | R[6] | X | R[7] | X | R[8] | X |
| Y9(1) | X | X | X | X |
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.
| Параметри елементів | Розміри в мм | |
| плати, крім не обговорених особливо | У вільних місцях | У вузьких місцях |
| Ширина провідників | 1,0 | 1,0 |
| Відстань між двома провідниками | 1,0 | 1,0 |
| Відстань між двома контактними площадками | 0,8 | 0,8 |
5. Позиційні позначення елементів відповідають схемі електричної принципової на елементах великого ступеня інтеграції.
| Умовне позначення отвору | Діаметр отвору | Наявність металізації |
|
|
0,9 | Так |
|
|
3,6 | Немає |
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.