Содержание
Введение
1. Задание
1.1 Список микроопераций
2. Описание функционирования МФР, как основного узла ОА
3. Разбиение множества МО на подмножества, сегментациясоответствующего формата данных
4. Формирование функций возбуждения для T триггера
4.1 Функции возбуждения
4.2 Сегментация
5. Синтез МФР
5.1 Краткое описание элементной базы К555
5.2 Описание структурной схемы МФР
6. Описание принципиальной схемы на элементах малой исредней степени интеграции
7. Описание принципиальной схемы на элементах малой исредней степени интеграции
7.1. Подготовка операндов
Введение
В данной курсовой работерассчитан многофункциональный регистр (МФР). Задается 9 микроопераций (МО): 7для входной шины и 2 для выходной шины.
Синтез регистра произведен наэлементах малой и средней степени интеграции, а также на большой степениинтеграции.
Использована различнаяэлементная база: мультиплексоры, дешифратор, ПЗУ, программируемые логическиематрицы, арифметико-логические устройства, элементы 2и 2и-не 3и 2или 2или-не3или-не, и др.
По схеме с элементами большойстепени интеграции рассчитана печатная плата, трассировка, расположениеэлементов и отверстий.
1. Задание
В данной курсовой работенеобходимо спроектировать многофункциональный регистр (МФР), выполняющийзаданный набор микроопераций, который и будет являться основным узломсинтезируемого операционного автомата. Вариант курсового проекта образуетсяпутём задания определенного набора микроопераций (выбирается по таблице) иэлементной базы.
1.1 Список микроопераций
Согласно варианта заданследующий список микроопераций
7,11,15 (n=2),19 (n=3),3134,36,45,49
Операция выполняемая схемойконтроля:
x1: 2R>m; x2: R=1. .1, где m- двоичное представление суммы, последних двух цифр номера зачетки и числа 23.
№ варианта — 23, следовательно m=23+23=46=001011102
Содержание МО:
/>
Тип триггера: T
Серия элементов: K555
2. Описание функционирования МФР, как основногоузла ОА
Назначение операционногоустройства (ОУ) — обработка текущих операндов, в соответствии с заданной МО ивыдача результатов этой обработки. ОА может быть представлен в виде двухвзаимодействующих автоматов: УА и ОА. Синтез УА был рассмотрен ранее, вкурсовом проекте по ПТЦА. ОА состоит из регистров, сумматоров и других узлов,производящих прием, хранение и обработку информации, а также выдачу результатаобработки во внешнюю среду и выдачу в УА и внешнюю среду осведомительныхсигналов об особых значениях операндов или их отдельных разрядов (о знакахоперандов, о равенстве нулю результата операции, об окончании работы,переполнении и т.п.).
Процесс функционирования вовремени ОУ состоит из последовательности тактовых интервалов, в которых ОАпроизводит определенные элементарные операции обработки слов: ОА выполняетнекоторый набор элементарных преобразований информации: передачи слова изрегистра в регистр, взятие обратного кода, сдвиг кода и т.п. В общем случае ОАможет выполнять множество таких МО, но на практике реализуются темикрооперации, которые должен выполнять ОУ, и их количество ограничено. Вкаждом такте выполняется только одна МО. Границы тактов задаются длительностьюсинхросигнала.
УА обычно представляется в видерегистровой структуры, то есть совокупности МФР со своими шинами, КС,предназначенными для формирования функций возбуждения триггеров и выходныхсигналов ОА.
Под МФР подразумевают регистр,способный выполнить некоторое множество МО Y={y1, y2… ym}над входными словами, а также над словами, которые хранились в регистре доначала выполнения МО. В каждом машинном такте регистр может выполнить либотолько одну МО, либо не выполнить ни одной. Кроме стандартного набора МО дляобычного регистра, в МФР используются и другие МО, предусматривающиепредварительную обработку входных данных (арифметическую или / и логическую).
Таким образом МФР — это автоматс памятью, у которого входными, являются переменные А1, А2,…Ак и множество МО Y, а выходными — В1, В2,… Вsи Х. Для синтеза такого автомата проводят его декомпозицию, крайнем случаемкоторой является разбиение данного автомата на элементарные одноразрядныеавтоматы; при этом рассматривается n — автоматов с двумя состояниями.
В большинстве реальных случаевнет необходимости в полной декомпозиции, поскольку МО, это совокупностьдействий над группами разрядов (сегментами); таким образом декомпозициясводится к разбиению поля МФР на сегменты, внутри которых действия, выполняемыенад разрядами сегмента, идентичны.
3. Разбиение множества МО на подмножества, сегментациясоответствующего формата данных
Множество выполняемых регистромМО Y={ y1, y2, y3, y4, y5,y6, y7, y8, y9} условно можноразбить на два подмножества:
Y1={y1, y2,y3, y4, y5, y6, y7} и Y2={y8, y9}.
Первое множество включает в себятакие МО, в результате выполнения которых происходят изменения содержимогорегистра. Эти МО описываются оператором присваивания
Рг: =f (A1, A2,A3, Рг),
где f — некоторая функция отзначений слов, поступающих по входным шинам — A1, A2,A3, а также от содержимогорегистра Рг, которое существовало в нем до момента выполнения данной МО.
К подмножеству Y2отнесем такие МО, в результате выполнения которых не происходит изменениесодержимого регистра, но осуществляется передача в некоторую совокупностьвыходных шин кодов, которые зависят, в общем случае, и от содержимого регистраРг, и от кодов на входных шинах. Эти МО описываются оператором присваиваниявида:
В: = Ф (Рг,A3),
где В — выходная шина,Ф — некоторая функция от содержимого регистра Рг и входной шины А3.
Структура МФР с учётом разбиениямножества МО Y на подмножества Y1 и Y2 представлена на рис.1.Здесь первая комбинационная схема (КС1) управляется микрооперациями изподмножества Y1, а вторая (КС2) — из подмножества Y2,собственно регистр может быть синхронным либо асинхронным. Схемой КС3вырабатываются признаки Х результата обработки регистром входных переменных Аи, возможно предыдущего значения регистра. Методика разбиения на сегменты, тоесть сегментация, основана на том, что поочередно рассматривается каждая МО,выполняемая МФР или шиной, при этом выявляются разряды регистра (шины), которыевыполняют одну и ту же функцию. Затем рассматривается вся совокупность МО (присинтезе КС1-Y1, KC2-Y2) и производится пересечение исходных сегментов: при этомобразуются новые сегменты, которые также составляют разрядное поле МФР либошины.
/>
Рис.1. Структура МФР
4. Формирование функций возбуждения для T триггера
4.1 Функции возбуждения
По заданию: тип триггера — T (синхронный): Q (t) Q (t + 1) T 1 1 1 1 1 1
Некоторые МО я выполняю как дляД триггера (для упрощения схемы). Доказательство связи Д и Т триггеров: Q (t) Q (t+1) T 1 1 1 1 1 1 Q (t) Q (t+1)
/> 1 1 1 1 1 1
Как видно из таблиц: Т триггеродинаков с «исключающим или».
/>
где Q (t) = R и Q (t+1) = D
/>
Синтез производился последующему принципу:
Получаем то значение, в котороенеобходимо установить регистр.
Мультиплексором производимвыборку нужного значения в зависимости от используемой микрооперации.
Значение разряда регистраполученное на выходе мультиплексора необходимо подать на соответствующий разрядтриггера. Кстати необходимо отметить и то, что если не действует ни одна измикроопераций, регистр должен сохранять своё значение.
микрооперация Y1:
данные функции возбуждения будутреализованы на сумматоре S1 (i)=A1 (i-1) — R(i) S1 R R (t+1) T 1 1 1 1 1 1 1 1
R (t+1) (i) =S1(i), i=1: 7
T (i) = />1 (i) +S1 (i) = 1, i = 1: 7/>
R (t+1) (8) = 0R R (t+1) T 1 1
T (8) = R (8)
микрооперация Y2:
T (i) = />, i = 1: 8
микрооперация Y3:
T (1) = A1 (1)
T (2) = />
T (i) = A2 (i),i = 3: 8
микрооперация Y4:
T (i) = A1 (i) />R (i), i = 1: 3
T (j) = A2 (j) />R (j), i = 4: 8
микрооперация Y5:
/>
/>
/>, i= 2: 8
микрооперация Y6:
данные функции возбуждения будутреализованы на сумматоре
V = S6 = R (i) +R(1) />A1 (1). R (1) />A1 (1). R (1) />A1 (1). R (1) />A1 (1). R (1) />A1 (1). R (1) />A1 (1). R (1) />A1 (1).1
T (i) = S6 (i) />, i = 1: 8
микрооперация Y7:
/>
T (1) = />
T (i) = S7 (i),i = 2: 8
Каждую МО />
Микрооперации у8 и у9 неизменяют содержимое регистра, а формируют шину В:
микрооперация Y8:
сумматоры: N =S8 = R+A3 и E = S81 = R-A3
B = />, i = 1: 8
микрооперация Y9:
/>
/>
/>
4.2 Сегментация
Так как многие операции дляразных разрядов одинаковы, то имеет смысл провести сегментацию. Y1 1 2 3 4 5 6 7 8 Y2 1 2 3 4 5 6 7 8 Y3 1 2 3 4 5 6 7 8 Y4 1 2 3 4 5 6 7 8 Y5 1 2 3 4 5 6 7 8 Y6 1 2 3 4 5 6 7 8 Y7 1 2 3 4 5 6 7 8 R 1 2 3 4 5 6 7 8 Y8 1 2 3 4 5 6 7 8 Y9 1 2 3 4 5 6 7 8 B 1 2 3 4 5 6 7 8
5. Синтез МФР
5.1 Краткое описание элементной базы К555
Интегральные микросхемы серии К555изготовляются по ТТЛШ — технологии, которая позволяет получить по сравнению сраспространенными сериями микросхем минимальное значение произведениябыстродействия на рассеиваемую мощность. Это позволяет при разработкеаппаратуры уменьшить плотность токов в шинах питания, уменьшить рассеиваемуюмощность, повысить надежность изделий радиоэлектроники. Среди микросхем даннойсерии имеются микросхемы с тремя устойчивыми состояниями. Помимо состоянийвысокого и низкого уровней данные микросхемы могут переходить в третьесостояние высокого выходного сопротивления. Это свойство данных микросхемпозволяет организовать ПРОВОДНОЕ ИЛИ. При работе на магистраль несколькихмикросхем с тремя состояниями только одна из них может переходить в проводящеесостояние, в то время как остальные должны находиться в состоянии высокоговыходного сопротивления.
Для построения будут использованыследующие интегральные микросхемы (ИМС) серии.
Будет использоваться JK-триггер серии К555TB6.
При объединении входов J и K мы получаем Т триггер
Микросхема представляет собойдва независимых тактируемых JK-триггера cо сбросом с установкой в 0 и 1. Считывание информации совходов J и K происходит вовремя положительного перепада на входе С, а на выходы она передается во времяотрицательного перепада. Логические уровни на J и K не должны изменяться, пока на С высокий уровень! Еслисоединить входы J и K триггербудет работать как обычный счетный (делить частоту на 2).
Будет использоваться двоичныйсумматор серии К555ИМ6 — Предназначен для выполнения арифметических операцийсложения. Операция сложения положительных двоичных чисел определяется правиламидвоичной арифметики
МикросхемаК555ИМ6 — полныйчетырехразрядный двоичный сумматор. Ее логика работы: на входы А1 — А8 подаетсякод одного из суммируемых чисел (А1 — младший разряд, А8 — старший),
на входы В1-В8 — код второгочисла, на вход С — перенос от предыдущей микросхемы. Код суммы формируется навыходах S1 — S8, перенос — на выходе Р. У микросхемы, суммирующей младшиеразряды многоразрядных двоичных чисел, вход С следует соединить с общимпроводом.
Будем использовать мультиплексорсерии К555КП7 — микросхема содержит двоичный дешифратор для выбора одного извосьми источников данных. Микрасхема представляет собой селектор — мультиплексориз 8 в 1 и в зависимости от установленного на входах А В С кода разрешаетпрохождение сигнала на выход Y только обного из 8 информационных входов.
Программируемая логическаяматрица (ПЛМ) — ПЛМ, имеет параметры n=16, m=48 и k=8, где n — число входов, аk — число выходов. Логические элементы И выполнены на диодах Шоттки, на 48эмитерных транзисторах. На выбранном типе ПЛМ можно реализовать КС, имеющую 16входов и 8 выходов.
Использовалась ПЛМ из 556 серииК556РТ25.2 Описание структурной схемы МФР
Структурную схему МФР можнопредставить в виде соединения пяти основных функциональных блоков:
Блок формирования ФВ длятриггеров МФР.
Представляет собой КС, котораяреализована с использованием элементов И-НЕ, сумматоров, элементов 2-ИЛИ и 2-Ии др.
На входы блока подаются сигналыМО (информация о том, какая МО из множества МО должна выполниться в данномтакте) в двоично-кодированной форме, через шифратор, преобразующий номермикрооперации из унитарного кода в двоичный. Также на входы блока подаютсязначения шин А1 и А2, сигналы, снимаемые с выхода блока (то есть состояниерегистра в предыдущий момент времени), также подаются на входы блокаформирования ФВ.
Блок формирования сигналов,действующих в шине.
Представляет собой КС, котораяреализована на элементах типа 2-ИЛИ, 2-И, 2-ИСКЛ. ИЛИ и др. На входы блокаподаются сигналы МО, значения шины А3и состояния регистра. Выходомблока является сигналы, действующие в шине на протяжении данного такта.
Блок памяти.
Представляет собой восьмиразрядныйрегистр, собранный на 8 J-K триггерах К555ТВ6, с соединенными входами и полученным Ттриггером. Регистр осуществляет запоминание кода, сформированного блокомформирования ФВ, которое осуществляется по переднему фронту синхроимпульса. Наинформационные входы каждого триггера подаются сигналы с выходовсоответствующей КС блока формирования ФВ.
Шинный формирователь.
Типа К555АП6. Служит для связиМФР с магистралью. В зависимости от управляющего сигнала данных, либо снимаютсяс магистрали, либо подаются на нее.
6. Описание принципиальной схемы на элементах малойи средней степени интеграции
Синтез принципиальной схемывыполняется с помощью элементов малой степени интеграции, таких как: простейшиелогические элементы — И-НЕ, ИЛИ, Исключающее ИЛИ, а также при помощи элементовсредней степени интеграции, к ним можно отнести мультиплексоры (МП), двоичныесумматоры.
Регистр — это электронный узел,состоящий из множества триггеров (в нашем случае их число равно 8), а с другой — это аппарат, для выполнения некоторого набора микроопераций (МО), под влияниемсинхроимпульса (СИ) триггер переходит из одного состояния в другое. Кроме тогоСИ указывает, в какой момент времени выполнить эту операцию.
Управляющие сигналы МО (y1,...,y9) поступают с входов (шина y) и при помощи схемыдекодирования преобразуются из унитарного кода в двоичный (A,В, С). В данном случае получаем унитарный код с помощью шифратора К555ИВ1. Управляющийсигнал показывает что конкретно должен выполнить регистр и соответственно еготриггер, то есть все Fr должны быть вычислены до момента появления управляющегосигнала. Рассмотрим структуру разряда МФР. Здесь должны быть предусмотренывычислители и узел, позволяющий выбирать из всех результатов тот которыйсоответствует данному управляющему сигналу.
Входные переменные А1 (1: 8) поступаютс выходов шинного формирователя в шину А1. Для вычисления Fr используем различныелогические элементы. В качестве коммутатора используется мультиплексор 8а1, который формирует функции возбуждения Т (1), Т (2), … Т (8) для триггера.
Структура КС2 результатомкоторой является выходная переменная без памяти В (интерпретирующая шину) подобнаструктуре КС1. Разряд также состоит из вычислителей реализованных на простейшихлогических элементах. Входными переменными служат переменные A3 (1: 8) поступающихсо входа схемы в шину А3 и выходы регистра R (1: 8). Результатих преобразования в КС2 появляется в этом же такте в отличии от КС1 (гдерезультат появляется лишь в следующем такте). Выходные переменные поступают вшину В.
7. Описание принципиальной схемы на элементах малойи средней степени интеграции
Для синтеза схемы на элементахбольшой степени интеграции удобно использовать ПЛМ и АЛУ.
Всю выборку микрооперации,подготовку операндов удобно выполнять на ПЛМ, т.к число переменных,используемых в ПЛМ довольно велико (до 48 конъюнкций в одном выражении). А наАЛУ проводить арифметические или логические операции.
С помощью ПЛМ можно исключить изсхемы мультиплексоры, все логические элементы. Полученную схему легчереализовать на печатной плате так как уменьшается число входов/выходов т.е. уменьшаетсячисло дорожек. В схеме, собранной на элементах большой степени интеграциииспользуется ПЛМ, матрицы программирования которых представлены на рисункахниже.
7.1. Подготовка операндов
Для наглядности синтеза удобнонарисовать следующую таблицу: Y S3 S2 S1 S0 M CR Операция Y0 1 1 1 1 1 1 A Y1 1 1 1 1 1 1 A Y2 1 1 1 1 1 A+B Y3 1 1 1 1 1 A*B Y4 1 1 1 1 1 A+B Y5 1 1 1 1
/> Y6 1 1 1 1
/> Y7 1 1 1 1 1 A+B Y81 1 S A+B Y82 1 1 S A-B Y91 1 1 1 1 1 1 A Y92 1 1 1 1 1 A+B
Для входной шины:
/>
/>
S1 = 1
/>
M = 1
CR = 1
Для выходной шины:
S3 = M = CR = Y9
S2 = S1 = A3 (1)*Y8 + Y9
S0 = />3 (1) *Y8+ R (1) *R (3) *Y9
Так как для кодировки сигналовопераций будет использован двоичный шифратор 8®3,то введём следующее соответствие:
/>
Для получения функций, которыенужно сформировать на ПЛМ удобно построить следующую таблицу в которойпрописаны операнды для АЛУ в каждый момент времени. Причём y0- случай, когда нет сигнала на выполнение операций: A1 B1 A2 B2 A3 B3 A4 B4 A5 B5 A6 B6 A7 B7 A8 B8 Y0 R (1) X R (2) X R (3) X R (4) X R (5) X R (6) X R (7) X R (8) X Y1 1 X 1 X 1 X 1 X 1 X 1 X 1 X R (8) X Y2
/>2 (1)
/>1 (1)
/>2 (2)
/>1 (2)
/>2 (3)
/>1 (3)
/>2 (4)
/>1 (4)
/>2 (5)
/>1 (5)
/>2 (6)
/>1 (6)
/>2 (7)
/>1 (7)
/>2 (8)
/>1 (8) Y3 A1 (1) X
/>1 (2) R (2) A2 (3) X A2 (4) X A2 (5) X A2 (6) X A2 (7) X A2 (8) X Y4 A1 (1) R (1) A1 (2) R (2) A1 (3) R (3) A2 (4) R (4) A2 (5) R (5) A2 (6) R (6) A2 (7) R (7) A2 (8) R (8) Y5 R (1) X R (1) R (2) R (1) R (3) R (1) R (4) R (1) R (5) R (1) R (6) R (1) R (7) R (1) R (8) Y6 S6 (1) R (1) S6 (2) R (2) S6 (3) R (3) S6 (4) R (4) S6 (5) R (5) S6 (6) R (6) S6 (7) R (7) S6 (8) R (8) Y7 R (1)
/>1 (1) S7 (2) X S7 (3) X S7 (4) X S7 (5) X S7 (6) X S7 (7) X S7 (8) X
На первой ПЛМ будут реализованыследующие функции:
/>
/>,/>
/>
На второй ПЛМ будут реализованыследующие функции:
/>
На третьей ПЛМ будут реализованыследующие функции:
/>
P = R (1) /> A1 (1)
На четвертой ПЛМ будутреализованы следующие функции:
/>
L = Y8 + Y9
H = />8 * />9
Реализация шины В.
Для получения функций, которыенужно сформировать на ПЛМ удобно построить следующую таблицу в которойпрописаны операнды для АЛУ в каждый момент времени. W1 V1 W2 V2 W3 V3 W4 V4 W5 V5 W6 V6 W7 V7 W8 V8 Y81 R (1) A3 (1) R (2) A3 (2) R (3) A3 (3) R (4) A3 (4) R (5) A3 (5) R (6) A3 (6) R (7) A3 (7) R (8) A3 (8) Y82 R (1) A3 (1) R (2) A3 (2) R (3) A3 (3) R (4) A3 (4) R (5) A3 (5) R (6) A3 (6) R (7) A3 (7) R (8) A3 (8) Y91 R (1) X
/> (2) X
/> (3) X
/> (4) X
/> (5) X
/> (6) X
/> (7) X
/> (8) X Y92 R (1) A3 (1) R (2) A3 (2) R (3) A3 (3) R (4) A3 (4) R (5) A3 (5) R (6) A3 (6) R (7) A3 (7) R (8) A3 (8)
Y81 />A3 (1) = 0
Y82 />A3 (1) = 1
Y91 /> R (1) *R (3) = 1
Y92 /> R (1) *R (3) = 0
На пятой ПЛМ, реализующую шину Вполучим:
W1 = R (1) *Y8+ R (1) *Y9
V1 = A3 (1) *Y8+ (A3 (1) * (/>)) *Y9
S3 = M = CR =Y9
S2 = S1 = A3 (1)*Y8 + Y9
S0 = />3 (1) *Y8 + R (1) *R (3) *Y9
W2 = R (2) *Y8+ (/> (2) *R (1) *R (3) +R (2) *(/>)) *Y9
V2 = A3 (2) *Y8+ (A3 (2) * (/>)) *Y9
W3 = R (3) *Y8+ R (3) *Y9
На шестой ПЛМ, реализующую шинуВ получим:
V3 = A3 (3) *Y8+ (A3 (3) * (/>)) *Y9
W4 = R (4) *Y8+ (/> (4) *R (1) *R (3) +R (4) *(/>)) *Y9
V4 = A3 (4) *Y8+ (A3 (4) * (/>)) *Y9
W5 = R (5) *Y8+ (/> (5) *R (1) *R (3) +R (5) *(/>)) *Y9
V5 = A3 (5) *Y8+ (A3 (5) * (/>)) *Y9
W6 = R (6) *Y8+ (/> (6) *R (1) *R (3) +R (6) *(/>)) *Y9
V6 = A3 (6) *Y8 + (A3(6) * (/>)) *Y9
На седьмой ПЛМ, реализующую шинуВ получим:
W7 = R (7) *Y8+ (/> (7) *R (1) *R (3) +R (7) *(/>)) *Y9
V7 = A3 (7) *Y8+ (A3 (7) * (/>)) *Y9
W8 = R (8) *Y8+ (/> (8) *R (1) *R (3) +R (8) *(/>)) *Y9
V8 = A3 (8) *Y8+ (A3 (8) * (/>)) *Y9