Разработка цифрового аппарата (стр. 1 из 3)

ФГОУ ВПО Оренбургский Государственный Аграрный Университет

Кафедра Информатики и информационного обеспечения

Курсовой проект

Тема: Разработка цифрового аппарата

Оренбург – 2010

Задание на курсовой проект

Синтезировать цифровой аппарат Мура с D-триггером, используя заданный граф микропрограммы автомата (структурная схема алгоритма).

Рисунок 1 – граф микропрограммы автомата (вариант 46).

Введение

Функции цифрового аппарата (ЦА) сводятся к вводу, выводу, хранению информации, выполнению микроопераций и вычислению логических условий. Набор элементов, на основе которых строятся структуры автоматов с указанными функциями, составляет:

а) шины, обеспечивающие передачу информации;

б) регистры, обеспечивающие хранение слов и состоящие из совокупности элементов памяти (ЭП);

в) комбинационные схемы (КС), осуществляющие вычисление логических функций.

Шины обозначают совокупность цепей, где одна цепь служит для передачи одного бита информации, с целью упрощения и чтения схем.

ЭП, составляющие регистры, выбирают, как правило, с синхронной записью или с синхронной установкой.

КС по существу является перекодирующим устройством и главным объектом синтеза ЦА. Для ее реализации используется весь арсенал элементов логических функций и умение получать простые решения минимизацией составленных для КС систем уравнений логических вычислений.

Теоретической основой управляемых ЦА являются автоматы Мили (рисунок 2) и Мура (рисунок 3).

Типичным примером автомата Мили являются электронные часы с цифровым табло, где выходные функции – сегменты индикации, а входные – кнопки режимов: при нажатии одной из кнопок устанавливается действие соответствующей управляющей функции.

Главная особенность автомата Мили заключается в возможности при одном и том же состоянии ЭП задать несколько выходных функций: индикацию текущего времени, дня недели, числа месяца, номера текущего месяца и т. д.

В промышленных устройствах автоматики, как правило, не встречаются в чистом виде автоматы одного типа. Однако в их структурах доминирует автомат Мура. Поэтому в данной работе он будет являться объектом проектирования.

1. Форма представления задания

Исходной формой задания является граф микропрограммы автомата (структурная схема алгоритма), которая, как правило, является частью программы функционирования какого-либо устройства в целом и поэтому выглядит достаточно абстрактно.

Функции ЦА, согласно графу, представленному на рисунке 1:

y_i - микрооперации, генерируемые ЦА (выходные функции);

х_i – входные функции ЦА.

После описания входных и выходных функций можно непосредственно приступить к синтезу ЦА.

2. Технология синтеза ЦА

2.1 Эскизная часть

Для начала выявим состояния ЦА Мура на графе алгоритма и обозначим их через а_i (рисунок 1).

По количеству состояний определяем необходимое количество ЭП из соотношения:

2^n-1<N<=2^n,

где N – число состояний, а n - число ЭП. Исходя из рисунка, видим, что N=8. Значит, n=3.

Здесь же делаем проверку на предмет исключения КС2 из схемы. Это эффективно в тех случаях, когда количество ЭП совпадает с числом выходных функций y_i (идеальный случай), или они отличаются на несколько единиц процентном отношении. При этом обязательным условием является отсутствие последовательно следующих одинаковых комбинаций (или групп комбинаций) выходных функций ЦА в какой-либо части алгоритма работ ЦА. В это случае состояниям ЭП присваиваются состояния выходных функций, а выходные функции y_i будут сниматься прямо с выходов ЭП.

В заданном алгоритме работы ЦА выполняется первое условие – нет одинаковых комбинаций y_i, непосредственно следующих друг за другом. Но количество выходных функций y_i (4) отличается от количества ЭП на 75%. Следовательно, синтеза КС2 не избежать. КС2 осуществляет перекодирование состояний ЭП в комбинации y_i.

Теперь остается выбрать тип ЭП. Это очень непростая задача, так как в лоб она не решается. И чтобы выбрать оптимальный вариант, приходится разрабатывать синтез ЦА на разных типах ЭП. Однако, бывают очевиднее решения. Некоторые и них:

- если количество ветвлений во много раз меньше числа состояний ЦА, то предпочтительней закодировать самый длинный цикл переходов ЭП в виде последовательного набора двоичных чисел, а для реализации этого наилучшим образом подходит JK-триггер (он разработан для двоичного счета);

- если количество ветвлений во много раз больше числа состояний ЭП, то предпочтительней подбирать эти состояния между переходами так, чтобы они отличались изменением только одного заряда; в этом случае эффективнее использовать D-триггер.

В нашем случае полная неопределенность –два ветвления и три состояния ЭП. Но согласно заданию, необходимо разработать ЦА с D-триггером.

Составляем структурную схему ЦА, так как для этого есть все данные. Результат представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 – структурная схема ЦА.

На рисунке 2 КС1 и КС2 представлены в виде черных ящиков с известными входными и выходными функциями и неизвестным содержимым.

2.2 Синтез КС2

Известны выходные функции КС2, но не установлены пока входные, которые являются состояниями ЭП. Установить их и установить соответствие между входными и выходными функциями – авторское право. Творческий подход к решению этой проблемы заключается в попытке найти наиболее простую схему КС2 методом подбора 2^n вариантов составления таблицы истинности КС2. Поскольку генерируемый ЭП код уже выбран заранее, то остается получить эти варианты только цикличным сдвигом входных кодов по отношению к выходным.

Анализ восьми вариантов таблицы истинности приведен ниже.

Таблица 1 – первый вариант таблицы истинности КС2.

Входные функции			Выходные функции				Состояния
Q2	Q1	Q0	y1	y2	y3	y4
0	0	0	0	0	0	0	a0
0	0	1	1	1	1	0	a1
0	1	0	1	1	1	1	a2
0	1	1	0	1	1	0	a3
1	0	0	0	0	1	1	a4
1	0	1	0	1	1	0	a5
1	1	0	0	0	1	0	a6
1	1	1	0	0	1	1	a7

y₁=Q₂’Q₁’Q₀+Q₂’Q₁Q₀’;

y₂=Q₂’Q₁’Q₀+Q₂’Q₁ Q₀’+Q₂’Q₁Q₀+Q₂Q₁’Q₀= Q₁’Q₀+Q₂’Q_1;

y₃=Q₂’Q₁’Q₀+Q₂’Q₁ Q₀’+Q₂’Q₁Q₀+Q₂Q₁’Q₀’+Q₂Q₁’Q₀+Q₂Q₁Q₀’+Q₂Q₁Q₀= Q₁+ Q₂+ Q₂’Q₁’Q₀;

Таблица 2 – второй вариант таблицы истинности КС2

y4=Q2’Q1 Q0’+ Q2Q’1Q0’+ Q2Q1Q0 Входные функции			Выходные функции				Состояния
Q2	Q1	Q0	y1	y2	y3	y4
1	1	1	0	0	0	0	a0
0	0	0	1	1	1	0	a1
0	0	1	1	1	1	1	a2
0	1	0	0	1	1	0	a3
0	1	1	0	0	1	1	a4
1	0	0	0	1	1	0	a5
1	0	1	0	0	1	0	a6
1	1	0	0	0	1	1	a7

y₁=Q₂’Q₁’Q₀’+Q₂’Q₁’Q₀= Q₂’Q₁’;

y₂=Q₂’Q₁’Q₀’+Q₂’Q₁’Q₀+Q₂’Q₁Q₀’+Q₂Q₁’Q₀’= Q₂’Q₁’+Q₂’Q₁Q₀’+Q₂Q₁’Q₀’_;

y₃=Q₂’Q₁’Q₀’+Q₂’Q₁’Q₀+Q₂’Q₁Q₀’+Q₂’Q₁Q₀+Q₂Q₁’Q₀’+Q₂Q₁’Q₀+Q₂Q₁Q₀’=Q₀’+ Q₁’Q₀+ Q₂’Q₁Q₀;

y₄=Q₂’Q₁’Q₀+ Q₂’Q₁Q₀+ Q₂Q₁Q₀’= Q₂’Q₀+ Q₂Q₁Q₀’

Таблица 3 – третий вариант таблицы истинности КС2

Входные функции			Выходные функции				Состояния
Q2	Q1	Q0	y1	y2	y3	y4
1	1	0	0	0	0	0	a0
1	1	1	1	1	1	0	a1
0	0	0	1	1	1	1	a2
0	0	1	0	1	1	0	a3
0	1	0	0	0	1	1	a4
0	1	1	0	1	1	0	a5
1	0	0	0	0	1	0	a6
1	0	1	0	0	1	1	a7

y₁=Q₂Q₁Q₀+Q₂’Q₁’Q₀’; y₂=Q₂Q₁Q₀+Q₂’Q₁’Q₀’+Q₂’Q₁’Q₀+Q₂’Q₁Q₀= Q₁Q₀+Q₂’Q₁’_; y₃=Q₂Q₁Q₀+Q₂’Q₁’Q₀’+Q₂’Q₁’Q₀+ Q₂’Q₁Q₀’+Q₂’Q₁Q₀+Q₂Q₁’Q₀’+Q₂Q₁’Q₀=Q₀+ Q₁’Q₀’+ Q₂’Q₁Q₀’;