Разработка цифрового микропрограммного автомата
Хабаровский Институт Инфокоммуникаций
ГОУ ВПО
Сибирский государственный университет
Телекоммуникаций и информатики
Факультет дневного обучения
Среднее профессиональное образование
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
По дисциплине
Вычислительная техника
на тему:
«Разработка цифрового микропрограммного автомата».
Выполнил:
Проверила:
Шифр:
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 3
1 Основные понятия МПА 4
2 Структурная схема МПА 5
3 Синтез МПА
3.1 Описание алгоритма и составление графа переходов, таблицы
кодирования состояний 7
3.2 Составление таблицы
функционирования состояний
3.3 Составление логических выражений для комбинационной части схемы 13
4 Синтез преобразователя кода 14
5 Выбор индикатора 18
6 Выбор микросхем 21
7 Формирование логических схем 24
8 Техническое описание работы устройства 26
Заключение 27
Список используемой литературы 28
В любой сфере человеческой деятельности - в науке, технике, производстве, методы и средства Вычислительной техники направлены на повышение производительности труда. В связи с этим уровень специалистов в существенной мере определяется их подготовкой в следующих направлениях, связанных с применением средств вычислительной техники:
- автоматизированное управление технологическими процессами, включая автоматизированный контроль и диагностику технических средств;
- использование ЭВМ для автоматизированного
проектирования, научных исследований,
административно-
организационного управления.
Вычислительная техника получила широкое распространение в народном хозяйстве. Нет ни одной отрасли, в которой не использовались бы электронно-вычислительные машины (ЭВМ). Идет, как принято говорить всеобщая компьютеризация, вплоть до использования ЭВМ в домашнем хозяйстве. Решается задача всеобщей компьютерной грамотности. Во многих учебных заведениях, в том числе средних профессиональных, готовят специалистов по вычислительной технике. Поэтому учебное пособие «Основы вычислительной техники», столь необходимое для подготовки таких специалистов, получит самое широкое распространение. Оно содержит все необходимые сведения об информационных, логических и арифметических основах ЭВМ, о методах анализа и синтеза устройств ЭВМ. Приводятся также характеристики устройств и ЭВМ в целом, особенности структурного построения вычислительных систем. Изображенный материал закладывает необходимую базу знаний, позволяющую студентам самостоятельно изучить дополнительные разделы вычислительных наук, например специализированные ЭВМ, сети ЭВМ и т.п.
Цель курсовой работы – синтез микропрограммного автомата и закрепление знаний по разработке схемы цифрового автомата на основе микросхем малой степени интеграции.
1 Основные понятия МПА
Микропрограммный автомат является цифровым автоматом. МПА под действием входных сигналов принимает состояние в соответствии с набором значений входных сигналов, и выдают сигнал, зависящий от внутреннего состояния и входных сигналов. Другими словами, цифровой автомат представляет собой вычислительное устройство или узел, содержащий элементы памяти и выполняющий дискретные преобразования над хранящийся в автомате информацией.
Автоматы бывают синхронные и асинхронные. Асинхронные автоматы непосредственно реагируют на любое изменение входного воздействия. В результате изменения их состояний возбуждаются все цепочки взаимодействия между элементарными автоматами. С целью исключения ложных переключений и упрощения синтеза в вычислительных устройствах используются в основном синхронные элементарные автоматы, содержащие входы синхронизации. С их помощью жестко устанавливается последовательность взаимодействия элементарных автоматов в определенные тактовые промежутки времени.
Существует два принципиально разных подхода к проектированию МПА (УУ): использование принципа схемной логики и использование принципа программной логики.
В первом случае в процессе проектирования подбирается некоторый набор цифровых микросхем и определяется такая схема соединения их выводов, которая обеспечивает требуемое функционирование.
Также, большое распространение получил принцип построения с программируемой логикой. Используется одна или несколько БИС универсального устройства, в котором требуемое функционирование (т.е. специализация устройства на выполнение определённых функций) определяется занесением в память устройства определённой программы (или микропрограммы) в зависимости от введенной микропрограммы.
Такое универсальное управляющее устройство способно обеспечить требуемое управление операционным устройством при решении самых разнообразных задач.
2 Структурная схема МПА.
Рис- 2.1
Процессор осуществляет непосредственно обработку данных и программное управление процессом обработки данных. Он синтезируется в виде соединения двух устройств: операционного и управляющего.
Операционное устройство (ОУ) - устройство, в котором выполняются операции. Оно включает в качестве узлов регистры, сумматоры, каналы передачи информации, мультиплексоры для коммутации каналов, шифраторы, дешифраторы и т.д. Управляющее устройство (ОУ) координируют действия узлов операционного устройства; оно вырабатывает в некоторой временной последовательности управляющие сигналы, под действием которых в узлах операционного устройства выполняются требуемые действия. Каждое элементарное действие, выполняемое в одном из узлов ОУ в течение одного тактового периода, называется микрооперацией. В определенные тактовые периоды одновременно могут выполняется несколько микроопераций, например,R2 Такая совокупность одновременно выполняемых микроопераций называется микрокомандой, а весь набор микрокоманд, предназначенный для решения определенной задачи - микропрограммой.
Таким образом, если в операционном устройстве предусматривается возможность исполнения n-различных микроопераций, то из управляющего устройства выходят n -управляющих цепей, каждая из которых соответствует определенной микрооперации. И если необходимо в операционном устройстве выполнить некоторую микрооперацию, достаточно из управляющего устройства по определенной управляющей цепи, соответствующей этой микрооперации, подать сигнал (например, напряжение уровня логической 1(единицы)). В силу того, что управляющее устройство определяет микропрограмму, т.е. какие и в какой временной последовательности должны выполняться микрооперации, оно получила название микропрограммного автомата. Формирование управляющих сигналов
Формирование управляющих сигналов y1,……,yn для выполнения микрокоманд может проходить в зависимости от состояния узлов ОУ, определяемого сигналами X1,……,Xs, которые подаются с соответствующих выходов ОУ на входы УУ. Управляющие сигналы y1,……,yn могут также зависеть от внешних сигналов XS+1,…..,XL . Для сокращения числа управляющих цепей, выходящих из УУ (в тех случаях, когда оно конструктивно выполняется отдельно от операционного), микрокоманды могут кодироваться.
Цель курсовой работы состоит в проектировании управляющего устройства, то есть МПА. Структурная схема УУ представлена на рисунке 2.2.
3 Синтез микропрограммного автомата
3.1 Описание алгоритма и составление графа переходов, таблицы кодирования состояний.
Задача проектирования в курсовой работе поставлена передо мной в виде алгоритма, изображенного на рисунке 3.1.
Переход автомата из одного состояния в другое происходит под действием управляющих команд Y и входных сигналов X.
Для синтеза МПА удобно использовать граф переходов(рисунок 3.2).
Внутренние состояния обозначаются кружками, внутри круга буква “А” – это узлы графа.
Узлы соединения
дугами, которые показывают
Система находиться в состоянии A0. Из A0 система переходит в состояние A1 под воздействием микрокоманд y1 y5 y6 без выполнения условий. Из состояния A1 система переходит в состояние A2 под воздействием микрокоманды y1 y3 y6 без выполнения условий. Далее из состояния A2 система переходит в состояние A3 под воздействием микрокоманд y2 y3 y5 без выполнения условий. Из состояния A3 система переходит в состояние A4 под воздействием микрокоманды y1 y5 без выполнения условий. Из состояния A4 система переходит в состояние A5 под воздействием микрокоманды y1 y4 y3 с выполнением условий (x3).Также из состояния A4 система переходит в состояние A8 под воздействием у4у5 с выполнением условий( 3).
Далее система из состояния A5 переходит в состояние A6 под воздействием микрокоманд y1 y5 y7 без выполнения условий (x). Из состояния A6 система переходит в состояние A7 под воздействием микрокоманд y2 y6 y7 без выполнения условий . Далее из состояние A7 система переходит в состояние A2 под воздействием микрокоманды y1 y6 без выполнения условий. Из состояния A8 система переходит в состояние A9 под воздействием микрокоманды y1 y5 y4 с выполнением условий ( 4),также из состояния A8 система переходит в состояние A11 под воздействием микрокоманды y2 y3 y4 с выполнением условий 4).А также из состояния А11 система переходит в А7 под воздействием микрокоманды y2 y6 y7 с выполнением условий( 1).Из состояния A9 система переходит в состояние A10 под воздействием микрокоманд y2 y4 y6 с выполнением условий ( 4).Из состояния A10 система переходит в состояние A1 под воздействием микрокоманд y2 y3 y5 y7 без выполнения условий . Также из состояния A9 система переходит в состояние A0 под воздействием микрокоманд y2 y4 y6 с выполнением условий ( 4).Из состояния A9 система переходит в состояние A3 под воздействием микрокоманд y3 y1 y2 с выполнением условий (x2) .
Обозначенные внутренние состояния кодируются, то есть буквенному обозначению присваивается двоичный код (Таблица 3.1)
Таблица 3.1 – Таблица состояний
Внутреннее состояние |
Q4 |
Q3 |
Q2 |
Q1 |
A0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
A1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
A2 |
0 |
0 |
1 |
0 |
A3 |
0 |
0 |
1 |
1 |
A4 |
0 |
1 |
0 |
0 |
A5 |
0 |
1 |
0 |
1 |
A6 |
0 |
1 |
1 |
0 |
Для удобства используют таблицу переходов для JK – триггеров. Эта таблица также необходима для составления таблицы функционирования.
Переход |
J |
K |
0-0 |
0 |
- |
0-1 |
1 |
- |
1-0 |
- |
1 |
1-1 |
- |
0 |
3.2 Составление
таблицы функционирования
После построения графа переходов для составления логических выражений необходимо составить таблицу функционирования состояний задающего цифрового автомата (Таблица 3.3).
Заполняется таблица по графу и в соответствии с таблицей переходов.
Таблица функционирования содержит графы, в которые заносят данные следующего состояния, в которые должны перейти устройства и входные сигналы комбинационного узла.
Сигналы установки триггера записываются путем сравнения текущего состояния триггера со следующим и проставляются в таблице в соответствии с типом перехода.
Текущее состояние |
Следующее состояние |
условия |
Сигнал управления триггерами |
Выходные сигналы | |||||||||||||||||||||||||
№ |
Q4 |
Q3 |
Q2 |
Q1 |
№ |
Q4 |
Q3 |
Q2 |
Q1 |
X4 |
X3 |
X2 |
X1 |
J4 |
K4 |
J3 |
K3 |
J2 |
K2 |
J1 |
K1 |
Y1 |
Y2 |
Y3 |
Y4 |
Y5 |
Y6 |
Y7 | |
A0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
A1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
- |
- |
- |
- |
0 |
- |
1 |
- |
- |
1 |
- |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 | |
A1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
A2 |
0 |
1 |
0 |
1 |
- |
- |
- |
0 |
0 |
- |
- |
0 |
0 |
- |
1 |
- |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 | |
A2 |
0 |
0 |
1 |
1 |
A3 |
0 |
1 |
1 |
0 |
- |
- |
- |
- |
0 |
- |
- |
0 |
1 |
- |
- |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 | |
A3 |
0 |
1 |
0 |
0 |
A4 |
0 |
1 |
1 |
1 |
- |
- |
- |
- |
0 |
- |
- |
0 |
- |
0 |
1 |
- |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 | |
A4 |
0 |
1 |
0 |
0 |
A5 |
1 |
0 |
0 |
0 |
- |
- |
- |
- |
1 |
- |
- |
1 |
- |
1 |
- |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 | |
A5 |
0 |
1 |
0 |
1 |
A3 |
0 |
1 |
1 |
0 |
- |
- |
0 |
- |
- |
1 |
1 |
- |
1 |
- |
0 |
- |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 | |
A6 |
0 |
1 |
1 |
0 |
A2 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
- |
- |
- |
- |
1 |
1 |
- |
0 |
- |
- |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 | |
A6 |
0 |
1 |
1 |
1 |
A0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
- |
- |
- |
- |
0 |
0 |
- |
1 |
- |
- |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 | |
A5 |
1 |
0 |
0 |
0 |
A0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
- |
1 |
- |
- |
- |
0 |
0 |
- |
1 |
- |
1 |
- |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 | |
А1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
А6 |
1 |
0 |
0 |
1 |
- |
- |
- |
1 |
0 |
- |
- |
1 |
0 |
- |
1 |
- |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 | |
А4 |
1 |
0 |
0 |
1 |
А0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
- |
- |
1 |
- |
0 |
- |
- |
1 |
- |
0 |
- |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 | |
Таблица 3.3- Таблица функционирования состояний
3.3 Составление
логических выражений для
По заполненной таблице функционирования (Таблица 3.3) составляю логические выражения МПА.
Для четвертого входа триггера:
Для третьего входа триггера:
Для второго входа триггера:
Для первого входа триггера:
Для выполнения операций:
4 Синтез преобразователя кода
В данной курсовой работе необходимо предусмотреть цифровую индикацию всех состояний МПА. Для этой цели нам понадобиться преобразователь кода, который под действием управляющих сигналов будет изменять состояния на своих выходах в таком порядке, в каком будут изменяться состояния на выходах КЦУ и будут высвечиваться соответствующей цифрой.
Для того, чтобы построить преобразователь кода необходимо составить таблицу переходов из кода «8421» в семисегментный. По таблице соответствия строятся диаграммы Вейча (или карты Карно). Для получения логических выражений функции выходного сигнала и осуществляется минимизация. Затем строится логическая схема по полученным функциям, выбираются микросхемы заданной серии и строятся схемы преобразователя кода с использованием выбранных микросхем.
Десятичное число |
Код «код с избытком три» |
Семисегментный код | |||||||||
X4 |
X3 |
X2 |
X1 |
A |
B |
C |
D |
E |
F |
G | |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
2 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
3 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
4 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
5 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
6 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
7 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
8 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
9 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
Таблица 4.1 – Таблица соответствия кодов
Для построения логической схемы преобразователя кода перехожу в базис И-НЕ:
a= 2×(Q1×Q3) ×(Q1× 3)× 4
b=(Q2×Q1) × 3× ( 2× 1)
c=Q1× 2×Q3
d= 4×( 3× 1)×( 3×Q2)×(Q3× 2×Q1)
e= ( 3× 1) ×( 1×Q2)
f= 4×( 2×Q3) ×(Q3× 1)×( 3× 2× 1)
g= ( 3×Q2)×(Q3× 2)× 4×(Q3× 4× 1)
5 Выбор индикатора
Цифровая индикация применяется в вычислительной технике для того, чтобы конструировать более компактную аппаратуру и конструировать ее состояние. Существует несколько видов индикаторов. Их подразделяют на вакуумные накаливаемые, вакуумные люминесцентные знакосинтезирующие и жидкокристаллические знакосинтезирующие индикаторы.
В курсовой работе в качестве элементов индикации будут использоваться светодиодные индикаторы. Светодиодный индикатор, построенный на светоизлучающем диоде(СИД), представляют собой пластину, в которой технологически сформирован p-n переход, дырочные p-n электронные n-области перехода выполняют роль электродов. Они имеют контактные площадки, к которым приварены выводы для подключения к источнику питания. В качестве элемента индикации используется индикатор АЛС 324А.
Цифровой индикатор типа АЛС 324А изготавливают из монументных кристаллов арсенид-фосфорида галлия по планарной технологии для аппаратуры различного применения в условиях умеренного и тропического климатов. Этот индикатор с высотой знака до 7,5 мм предназначен для преобразования низковольтных электрических сигналов в визуальную буквенно-цифровую информацию. Все цифровые индикаторы с высотой знака свыше 12-18 мм выпускаются как гибридные приборы, основанные на принципе рассеивания света. Они содержат кристаллы небольших размеров, размещенных на основании корпуса в соответствии с заданной конфигурацией знака. Видимые габариты элементов изображения формируются пластмассовым светодиодом. Оптическое преобразование изображения точечного источника света в изображение светящего элемента индикатора происходит за счет многократного рассеивания и отображения света внутри светопровода. Рассеивание света обеспечивается либо с помощью специального светорассеивающего полимера, либо при помощи диффузио-рассеивающей пленки, помещаемой на лицевой поверхности светопровода.
Основными параметрами индикатора типа АЛС 324А являются:
- цвет свечения - красный
- число сегментов -8
- размер знака - 4.5-7.5 мм
- сила света при Iпр =20 мА, не менее, мккд: для сегментов – 150
- спектральное распределение – 650-670 мм
- постоянное прямое напряжение при Iпр =20 мА – 2.5В
- постоянный прямой ток через сегмент – 20мА
- схема включения – общий катод
- максимально допустимый ток через сегмент, при Т=60/350С, 25-0.5 мА
- максимально допустимый
- максимально допустимая
- максимально допустимое
- при Т=-60/+700С – 5В
- число выводов – 14
- уровень внешнего освещения – 200-300
- размер информационного поля – 10,2 /19,5
- угол обзора – 45%
- угол наклона цифры - 100
- время готовности – 1с
- разброс силы света – 3 отн.ед.
- относительная влажность
Рис 5.1- Схема включения индикатора АЛС 324 А
Рис 5.2- Наглядное изображение индикатора
6 Выбор микросхем
По заданию выбираю ИМС серии КР- 1555, тип триггера используемого ТВ-6
Были выбраны схемы:
К 555ЛА2 логический элемент 8И-НЕ. (Рисунок 6.1) имеет 1 логический элемент.
К 555ЛА1 логический элемент 4И-НЕ. (Рисунок 6.2) имеет 2 логических элементов.
К 555ЛА4 логический элемент 3И-НЕ. (Рисунок 6.3) имеет 3 логических элементов.
К 555ЛА3 логический элемент 2И-НЕ. (Рисунок 6.4) имеет 4 логических элементов.
К 555ЛА18 логический элемент 2И-НЕ. (Рисунок 6.5) имеет 2 логических элементов.
Дешифратор используется 1533 ИД3.(Рисунок 6.6)
Триггер используется JK 1533 ТВ15. (Рисунок 6.7)
Рисунок 6.1- микросхема К 555ЛА2
Рисунок 6.2- микросхема К 555ЛА1
Рисунок 6.3- микросхема К 555ЛА4
Рисунок 6.4- микросхема К 555ЛА3
Рисунок 6.5- микросхема К 555ЛА18
Рисунок 6.6- микросхема 1533 ИД3
Рисунок 6.7- микросхема 1533 ТВ15
7 Формирование логической схемы управляющего устройства МПА
Схема управляющего устройства МПА изображена на рисунке 7.1.
Для её реализации переводим логические выражения МПА в базис И-НЕ:
Для первого входа триггера:
Для второго входа триггера:
Для третьего входа триггера:
Для четвертого входа триггера:
Для выполнения операций:
Рисунок 7.1- схема логического управляющего устройства МПА
8.Техническое описание работы устройства
На вход комбинационной схемы управления триггерами поступают комбинации сигналов, отражающих состояние памяти Q и комбинации входных сигналов X. С учетом этих множеств комбинаций схема формирует серии сигналов, управляющих состоянием триггеров. Кодовые комбинации образуют, внутреннее состояние триггеров образуют внутреннее состояние цифрового автомата (A).
Комбинационная схема формирования выходных сигналов создает сигналы Y, которые могут использоваться для управления некоторыми узлами, для активизации процессов в других системах.
Поступивший сигнал приходит на дешифратор и проходит через управляющее устройство МПА, где выделяется выходной сигналы и в то же время поступает на преобразователь.
Затем, с преобразователя сигнал поступает на индикатор, который высвечивает нынешнее состояние МПА.
Заключение
В процессе выполнения курсовой работы я научился синтезировать устройство микропрограммного автомата, разработал МПА для выполнения одной команды, состоящей из нескольких микрокоманд.
Проектируемое устройство сформировала по принципу схемной логики, что дает нам возможность выполнения только заданного алгоритма. Также в этой работе я сформировала схему преобразователя кода для элемента индикации типа АЛС 324 А. Во время выполнения этой работы закрепила теоретические навыки, полученные в процессе обучения. В результате курсового проекта я сформировала общую схему, приведенную на формате А1.
Список используемой литературы
