Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции по проектированию цифровых устройств - файл 6_Проектир последоват схем.doc


Лекции по проектированию цифровых устройств
скачать (813.3 kb.)

Доступные файлы (11):

1_Основы алгебры логики.doc188kb.08.07.2004 05:33скачать
2а_минимизация.doc519kb.08.07.2004 06:16скачать
2_Проектиров цифр устр.doc174kb.08.07.2004 05:41скачать
3a_применение мультиплексоров.doc287kb.01.12.2001 00:22скачать
3b_Cумматоры.doc176kb.08.07.2004 05:53скачать
3c_интегральные сумматоры.doc202kb.08.07.2004 05:59скачать
3_Типовые комбинационные устройства.doc242kb.08.07.2004 06:25скачать
4_Интегральные триггеры.doc388kb.08.07.2004 06:04скачать
5_задержки в цифровых цепях.doc100kb.01.09.2004 20:00скачать
6_Проектир последоват схем.doc276kb.14.01.2007 17:22скачать
ПЦУ_программа_2002.doc111kb.01.09.2004 20:07скачать

6_Проектир последоват схем.doc

Проектирование последовательностных схем
Общие положения
К последовательностным устройствам относятся регистры, счётчики и генераторы чисел (распределители импульсов).

Регистр – это функциональный узел, выполняющий хранение и сдвиг кодов.

Счётчик – это преобразователь числа импульсов в код.

Генератор чисел – функциональный узел, дающий последовательность кодов на выходе.

В самом обобщённом виде структуру последовательной схемы можно представить в следующем виде:



Рис.1. Обобщенная структурная схема последовательностного устройства.
Система уравнений, описывающая структурную, схему содержит уравнения, связывающие значения функций возбуждения с входными сигналами и состояниями элементов памяти и функции выходов, связывающие значения выходных сигналов с входными сигналами и текущими состояниями. Комбинационное устройство 2 может отсутствовать.

Любой набор входных сигналов должен вызывать конечное число изменений выходных сигналов автомата. Обычно – это лишь одно изменение. В этом случае автомат будет называться устойчивым. Условие устойчивости записывается в следующем виде:

если ,

то , т.е.

второго переключения не происходит.

Синтез последовательностной схемы сводится к:

определению количества элементов памяти и их типа;

синтезу комбинационной схемы 1 в выбранном базисе;

синтезу комбинационной схемы 2 в выбранном базисе.

Функционирование последовательностных узлов чаще всего представляется таблицей состояний (эквивалент таблицы истинности для комбинационных схем), либо в виде графа состояний. Вершины графа - это состояния обозначаемые кружками (в кружках записываются коды соответствующие состояниям). Вершины соединяются дугами, у которых пишутся значения переменных, при которых происходит данный переход. На первом этапе проектирования определяется количество состояний и строится граф переключений.

Пример: при при

Такое устройство, однако, не отвечает условиям устойчивости, т.к. при происходит переход из 0 в 1 и обратно. Вводя дополнительные внутренние состояния можно исключить неустойчивость.


На втором этапе осуществляется выбор элементов памяти и определение функции возбуждения. Очень часто может быть осуществлена декомпозиция последовательного узла. Для таких узлов как регистры и счётчики в большинстве случаев можно осуществить поразрядную декомпозицию. Триггеры последовательностных узлов могут синтезироваться как и комбинационные узлы, но предпочтительно использовать симметричные структуры изученные ранее (R,S; D; JК и др.). Синтез на основе триггеров носит название словарного метода.

^

Регистры

Классификация


Регистры - триггерные устройства, предназначенные для хранения небольших объёмов информации и выполнения операций сдвига.

Занесение новой информации в регистр называется записью, а вывод информации - считыванием.

Для первоначальной установки всех триггеров в одинаковое состояние используется единый сигнал, а операция называется начальной установкой или сбросом.

Информация в регистре может сдвигаться при подаче специального сигнала на один или сразу несколько разрядов. Регистры с такой функцией называются сдвиговыми.

По способу записи и считывания различают регистры с параллельной и последователь-ной записью и считыванием соответственно. Можно образовать 4 разновидности таких регистров, комбинируя разные способы записи и считывания. Способа записи и считывания могут совмещаться.


Регистр сдвига может осуществлять сдвиг влево, вправо или быть реверсивным. Обычно регистр теряет информацию, выдвигаемую из него, но может иметь и кольцевую структуру. При этом вход последовательной записи соединяется с последовательным выходом регистра.

Входные и выходные сигналы могут быть однофазными и парафазными.

По способу синхронизации записи регистры делятся: на синхронизируемые уровнем (регистр защёлка) и синхронизируемы фронтом сигнала.

Сдвиговые регистры синхронизируются фронтом в случае единственного синхронизирующего сигнала. Возможно построение регистров с многофазной синхронизацией уровнем.

Существуют регистры, выполняющие много функций, их называют комбинированными или многорежимными ( многорежимный буферный регистр серии К589ИР12).
^

Синтез регистров


Синтез регистров достаточно прост, т.к. регистр представляет собой совокупность одинаковых разрядных блоков. В свою очередь разрядный блок включает в себя триггер (триггеры при многофазной синхронизации) и несложную комбинационную схему.

Выполним синтез одного разряда реверсивного счётчика на основе D-триггера. Сдвиг осуществляется на один разряд. Синтез осуществим словарным методом.

Структурную схему некоторого среднего звена регистра можно представить следующим

образом.


При А=0 сдвиг вправо

При А=1 сдвиг влево.

С – сигнал синхронизации.

При А = 0 , ; ; При С=1

При A = 1 , ; ;

Если С = 0, то состояния не изменяются.

Таблица состояний среднего разряда.

N

A









F

D


0

1

2

3

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

1

0

0

0

0

0



0



0

0

0

0

4

5

6

7

0

0

0

0

1

1

1

1

0

0

1

1

0

1

0

1

1

1

1

1



1



1

1

1

1

1

8

9

10

11

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

1

0

0

1

1

0





1

0

0

1

1

12

13

14

15

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

1

1

0

1

0

1

0

0

1

1

0





1

0

0

1

1


Здесь F – функция переходов; D –вход i –го разряда. Хотя формально количество входных переменных 4, можно видеть, что функция возбуждения D-входа триггера не зависит от предыдущего состояния триггера.

Составим карту Карно и произведём с ее помощью минимизацию функции возбуждения.




D


AQi-1

Qi+1


00


01


11


10

0

0

1

0

0

1

0

1

1

1


или через СКНФ

Приводя к базису И-ИЛИ-НЕ, будем иметь:


Структурная схема одного разряда регистра приведена ниже.

Более просты структурно регистры хранения и регистры с односторонним сдвигом информации.

В случае регистра хранения синхронизация может осуществляться как фронтом, так и уровнем. Для сдвигового регистра обязательно применять триггеры тактируемые фронтом, двухступенчатые или с многофазной синхронизацией.

^

Регистр хранения на D триггерах.




Регистр сдвига с последовательной записью и комбинированным выходом на D-триггерах, синхронизируемых фронтом.



Двухтактный регистр сдвига на D триггерах с синхронизацией уровнем.

^

Применение регистров


Регистры в вычислительной технике могут использоваться: в качестве регистров временного хранения результатов операций (буферные); для выполнения сдвигов при умножении и делении и прочих операциях;

в качестве преобразователей информации из параллельной формы в последовательную и обратно, что необходимо при создании простых линий связи ( ИРПС – RS232 и т.п. );

в качестве генераторов кодов в управляющих устройствах.

При этом часто регистр закольцовывается.
^

Основные параметры


Регистры изготавливаются в виде СИС.

Статистические параметры их те же, что и у элементов соответствующей серии, т.е. уровни логического нуля и единицы, нагрузочная способность, входные токи, потребляемая мощность или ток.

К динамическим характеристикам относятся времена распространения от различных входов до выходов. Это время установки в исходное состояние, отсчитываемое от момента подачи сигнала R до установления выходного кода. Время распространения при записи информации. Часто задаётся максимальная частота синхронизирующих импульсов. Она определяется временем задержки сигнала в комбинационной цепи и временем срабатывания триггера.

Счётчики


Последовательное устройство циклически переходящее из одного состояния в другое под действием сигнала, подаваемого на один вход, называется счётчиком.

Количество входных переключающих сигналов необходимых для перевода счётчика в исходное состояние называется коэффициентом пересчёта ( модулем счёта ).

Счётчики с наиболее распространёнными модулями счёта имеют специальные названия. Счётчик по модулю - двоичный , а - десятичный .

Счётчик можно рассматривать как сумматор значения, хранящегося в счётчике и “1”, если код в счётчике наращивается последовательно.

Такие счётчики называют суммирующими.

Если происходит последовательное уменьшение содержимого счётчика, то счётчик называется вычитающим.

Счётчики, включающие обе операции относятся к реверсивным.

По способу подачи счётных сигналов различают счётчики с последовательным переносом, параллельным и групповым переносом ( внутригруппы один способ переноса, а между группами другой ). Иногда первые называют асинхронными, а вторые синхронными.Кроме того бывают счётчики со сквозным переносом.

Задать счётчик, значит задать последовательность переходов его из одного состояния в другое.

^

Двоичные счётчики с последовательным переносом


Наиболее просты счётчики по модулю

Такой счётчик описывается следующим выражением



Qn-1+1 при Qn-1 2m-1

Qn=0 при Qn-1=2m-1
При небольшом модуле можно пользоваться таблицей переключений:



A



0

1

2

3

4

5

6

7

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1


Из таблицы видно, что каждый из р. счётчиков есть Т-триггер.

В свою очередь Т-триггер можно реализовать на базе D или J-К синхронного триггера.

Т.к. переключающий сигнал – переходит из 0 в 1, то на следующий триггер он подаётся с инверсного выхода предыдущего триггера.

Вычитающий счётчик функционирует по выражению:

при

= при
Легко понять, что он будет отличаться от суммирующего лишь способом соединения триггеров (сигнал на последующий триггер берётся с прямого выхода предыдущего).

Возможно и построение реверсивного двойного счётчика с последовательным переносом. При этом нужно предусмотреть возможность изменения направления счёта таким образом, чтобы не вызвать в схеме лишнего переключения фронтом коммутирующего сигнала.

Сигнал на вход следующего счётчика при этом будет определяться следующим образом.



=





Несколько сложнее счётчики с модулем счёта М<2к в этом случае возникает задача устранения лишних состояний - 2к –М. Это может осуществляться либо сбросом счётчика при достижении заданного состояния в начальное состояние, либо предварительной установкой в начальное состояние, код которого равен числу лишних состояний.

По первому способу определяется количество триггеров в схеме

,

Строится обычный последовательный счётчик и комбинационной схемой формируется сигнал сброса в начальное состояние.

Пример. М=10



код, по которому схема должна вернуться в исходное состояние М=10 – 1010



Четыре последовательно включенных инвертора позволяют увеличить время воздействия импульса сброса и добиться установления в начальное состояние всех триггеров. Состояние 1010 является промежуточным. Длительность импульса сброса должна быть меньше периода следования счетных импульсов.

Синтез счетчика с предустановкой покажем на том же примере. Код предварительной установки 24-10=6  0110. Схема на двух инверторах – формирователь отрицательного импульса выделяемого из спада импульса последнего триггера. Последовательность пробегаемых кодов в этой схеме



0110, 0111, 1000, 1001, 1010, 1011, 1100, 1101, 1110, 1111
Данный вариант схемы неудобен тем, что последовательность кодов не дешифруется стандартным дешифратором 410.

Основной характеристикой счётчика является разрешающее время счётчика – время соответсвующее максимальной частоте счёта. Для счётчиков с последовательным переносом.



- время разрешения первого триггера.

- задержка триггера.

- задержка схемы коммутации ( для реверс. счётчика)

- минимально-необходимая длительность состояния.

Выходной сигнал с последнего триггера счётчика имеет частоту следования в М раз меньшую. Здесь следует отметить, что двоичные счётчики, как и счётчики с произвольным модулем счёта имеют быстродействие, определяемое приведённой выше формулой. Однако, если такой счётчик используется как делитель частоты, то максимальная частота, подаваемая на его вход, равна максимальной рабочей частоте триггера.
^

Счётчики с параллельным переносом


Эти счётчики имеют существенно более высокое быстродействие, т.к. входной сигнал подаётся одновременно на входы синхронизации всех триггеров счётчика. Структура проста для двоичных счетчиков.

Анализируя таблицу состояний двоичного счетчика можно отметить два алгоритма переключения триггера n-го разряда.

  1. Переключение триггера осуществляется при переходе триггера предыдущего разряда в “0” (1 – в случае вычитающего счетчика).

  2. При единичном состоянии всех предыдущих разрядов.

Отсюда и вытекают два способа организации переноса.

1-ый – последовательный перенос (рассмотрен ранее).

2-ой – параллельный.

Рассмотрим структуру двоичного счетчика с параллельным переносом.



Обычно параллельный перенос реализуется при числе разрядов не более четырёх. Обычно для повышения быстродействия используют комбинированный перенос. Внутри группы – параллельный, а между – последовательный ( или наоборот ). Если группа – один триггер, то перенос вырождается в сквозной.



, p - количество групп;

– задержка триггера; - min длительн. состояния.



Помимо рассмотренных структур находят применение кольцевые счётчики, представляющие собой кольцевой сдвиговый регистр в который записывается код, содержащий одну единицу или один нуль, либо для обнаружения сбоев более сложные коды. Временные диаграммы рассмотрены в лабораторном цикле.

Более сложен случай произвольного модуля счета. Синтез счётчика осуществляется по таблице переходов. Таблица проста в случае естественной последовательности счёта (когда осуществима декомпозиция по разрядам).

Мы рассмотрим более сложный случай - т.н. генератор чисел.



№ п/п

А10

Предыдущее состояние

Последующее состояние

Функции перехода

Q3n

Q2n

Q1n

Q0n

Q3n+1

Q2n+1

Q1n+1

Q0n+1

F3

F2

F1

F0

1

3

0

0

1

1

0

1

0

0

0







2

4

0

1

0

0

0

1

0

1

0

1

0



3

5

0

1

0

1

1

1

1

1

0

1



1

4

7

1

1

1

1

1

0

0

1







1

5

9

1

1

0

1

1

0

1

1

1

0



1

6

11

1

0

1

1

1

1

0

1

1





1

7

13

1

1

0

1

1

1

1

0

1

1





8

14

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

1



9

15

1

1

1

1

0

0

1

1





1

1




№ п/п


А10

Функции возбуждения

J3

K3

J2

K2

J1

K1

J0

K0

1

2

3

4

5

3

4

5

7

9

0

0

0

1

*

*

*

*

*

0

1

*

*

*

0

*

0

0

1

*

*

0

1

*

1

1

*

*

1

*

*

1

*

*

*

1

*

0

0

0

6

7

8

9

11

13

14

15

*

*

*

*

0

0

0

1

1

*

*

*

*

0

0

1

*

1

*

*

1

*

0

0

*

*

1

*

0

1

*

0


Схема синтезированного счетчика представлена ниже.


^

Генератор чисел


Автоинкрементный или декрементный счётчик с заданным модулем счёта представляет собой простейший генератор натуральных упорядоченных чисел. Выше был рассмотрен генератор чисел, позволяющий получить произвольную последовательность чисел.

Если количество различных чисел меньше, чем максимальное генерируемое число, то генератор целесообразно выполнять в виде счётчика с модулем равным количеству генерируемых чисел и комбинационной схемы.

Регистр сдвига представляет собой другую разновидость генератора чисел. Здесь генерируемые коды получаются сдвигом одного и того же кода на различное число разрядов.

Генераторы чисел широко используются в качестве управляющих устройств. Следует учитывать более высокую помехоустойчивость генераторов на основе счётчиков по сравнению с генераторами на базе сдвиговых регистров, где случайный сбой в одном разряде приведёт к последующей неправильной работе устройства.


Скачать файл (813.3 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации