Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України
Вінницький національній технічний університет
Інститут інформаційних технологій та комп’ютерної інженерії
Факультет КІ
Кафедра ПЗ
СИНТЕЗ ТАДОСЛІДЖЕННЯДВІЙКОВО-ДЕСЯТКОВОГО ЛІЧИЛЬНИКА
Пояснювальназаписка до курсової роботи
з дисципліни”Схемотехніка ЕОМ”
за спеціальністю
«Програмнезабезпечення автоматизованих систем»
08-26.СХ.013.01.000ПЗ
Керівник курсової роботи
к.т.н., доц.
____________ Д. Т.Обідник
(підпис)
«__» __________ 2011 р.
Розробила студентка гр.1ПІ-09
____________І. В.Кирнична
(підпис)
«__» __________ 2011 р.
Вінниця ВНТУ 2011
ЗМІСТ
Вступ
1. Аналіз завдання і вибір методу синтезу
2. Синтез лічильника
2.1 СИНТЕЗ 1
2.2 СИНТЕЗ 2
2.3 СИНТЕЗ 3
3. Машинне моделювання
Висновки
Література
ВСТУП
Комп'ютернасхемотехніка – це технічний напрямок, звя'заний із розробкою, відлагоджуванням,обслуговуванням цифрових комп'ютерних, комп'ютеризованих та інтегрованих схем.
Цізнання необхідні фахівця, зв’язаним з інтенсивним використанням комп’ютерноїтехніки, автоматизованих систем обробки даних і керування, спеціалістам зелектроніки та радіотехніки, цифрових автоматів і робототехніки.
Швидшерозширення областей застосування електронних пристроїв – одна з особливостейсучасного науково-технічного прогресу. Цей процес в певній мірі пов'язаний з впровадженнямінтегральних мікросхем в універсальні обчислювальні комплекси; периферійніпристрої; пристрої реєстрації і передачі інформації; автоматизовані системиуправління; пристрої для наукових дослідів; механізації і інженерної праці;побутові пристрої. Застосування інтегральних мікросхем дозволило удосконалити істворити нові методи проектування, конструювання і виробництва радіоелектронноїапаратури різноманітного призначення, підвищити їх технічні і експлуатаційніхарактеристики, традиційно виконаних на механічних принципах дії.
Мета даноїкурсової роботи – закріплення теоретичного матеріалу з дисципліни «СхемотехнікаЕОМ», а також набуття практичних навиків для синтезу та дослідженнядвійково-десяткового лічильника.
Одним із найпотужніших інструментів у проектуванні схем є системаППП OrCAD. У можливостяхцього пакету є широкий спектр інструментів, що дозволяють проектувати,досліджувати та тестувати електронні схеми. Виграш цифрового проектуванняполягає в тому, що розробникам не треба фізично збирати схему, щоб побачити яквона працює, а достатньо побудувати її віртуально і дослідити на предметрентабельності та надійності, що потребує значно менших матеріальних затрат.
Лічильники широко використовують у цифрових ЕОМ для утворенняпослідовності адрес команд, для організації циклів виконання операцій, поділучастоти імпульсів, тощо.
Лічильник забезпечує зберігання слова інформації й виконання з ниммікрооперації лічби, яка полягає в збільшенні або зменшенні вмісту лічильникана одиницю.
Модуль лічби – це кількість різних стійких станів лічильника, вякі він переходить у процесі одного циклу лічби. Для двійкових лічильниківмодуль лічби дорівнює 2n, де n – розрядність лічильника. Лічильники,кількість станів в циклі яких відрізняється від 2n, називаютьсянедвійковими. Вони можуть бути побудовані на основі двійкових лічильниківшляхом введення зворотних зв’язків або бути синтезовані як цифрові автомати.
1 АНАЛІЗ ЗАВДАННЯІ ВИБІР МЕТОДУ СИНТЕЗУ
Лічильники широко використовують у цифрових ЕОМ для утворенняпослідовності адрес команд, для організації циклів виконання операцій, поділучастоти імпульсів, тощо.
Лічильник забезпечує зберігання слова інформації й виконання з ниммікрооперації лічби, яка полягає в збільшенні або зменшенні вмісту лічильникана одиницю.
Завдання на курсову роботу передбачає синтез двійково-десятковоголічильника на основі трьох тригерів JK- та одного тригера D- типу, якіпрацюють в коді з вагою розрядів 6-2-2-1, і його моделювання на ЕОМ.
Синтезуємо і будуємо лічильник, як автомат. Такий метод синтезувключає в себе:
1) побудова таблиці станів;
2) побудова таблиці переходів;
3) побудова діаграм Вейча;
4) мінімізація діаграм Вейча;
5) реалізація отриманих функцій.
Критерій проектуваннялічильника передбачає максимум швидкодії при відносному мінімумі апаратнихвитрат. В даному завданні зображення десяткових цифр в коді 6-2-2-1неоднозначне, при чому можливі три варіанти. Тому виберемо той варіант, якийнам забезпечить мінімум апаратних витрат та відносну швидкодію лічильника.
Для моделюваннявикористаємо сучасний програмний засіб OrCAD EXPRESS for Windows.
Тригер— клас електронних пристроїв, що володіють здатністю тривало знаходитися водному з двох стійких станів і чергувати їх під впливом зовнішніх сигналів. Кожен стан тригера легкорозпізнається за значенням вихідної напруги. По характеру дії тригеривідносяться до імпульсних пристроїв — їх активні елементи (транзистори, лампи)працюють в ключовому режимі, а зміна станів триває дуже короткий час.
Відмітноюособливістю тригера як функціонального пристрою є властивість запам'ятовуваннядвійкової інформації. Під пам'яттю тригера мають на увазі здатність залишатисяв одному з двох станів і після припинення дії перемикального сигналу. Прийнявшиодин із станів за «1», а інше за «0», можна вважати, що тригер зберігає(пам'ятає) один розряд числа, записаного в двійковому коді.
Класифікаціятригерів:
· заспособом організації логічних зв’язків розрізняють тригери з запускомRS-тригери; з лічильним входом Т-тригери; тригери затримки D-тригери;універсальні JK-тригери; комбіновані (наприклад, RST-, JKRS-, DRS-тригери).
· заспособом запису інформації тригери поділяють на несинхронізовані (асинхронні,нетактові) і синхронізовані (тактові).
· закількістю інформаційних входів тригери можуть бути з одним, двома та багатьмавходами.
· завидом вихідних сигналів тригери поділяються на статичні і динамічні. Статичнітригери – тригери, в яких вихідні сигнали в стійких станах залишаютьсянезмінними в часі. Динамічні тригери – тригери, в яких вихідні сигнали встійких станах змінюються в часі.
· заспособом запам’ятовування інформації тригери можуть бути з логічною і фізичноюорганізацією пам’яті. Перші виконують на логічних елементах І, АБО, НІ, І-НІ,АБО-НІ, І-АБО-НІ і т.д., а другі є елементами запам’ятовувальних пристроїв, уяких використовують нелінійні властивості матеріалів або нелінійнівольт-амперні характеристики компоненті.
2 СИНТЕЗ ЛІЧИЛЬНИКА
2.1 СИНТЕЗ 1
Згідно завдання, потрібносинтезувати синхронний двійково-десятковий лічильник, на основі одного тригераD- типу та трьох тригерів JK-типу, які працюють в коді з вагою розрядів6-2-2-1.
Закон функціонуваннялічильника задамо таблицею, в якій в кожному з десяти станів лічильникапоставимо у відповідність значення станів тригерів лічильника, беручи до уваги,при цьому, що вага розрядів тригерів відповідно дорівнює 6, 2, 2 і 1. Розглянемо три варіанти і виберемо тойз них, який потребує менших затрат обладнання.
Розглянемо перший з них:
Таблиця 2.1 –Таблиця функціонування лічильника
Десяткова
цифра Вага розрядів Функції збудження
6
Т4
2
Т3
2
Т2
1
Т1 J4 K4 D3 J2 K2 J1 K1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
1
1
1
1
1
1
1
*
*
*
1
*
*
*
*
1
*
*
*
1
1
*
1
*
1
*
1
*
*
*
1
*
1
*
1
*
*
1
Втаблиці записано значення сигналів на входах D- та JK- тригерів, які необхідносформувати, щоб забезпечити вірну роботу лічильника в відповідності з закономфункціонування. Згідно логіки роботи D-тригера зазначимо, що вказані сигналибудуть відповідати значенням тригерів в наступному такті.
JK-тригердіє наступним чином:
Перехід логічного 0 в логічну 1можна реалізувати двома способами: або встановити тригер в одиницю, або інвертуватийого стан, тобто, потрібно щоб, на J-була постійно 1, а на К або 1, або 0(ставимо зірочку *), аналогічно перехід з 1 в 0 — на К повинна бути логічна 1,а на J-зірочка (1 або 0). Якщо перехід з 0 в 0 або з 1 в 1, то можна абозберегти попередній стан тригера, або встановити в 0 чи 1 відповідно, тобто наJ- повинен бути 0, а на К- зірочка (0 в 0) і на К- 0, а на J-зірочка, якщо з 1в 1. Робота тригерів показана в таблиці 2.1.2:
Таблиця 2.2— таблиця переходів J K D 0→0 * 0→1 1 * 1 1→0 * 1 1→1 * 1
Згіднотаблиці проведемо мінімізацію функцій D- та JK-входів тригерів за допомогоюдіаграми Вейча.
Вклітинах діаграми Вейча проставляється значення функції на відповідному наборізмінних. При мінімізації сусідні клітини (дві, чотири, вісім, шістнадцять)обводяться контуром. Для кожного контуру, відповідному доданку функції,залишаються тільки ті змінні, або їх інверсії, які для всіх клітинок цьогоконтуру не змінюють свого значення. Стани, відмічені знаком Х ( на яких функціяне приймає значень ), є надлишковими. Вони можуть використовуватись дляспрощення ( мінімізації ) функцій. На наборах, відмічених знаком Х, заданихфункцій визначають таким чином, щоб вони були подані в мінімальній формі, щодозволить скоротити апаратні витрати на реалізацію лічильника.
Намалюємодіаграми Вейча для функцій входів тригерів:
/>
Рисунок 2.1 – ДіаграмиВейча для функцій
збудженнятригерів. Синтез перший
Згіднодіаграм Вейча запишемо значення функцій на D- та JK- входах тригерів іперетворимо їх до виду, зручного для реалізації на елементах “АБО, НІ”./> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
K1= Т3 Т1+Т2+Т1 = Т3+Т1+Т2+Т1/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
J1= Т1 Т3+Т1Т4 =Т1+Т3+Т1+Т4/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
K2= Т1 Т3+Т4 =Т1+Т3+Т4/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
J2= Т1 Т3+Т3 Т4 =Т1+Т3+Т3+Т4/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
/>/>/>/>/>/>D3= Т1 Т4+ Т1 Т2+ Т1 Т3 =Т1+Т4+Т1+Т2+Т1+Т3
K4= Т2 = Т2
/>/>/>J4= Т1 Т3 =Т1+Т3
Для того щоб вибрати схему за критеріями курсової роботи, потрібнооцінити складність апаратної реалізації цієї схеми за Квайном (сумарнакількість всіх входів у схемі) K=46.
2.2 СИНТЕЗ 2
Розглянемо другий варіантсинтезу:
Таблиця 2.3 –Таблиця функціонування лічильника
Десяткова
цифра Вага розрядів Функції збудження
6
Т4
2
Т3
2
Т2
1
Т1 J4 K4 D3 J2 K2 J1 K1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
*
*
*
*
*
*
*
*
*
1
1
1
1
1
*
1
*
1
*
*
*
1
*
*
*
*
1
*
1
*
1
*
1
*
1
*
1
*
*
1
*
1
*
1
*
1
*
1
Отримаємодіаграми Вейча для цього випадку:
/>
Рисунок 2.2 – ДіаграмиВейча для функцій
збудженнятригерів. Синтез другий
Згіднодіаграм Вейча запишемо значення функцій на D- та JK- входах тригерів для цьоговипадку.
K1= 1
J1= 1 /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
K2= Т2 Т3 =Т2+Т3/> /> /> /> /> /> />
/>/>/>/>/>J2= Т1 Т3 + Т2 Т3 Т4 =Т1+Т3+Т2+Т3+Т4/> /> /> /> /> /> /> /> /> />
/>/>/>/>/>/>D3= Т2 Т3 Т4 + Т1 Т3 + Т2 Т3 Т4=Т2+Т3+Т4+Т1+Т3+Т2+Т3+Т4/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
K4= Т3 Т4 = Т3+Т4/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
J4= Т1 Т2 =Т1+Т2
Складністьапаратної реалізації цієї схеми за Квайном K=37
2.3 СИНТЕЗ 3
Розглянемотретій варіант:
Таблиця 2.4 –Таблиця функціонування лічильника
Десяткова
цифра Вага розрядів Функції збудження
6
Т4
2
Т3
2
Т2
1
Т1 J4 K4 D3 J2 K2 J1 K1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
*
*
*
*
*
*
*
*
*
1
1
1
1
1
1
*
*
1
*
*
*
*
*
*
1
*
*
1
1
*
1
*
1
*
1
*
1
*
*
1
*
1
*
1
*
1
*
1
Намалюємодіаграми Вейча для функційвходів тригерів:
/>
Рисунок 2.3 – ДіаграмиВейча для функцій
збудженнятригерів. Синтез третій
Згіднодіаграм Вейча запишемо значення функцій на D- та JK- входах тригерів для цьоговипадку.
K1= Т1
J1= Т1
K2= Т1/> /> /> /> /> /> />
/>/>/>/>J2= Т1 Т3 + Т1 Т4 =Т1+Т3+Т1+Т4/> /> /> /> /> /> /> /> /> />
/>/>/>/>/>/>D3= Т1 Т2 Т4 + Т1 Т3=Т1+Т2+Т4+Т1+Т3
/>
/>/>K4= Т1 Т2 = Т1+Т2
/>
/>/>J4= Т1 Т2 =Т1+Т2
Складністьапаратної реалізації цієї схеми за Квайном K=26, що менше ніж упопередніх випадках, тому остання схема більш простіша і потребує меншоїкількості апаратних витрат.
3 МАШИННЕ МОДЕЛЮВАННЯ
синхронний двійковий десятковий лічильник
Змоделювавшисхему лічильника у середовищі «OrCAD» ми отримали схему, що зображена нарисунку 3.1.
/>
Рисунок 3.1 – Функціональна схема двійково-десятковоголічильника
Дляправильної роботи лічильника, необхідно правильно задати вхідні сигнали, лишепри цій умові вихідні сигнали будуть вірними. На R(анг. Reset – скинути)-вхіднеобхідно подати короткочасний «0», на S(анг. Set – встановити) подаємопостійну одиницю, а на C(синхронний)-вхід подавати періодичний сигнал зперіодом починаючи від 60нс. Дана схема нормально функціонує при 60нс, зображенона рисунку 3.2. Але це не мінімальний період. Тому, методом підбору,визначаємо, що мінімальний період має 53нс, роботу лічильника при мінімальномуперіоді зображено на рисунку 3.3.
/>
Рисунок 3.2 –Часова діаграма роботи лічильника при періоді у 100нс
/>
Рисунок 3.3 –Часовадіаграма роботи лічильника при мінімальному періоді
Якщоперіод коливання на C-вході зменшити хоча б на одиницю, то лічильник перестанепрацювати коректно, відбуватиметься це тому, що цього періоду не буде достатньощоб усі тригери лічильника прийняли правильний стан. У даному випадку найпершимвідмовляє вихід Т3, причиню цього є те, що цей вихід обслуговується тригеромD3, а D3 обслуговується найбільшою функцією, що є у схемі. Тобто ця функція маєнайбільшу затримку серед усіх реалізованих у схемі.
/>
Рисунок 3.4 –Часова діаграма роботи лічильника при періоді,
меншому замінімальний
Після визначеннямінімального періоду потрібно визначити максимальну тактову частоту, вонаобчислюється за формулою (3.1)
/> (3.1)
Підставивши в формулуотримані значення визначимо максимальну тактову частоту (3.2)
/> (3.2)
Такожпотрібно виміряти час реєстрації лічильника. Час реєстрації лічильника – ценайбільший період часу протягом якого лічильник установиться у новий стан післядії активного (у даному випадку передній фронт на C-вході) значення сигналу.При дослідженні часової діаграми (рисунок 3.5) було виявлено, що час реєстраціїдорівнює 18нс, але інколи між станами виникають короткочасні хибні стани, томунекоректно вважати, що час реєстрації складає саме 18нс.
/>
Рисунок 3.5 – Часреєстрації лічильника
ВИСНОВКИ
В даній курсовійроботі було синтезовано і промодельовано двійково-десятковий лічильник. Булопроведено три синтези, для того щоб за Квайном визначити складність апаратноїреалізації, і обрати найпростіший варіант. Найпростішим виявився останнійваріант, зі складністю апаратної реалізації по Квайну K=26. Лічильникбуло побудовано на елементах базису АБО, Ні.
Мінімізація функційвходів тригерів забезпечує мінімум апаратних витрат на реалізацію комбінаційноїчастини лічильника. З часової діаграми роботи двійково-десяткового лічильникавидно, що лічильник проходить всі стани які відповідно кодують цифри від 0 до 9(згідно таблиці функціонування), що й було необхідно.
Після побудовилічильника, його було досліджено, і виявлено найбільшу тактову частоту – 1МГц,і найменший період при якому схема працює — 53нс. Також було визначено часреєстрації лічильника – 18нс.
ЛІТЕРАТУРА
1. Пєтух А., Обідник Д. Схемотехніка ЕОМ. – Вінниця: ВДТУ 1999.
2. Пєтух А., Войтко В. Прикладна теорія цифрових автоматів. –Вінниця: ВДТУ, 2001.
3. Богданович М. И. и др. Цифровые интегральные микросхемы. – Минск: Беларусь,1996. – 492 с.
4. Справочник поинтегральным микросхемам / Б.В.Тарабрин и др.; Под ред. Б.В.Тарабрина. — М.:Энергия, 1985.
5. Самофалов К.Г. идр. Цифровые электронные вычислительные машины. Киев: Вища школа, 1983.