Проектирование цифровых устройств

Проектирование цифровых устройств
скачать (1026.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc

1027kb.

15.12.2011 17:01

скачать

содержание

1.doc

1 2 3 4 5 6

МОУ Псковский политехнический институт
Кафедра ИСТ

Курсовой проект

по дисциплине: «Теория автоматов»

«Проектирование цифровых устройств»

Над проектом работал:

студент гр. 082 – 1004

Авдонин А. М.

Проект проверил:

преподаватель

Самсоненков В. А.

Псков

2010

Введение

Этапы проектирования цифровых устройств.

Проектирование любого цифрового устройства состоит из следующих этапов:

Абстрактный синтез. Сюда входят этапы, не поддающиеся формализации.
- Рождение идеи. Формулировка цели проектирования.
- Составление технического задания на разработку (проектирование и реализацию).
- Составление таблиц переходов и выходов автомата, которые задают алгоритм его функционирования.
Структурный синтез в булевой логике. Сюда входят этапы, в ходе которых создается структура автомата (функциональная схема) на НЕ, ИЛИ, И вентилях и триггерах.
- Кодирование элементов множеств в двоичном коде.
- Заполнение кодированной таблицы переходов и выходов.
- Составление системы логических уравнений для функций возбуждения элементарных автоматов и функций выхода в виде СДНФ по кодированной таблице переходов и выходов, которая рассматривается как таблица истинности.
- Минимизация логических уравнений. Переход от СДНФ к МДНФ (будем выполнять минимизацию по Карно.)
- Составление функциональной схемы по МДНФ уравнениям на НЕ, И, ИЛИ элементах и выбранных типах триггеров. В схему добавляются служебные сигналы:
  - Сброс памяти автомата в исходное состояние
  - Синхронизация вывода выходных сигналов
  - Синхронизация смены состояния памяти автомата
Техническая реализация автомата в виде устройства .
- Разработка принципиальной схемы. Выбирается серия микросхем с соответствующей технологией производства. При этом учитываются быстродействие и потребляемая мощность. Каждая технология производства интегральных схем характеризуется базовым элементом, имеющим минимальную структуру, минимальную задержку выхода относительно входа и являющегося функционально полной системой элементов. (будем работать с технологией ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), серия микросхем 1533, базовый элемент – И-НЕ (логика Шеффера).
- Составление спецификации по принципиальной схеме.
- Составление таблицы соединений, т. е. разводка связей вентилей и триггеров в соответствии с принципиальной схемой.
- Комплектация, т. е. закупка компонентов и входной контроль компонентов.
- Изготовление печатной платы, т. е. нанесение дорожек (согласно таблице соединений) и посадочных мест под компоненты.
- Монтаж – установка на свои места компонентов и распайка контактов.
- «Оживление» - контроль потребляемого тока, устранение соединения дорожек или разрывов дорожек. Тестирование – проверка работы на соответствие таблице переходов и выходов. На этом этапе проект алгоритма превращается в алгоритм в случае положительного тестирования.
- Оформление документации – описание работы устройства, указания по поиску неисправностей, указание надежности устройства.
Маркетинг.

В выполняемом курсовом проекте будут отрабатываться этапы с 1 по 11 включительно.

^

Первая часть курсового проекта.

Идея.

Спроектировать синхронный автомат, реализующий работу кодового замка с последовательной подачей двоичного кода. Ключом к замку является PIN-код. Набор кода осуществляется со старшего разряда.

^

Техническое задание.

Для дальнейшего проектирования необходимо определить три множества:

X

Структура

выход
– множество входных сигналов;

Y
вход
– множество выходных сигналов

А

{X}
– множество состояний автомата.

{Y}

Формирование PIN-кода: №_группы_№_в_журнале_группы (номера групп и номера в журналах кодируются в порядке натурального ряда: первая группа - 001, вторая группа – 010 и т. д.).
PIN – код : №_группы: четвертая – 100; №_в_журнале – 1 = 00001.

Т. о. PIN-код = 10000001.

Общая схема замка:

У замка 3 кнопки: 0, 1, сброс – 3 сигнала. Т. к. сигнал «сброс» является служебным и в синтезе не участвует, на входе 2 сигнала, т. е. {X} = {x₀,x₁}, где х₀ = 0; х₁ = 1 .
Замок может принимать 2 состояния: закрыт (у0) и открыт(y1), т. е. {Y} = {y0,y1}.
О

пределение множества состояний автомата может производиться несколькими способами( например, с помощью таблицы истинности). Для большей наглядности выберем другой способ и определим множество состояний с помощью графа, когда каждое состояние – вершина графа; в дугах указываются сигналы, при которых осуществляется переход из одного состояния в другое. Число состояний наперед известно ( в данной задаче 8 состояний а₀ – а₇ т. к используемый PIN-код 8-мибитный и содержит 8 разрядов.).

Л
^ Рисунок 1 «Граф автомата»
юбое цифровое устройство имеет исходное состояние, которое обозначается а₀.
Обозначения :

а₀ – а₇ – состояния автомата:

х₀ – х₁ – сигналы по которым осуществляется переход в новое состояние;

у₀ – у₁ – сигналы выдаваемые перед переходом в новое состояние.

Автомат с таким графом – автомат Мили ( выполним первую часть курсового проекта как автомат Мили.).

^

Составление таблиц переходов и выходов

На основании графа сформируем автоматные таблицы переходов и выходов, которые задают алгоритм функционирования автомата..

^ Таблица 1 «Переходы в автомате» Таблица 2 «Выходы автомата»

	A₀	A₁	A₂	A₃	A₄	A₅	A₆	A₇
X₀	A₀	A₂	A₃	A₄	A₅	A₆	A₇	A₀
X₁	A₁	A₀	A₀	A₀	A₀	A₀	A₀	A₀

	A₀	A₁	A₂	A₃	A₄	A₅	A₆	A₇
X₀	Y₀	Y₀	Y₀	Y₀	Y₀	Y₀	Y₀	Y₀
X₁	Y₀	Y₀	Y₀	Y₀	Y₀	Y₀	Y₀	Y₁

Кодирование элементов множеств

Т. к. проектируемый автомат работает с двоичным кодом, то множества входных/выходных сигналов и множество состояний необходимо закодировать соответствующим образом.

Т. к на входе и на выходе автомата 2 сигнала для их кодирования нужен 1 бит - х₁ф (x - физическое) и у₁ф (у физическое) соответственно для входных и выходных сигналов.
^ Таблица 3 «Кодирование входных сигналов» Таблица 4 «Кодирование выходных сигналов»

	Х₁ф
Х₀	0
Х₁	1

	Y₁ф
Y₀	0
Y₁	1

На основании графа находим, что количество состояний автомата равно 8, значит, для их кодирования нам потребуется 3 бита, т. к. каждый бит может быть зафиксирован 1 триггером, то количество триггеров – 3 . Обозначим выходы триггеров как Q₂,Q₁,Q₀. Кодирование будем вести как нумерацию состояний автомата в двоичном коде в порядке натурального ряда, т. к. проектируемый автомат является синхронным..
^ Таблица 5 «Кодирование состояний автомата»

Примечание: мы можем использовать такой способ кодирования, т. к. переход из одного состояния в другое осуществляется по синхроимпульсу и время переключения триггеров τ_перменьше, чем время задержки по цепям обратной связи τ_ос. Для асинхронных автоматов этот способ не пригоден, т. к. при переходе к очередному состоянию должно меняться состояния только одного триггера. И кодирование состояний должно удовлетворять этому требованию (в нашем случае это не выполняется, например, при переходе а₃ – а₄ меняются сразу три бита).

Q₂

Q₁

Q₀

A₀

0

0

0

A₁

0

0

1

A₂

0

1

0

A₃

0

1

1

A₄

1

0

0

A₅

1

0

1

A₆

1

1

0

A₇

1

1

1

Выбор типа элементарных автоматов (триггеров)

На практике используются RS, D,T,JK – триггеры. Различают триггеры с динамическим и потенциальным способом приема информации. В проектируемом автомате будем использовать D – триггеры с динамическим способом приема информации ( в них прием информации осуществляется по синхроимпульсу – автомат синхронный), т. к. у них самая простая матрица переходов.

^ Рисунок 2 «D – триггер»
Таблица 6 «Матрица переходов D-триггера»

Q(t)	Q(t+1)	q(t)
0	0	0
0	1	1
1	0	0
1	1	1

1 2 3 4 5 6

Скачать файл (1026.5 kb.)

Проектирование цифровых устройств - файл 1.doc

Доступные файлы (1):

1.doc

Введение

Этапы проектирования цифровых устройств.

Первая часть курсового проекта.

Идея.

Техническое задание.

Составление таблиц переходов и выходов

Кодирование элементов множеств

Q2 Q1 Q0 A0 0 0 0 A1 0 0 1 A2 0 1 0 A3 0 1 1 A4 1 0 0 A5 1 0 1 A6 1 1 0 A7 1 1 1 Выбор типа элементарных автоматов (триггеров)

Q₂

Q₁

Q₀

A₀

0

0

0

A₁

0

0

1

A₂

0

1

0

A₃

0

1

1

A₄

1

0

0

A₅

1

0

1

A₆

1

1

0

A₇

1

1

1

Выбор типа элементарных автоматов (триггеров)