Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Цифровой автомат

ЗАДАНИЕ на курсовое проектирование

По предмету Вычислительная техника

Студентки 4 курса 4 ЭСС группы Смоленского колледжа телекоммуникаций (филиал) СПГУТ Бардышевой Анне Юрьевне.

Тема проекта (работы): Цифровой автомат

Исходные данные:

Вариант № 7

Алгоритм № 7

Серия микросхем К564

Тип триггера ТВ1

В курсовом проекте должны быть представлены:

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Введение

Описательный раздел

Основные понятия о цифровом аппарате

1.2 Понятия алгоритма и графа

Расчетный раздел

Алгоритм функционирования цифрового автомата
Построение графа функционирования МПА
Таблица функционирования МПА
Синтез дешифратора
Техника безопасности

Литература

Лист 1. Цифровой автомат.

Схема электрическая принципиальная.

2. Перечень элементов.

Дата выдачи____________

Срок окончания_________

Преподаватель-руководитель курсового проектирования_______________________

Председатель (предметной)цикловой комиссии_______________________________

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

Описательный раздел 4

1.1 Основные понятия о цифровом автомате 4

1.2 Понятия алгоритма и графа 5

2. Расчетный раздел 6

2.1 Алгоритм функционирования цифрового автомата 6

2.2 Построение графа функционирования МПА 8

2.3 Таблица функционирования МПА 8

2.4 Синтез дешифратора 13

2.5 Охрана труда 14

Литература 17

ВВЕДЕНИЕ

Информация может обрабатываться двумя методами: аналоговым, при котором участвующие в обработке величины представляются в форме ( уровнями напряжения или тока), или цифровым, при котором величины представляются в цифровой форме и сама обработка сводится к последовательности действий ( операций) над числами.

В зависимости от используемого метода обработки различают два типа аппаратуры : аналоговая, в которой используется аналоговый метод обработки, и цифровая, в которой применяется цифровой метод обработки. В цифровой аппаратуре основным устройством, в котором непосредственно выполняется обработка, является процессорное устройство.

Цифровые методы, по сравнению с аналоговыми, имеют ряд достоинств : возможность обеспечения любой точности обработки, высокая помехозащищенность, высокая стабильность характеристик обработки, выполнение таких видов обработки, которые аналоговыми методами трудно выполнить. Цифровые устройства в интегральном исполнении имеют малую стоимость, габаритные размеры, массу, потребление энергии. Это обеспечивает их широкое использование в настоящее время.

Процессорное устройство синтезируется в виде соединения двух устройств : операционного и управляющего.

Существует два принципиально разных подхода в проектировании микропрограммного автомата( управляющего устройства) : использование принципа схемной логики или принципа программируемой логики.

При использовании принципа схемной логики, в процессе проектирования подбирается некоторый набор цифровых микросхем и определяется такая схема соединения их выводов, которая обеспечивает требуемое функционирование ( т. е. функционирование процессорного устройства определяется тем, какие выбраны микросхемы и по какой схеме выполнено соединение их выводов).

Устройства, построенные по такому принципу, способны обеспечивать наивысшее быстродействие при заданном типе технологии элементов.

Микропроцессорные устройства обеспечили широкое использование цифровых методов в различных технических направления

1. ОПИСАТЕЛЬНЫЙ РАЗДЕЛ

1.1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ЦИФРОВОМ АВТОМАТЕ

Цифровые автоматы – логические устройства, в которых помимо логических элементов имеются элементы памяти. Значения выходных сигналов такого устройства зависит не только от аргументов на выходе в данный момент, но и от предыдущего состояния автомата, которое фиксируется элементами памяти. В качестве элементов памяти могут использоваться триггеры. Каждое внутреннее состояние цифрового автомата определяется исходным состоянием триггеров и последовательностью входных сигналов, действующих на входе в данный момент времени, поэтому такие устройства называются послеовательностными схемами. К последовательностным схемам можно отнести: триггеры, счетчики, регистры. В общем случае структурная схема цифрового автомата может быть представлена в виде набора трёх узлов: комбинационной схемы формирования выходных сигналов, комбинационной схемы формирования сигналов управления триггеров и, собственно памяти.

На вход комбинационной схемы управления триггерами поступают комбинации входных сигналов X1 , Х 2 … Хк, комбинации сигналов, отражающих состояние памяти Q1, Q2 … Qm С учетом этих множеств комбинационная схема формирует серии сигналов триггеров образуют внутреннее состояние цифрового автомата, которые принято обозначать буквой а. Комбинационная схема формирования выходных сигналов создаёт сигналы Y1, Y2 … Yр, которые могут использоваться для управления некоторыми узлами, для активизации процессов в других схемах

Х₁у₁

S₁, R₁ Q₁

Х_кS₂, R₂ Q₂у₂

S_n, R_nQ_mу_р

Рисунок 1. Управляющее устройство со схемной логикой.

1.2 ПОНЯТИЕ АЛГОРИТМА И ГРАФА.

Последовательность действий автомата по формированию выходных сигналов и сигналов управления триггерами с учётом входных сигналов может быть задана с помощью алгоритма. Алгоритм фактически является формализованным представлением задачи по построению цифрового устройства, где определены группы выходных сигналов для инициализации устройств схемы (например, операционного устройства процессора в зависимости поступления тех или иных входных сигналов - Х). Задавать цифровой автомат удобно с помощью графа. Графом называют непустое конечное множество узлов ( вершин) вместе с множеством дуг (ветвей), соединяющих пары различных узлов. Граф обычно представляется в наглядной форме, при этом вершины изображаются точками или кругами, которые помечаются с целью идентификации, а ветви изображаются линиями, соединяющими соответствующие узлы. Если каждой дуге также приписано направление, то такой граф называется ориентированным. Если направления не указаны, то граф называется неориентированным. Данные представления полезны в виду их наглядности. Вершины обычно соответствуют объектам некоторого вида (В цифровом автомате - внутренним состоянием), а дуги – физическим или логическим связям между ними. Таким образом, графы можно использовать для математического моднлирования самых разнообразных систем и структур: электрических схем, вычислительных сетей и т.д.

РАСЧЕТНЫЙ РАЗДЕЛ,

2.1 Алгоритм функционирования цифрового автомата.

а0

а1

а₂

0 1

а₃ а₅

а₄ а₆

0 1 1 0

а₈

а₇

а₉

а₁₀

0 1

а₁₁

Рисунок 2 0 1

а₀

По заданному алгоритму определяем множество внутренних состояний цифрового автомата, а множества выходных сигналов У и входных сигналов Х заданы алгоритмом. В предлагаемой работе задание формализовано и представлено в виде алгоритма, где блок РЕШЕНИЕ - указывает, какой входной сигнал (признак) определяет условие перехода, блок ПРОЦЕСС – какие выходные сигналы при данном переходе должен сформировать автомат. После каждого перехода фиксируется состояние цифрового автомата. По приведённому алгоритму при выборе состояний необходимо учитывать следующие рекомендации: - исходное состояние соответствует заданию,

- следующие состояния выбираются в порядке возрастания после каждого блока ПРОЦЕСС (для кодирования достаточно использовать 4-х разрядный код 8- 4-2-1),

- перед каждым блоком РЕШЕНИЕ , после каждой точки примыкания линии, указывающей направление перехода ( на алгоритме обозначается крестиком).

Исходное состояние цифрового автомата задано а_0. Это значит, что автомат находится в состоянии а₀ в момент действия сигнала начальной установки. Выход из этого состояния происходит под действием внешнего сигнала. Перед блоком 3 отмечается следующее состояние а ₁ , и далее по порядку возрастания: перед блоком 4- а₂ перед блоком 7 – а_3, перед блоком 9 – а ₄, и т.д. Место на алгоритме , где автомат фиксирует внутреннее состояние, отмечено символом «Х» и проставлено буквенное обозначение с соответствующим индексом.

Далее эти состояния кодируются, т.е. буквенному обозначению присваивается двоичный код. В принципе это может быть любой код из известных, но чтобы кодовые комбинации имели меньше разрядов и следовательно меньше было триггеров, удобнее взять двоичный код8-4-2-1.

Соответствие кодовых комбинаций внутренним состоянием приведено в таблице 1.

Состояние автомата	Двоичный код
а₀	0000
а₁	0001
а₂	0010
а₃	0011
а₄	0100
а₅	0101
а₆	0110
а₇	0111
а₈	1000
а₉	1001
а₁₀	1010
а₁₁	1011

2.2 ПОСТРОЕНИЕ ГРАФА ФУНКЦИОНАРОВАНИЯ МПА

Так как для задания цифрового автомата удобно использовать граф, то перейдем к его построению. Состояние устройства в графе будет соответствовать вершинам (узлам графа),- обозначено кружками и внутри проставлено буквенное обозначение состояния. Узлы соединяются с дугами, которые показывают направление перехода.

На дугах записываются условия перехода, под действием которого он имеет место, и выходные сигналы, которые при этом должны быть сформированы. Так как переключение триггеров происходит либо по фронту, либо по срезу синхронизирующего сигнала, будем считать , что до наступления следующего активного уровня изменения входных сигналов не происходит, а, следовательно, и значение выходных сигналов y₁…y_р не изменяется.

Граф (рис.3) строится на основе алгоритма и читать его следует так: автомат находится в исходном состоянии а₀ , а затем под действием внешнего событияон изменяет своё состояние на а₁, при этом переходе должны быть сформированы выходные сигналы y₅, y_6.Затем следует переход из а₁ в состояние а₂ с формированием выходных сигналов y_1, y_2, y_6.Аналогично следует читать и весь граф.

Граф перехода автомата представлен на рисунке 3.

2.3 ТАБЛИЦА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МПА.

После построения графа переходим к заполнению таблицы функционированию комбинационного узла автомата (табл.3).

Для фиксации двоичного кода (таблица 1) требуется построить регистр (на рисунке 1- память) на триггерах, заданных по варианту. Описание их приведено в пояснительной записке ниже. Начальное состояние задано и оно соответствует нулевой комбинации. В составе заданной серии микросхем имеется триггер К564ТВ1- JK-триггер. Этот триггер имеет входы предварительной установки-R и S.

Триггеры по своей структуре являются двухступенчатыми. Это очень важное их достоинств, в частности, для построения схем цифровых автоматов.

Переход автомата из одного состояния в другое происходит под действием входных сигналов (на рисунке x₁…x₅). Изменение входных сигналов допускается только после окончания всех переходных процессов в автомате. Переход автомата в новое состояние связан с переключением триггеров.

Для дальнейших расчетов потребуется таблица переходов триггеров.

Таблица 2 соответствует JK- триггеру.

Таблица 2.

переход	J	K
0-0	0	-
0-1	1	-
1-0	-	1
1-1	-	0

Число триггеров для построения регистра состояний равно разрядности кодовой комбинации состояния (таблица 1). В нашем примере четыре триггера.

Заполняется таблица 3 по графу переходов автомата( рис.3). Пример заполнения первой строки: исходное состояние автомата а₀ (столбец 1), затем следует переход в состояние а₁( столбец 6). Этот переход безусловный(столбцы 11-15-прочерк)при этом переходе должны быть сформированы выходные сигналы у_5,у₆ (столбцы 28, 29). Заполняем вторую строку: автомат из состояния а₁ (столбец 1)переходит в состояние а₂ (столбец 6). При этом переходе должны быть сформированы выходные сигналы у_1,у₂,у₆, ( столбцы 24-30). В столбцы 2-5 и 7-10 записываются кодовые комбинации состояний из таблицы 1.

Затем переходим к заполнению столбцов 16-23. Для этого понадобится таблица 2. Сравниваем исходное состояние триггеров с их новым и определяем тип перехода. Далее по таблице 2 находим значения сигналов J и K и записываем в столбцы 16-23. Сравнение проводим построчно для первого триггера. Начнём с первой строки. Триггер находится в состоянии 0 (столбец 5), его новое состояние 1 (столбец 10). По таблице 2 находим, что для перехода 0-1 надо подать сигналы J=1, K= -(безразлично).Заносим эти значения в столбцы 22и 23 и т.д.

После заполнения таблицы 3 переходим к записи логических выражений. У автомата Мили выходные сигналы и сигналы управления памятью являются функцией исходног состояния и внешних условий.

Покажем порядок записи функций по таблице 3.

Выходной сигнал у₁ должен быть сформирован, если автомат находится в состоянии а₁ или в состоянии а₃ и признак х₂=0, или в состоянии а₂, или в состоянии а₅ и признак х₂= 1, в состоянии а₄ и признак х₄=0, или в состоянии а₆ и признак х₃=0, или в состоянии а₈, или в состоянии а₁₀ и признак х₁=1.

У₅,у₆

У₁, У₂, У₆

Х₂, У₄, У₆ Х_2,У₁,У₃, У₅

У₁, У₃ У₁,У₅ Х₅

Х₄,У₂, У₃,У₇

Х₃,У₂,У₃,У₇

Х₁,У₂,У₃,У₅ Х₄,У_1,У₆Х₃,У₁,У₃,У₇

У₂,У₃,У₄

У₁,У₅,У₄

У₂,У₄,У₆

Х₁,У₃,У₁,У₂

Х₅

Рисунок 3

Состояние автомата										Условия перехода					Сигналы управления триггерами								Выходные сигналы
Исходное					Новое					Условия перехода					Сигналы управления триггерами								Выходные сигналы
a	Q4	Q3	Q2	Q1	a	Q4	Q3	Q2	Q1	x1	x2	x3	x4	x5	J4	K4	J3	K3	J2	K2	J1	K1		y1	y2	y3	y4	y5	y6	y7
a0	0	0	0	0	a1	0	0	0	1	-	-	-	-	-	0	-	0	-	0	-	1	-		0	0	0	0	1	1	0
a1	0	0	0	1	a2	0	0	1	0	-	-	-	-	-	0	-	0	-	1	-	-	1		1	1	0	0	0	1	0
a2	0	0	1	0	a3	0	0	1	1	-	-	-	-	-	0	-	0	-	-	0	1	-		0	0	0	1	0	1	0
a3	0	0	1	1	a3	0	0	1	1	-	0	-	-	-	0	-	1	-	-	1	-	1		1	0	1	0	0	0	0
а₂	0	0	1	0	a4	0	1	0	0	-	-	-	-	-	0	-	1	-	-	1	1	-		1	0	1	0	1	0	0
а₅	0	1	0	1	а₅	0	1	0	1	-	1	-	-	-	0	-	-	0	1	-	-	1		1	0	0	0	1	0	0
a4	0	1	0	0	a6	0	1	1	0	-	-	-	1	-	0	-	-	0	1	-	1	-		0	1	1	0	0	0	1
a4	0	1	0	0	a7	0	1	1	1	-	-	-	0	-	0	-	-	0	1	-	1	-		1	0	0	0	0	1	0
a6	0	1	1	0	a7	0	1	1	1	-	-	1	-	-	0	-	-	0	-	0	1	-		0	1	1	0	0	0	1
a6	0	1	1	0	a8	1	0	0	0	-	-	0	-	-	1	-	-	1	-	1	0	-		1	0	1	0	0	0	1
a8	1	0	0	0	a9	1	0	0	1	-	-	-	-	-	-	0	0	-	0	-	1	-		1	0	0	1	1	0	0
a7	0	1	1	1	a9	1	0	0	1	-	-	-	-	-	1	-	-	1	-	1	-	0		0	1	1	1	0	0	0
a9	1	0	0	1	a10	1	0	1	0	-	-	-	-	-	-	0	0	-	1	-	-	1		0	1	0	1	0	1	0
a10	1	0	1	0	a11	1	0	1	1	1	-	-	-	-	-	0	0	-	-	0	1	-		1	1	1	0	0	0	0
a10	1	0	1	0	a3	0	0	1	1	0	-	-	-	-	-	1	0	-	-	0	1	-		0	1	1	0	1	0	0
a11	1	0	1	1	a1	0	0	0	1	-	-	-	-	1	-	1	0	-	-	1	-	0		0	0	0	0	0	0	0
a11	1	0	1	1	a0	0	0	0	0	-	-	-	-	0	-	1	0	-	-	1	-	1		0	0	0	0	0	0	0

Уравнения для выходных сигналов имеют вид :

Y₁= a₁v a₃ v a₂x₂ v a₅ v a₄x₄ v a₆x₃ v a₈ va₁₀x₁ (1)

Y₂= a₁ v a₄x₄ v a₆x₃ v a₇ v a₉ v a₁₀x₁ v a₁₀x_{1
=} (2)

a₁ v a₄x₄ v a₆x₃ v a₇ v a₉ v a₁₀

y₃₌a₃v a₂x₂ v a₄x₄ v a₆x₃ v a₆x₃ v a₇ v a₁₀x₃ v a₁₀x₃=

a₃ v a₂x₂ a₄x₄ v a₆ v a₇ v a₁₀ (3)

y₄= a₂x₂ v a₈ v a₇ v a₉ (4)

y₅= a₀ v a₂x₂ v a₅ v a₈ v a₁₀x₁ (5)

y₆= a₀ v a₁ v a₂x₂ v a₄x₄ v a₉ (6)

y₇= a₄x₄ v a₆x₃ v a₆x₃ = a₄x₄ v a₆ (7)

Аналогично записываются функции для комбинационной части схемы формирования сигналов управления триггерами:

J₄= a₆x₃ v a₇ (8)

K₄= a₁₀x₁ v a₁₁x₅ v a₁₁x₅ =a₁₀x₁ v a₁₁ (9)

J₃= a₃ v a₂x₂ (10)

K₃= a₆x₃ v a₇ (11)

J₂=a₁ v a₅ v a₄x₄ v a₉=a₁ v a₅ v a₄ v a₉ (12)

K₂= a₃ v a₂x₂ v a₆x₃ v a₇ v a₁₁x₅ v a₁₁x₅= a₃ v a₂x₂ v a₆x₃ v a₇ v a₁₁ (13)

J₁= a₀ v a₂x₂ v a₂x₂ v a₄x₄ v a₄x₄ v a₆x₃ v a₈ v a₁₀x₁ v a₁₀x₁=

a₀ v a₂ v a₄ v a₆x₃ v a₈ v a₁₀ (14)

K₁=a₁ v a₃ v a₅ v a₉ v a₁₁x₅ (15)

Функции 2, 3, 7, 9, 12, 13, 14 были упрощены используя закон склеивания.

В результате анализа заданного алгоритма и выполнения расчетов, получены логические выражения для построения схемы цифрового автомата.

Ниже приведены принципиальная схема разрабатываемового устройства и перечень элементов.

2.4 СИНТЕЗ ДЕШИФРАТОРА

Так как в заданной серии микросхемы дешифратора на 12 выходов, синтезируем его на логических элементах.

Приведем таблицу функционирования дешифратора.

8 Х₄	4 Х₃	2 Х₂	1 Х₁	N_вых
0	0	0	0	0
0	0	0	1	1
0	0	1	0	2
0	0	1	1	3
0	1	0	0	4
0	1	0	1	5
0	1	1	0	6
0	1	1	1	7
1	0	0	0	8
1	0	0	1	9
1	0	1	0	10
1	0	1	1	11

По таблице функционирования записываем логические выражения.

у_{0 =}х₁ х₂х₃х₄ у₆= х₁х₂х₃х₄

у₁= х₁х₂х₃х₄у₇₌х₁х₂х₃х₄

у₂= х₁х₂х₃х₄у₈= х₁х₂х₃х₄

у₃= х₁х₂х₃х₄у₉= х₁х₂х₃х₄

у₄= х₁х₂х₃х₄у₁₀= х₁х₂х₃х₄

у₅=х₁х₂х₃х₄у₁₁= х₁х₂х₃х₄

_DD1

2.5 ОХРАНА ТРУДА.

Перед началом работы нужно проверить исправность вилок, питающих проводов. Проверка наличия напряжения на блоках осуществляется вольтметром. При обнаружении напряжения на корпусе, отключить машину и сообщить технику. Около каждого оборудования должны висеть инструкции технической эксплуатации и техники безопасности для обслуживающего персонала. В помещении, где находиться аппаратура, температура должна быть в пределах нормы, 10- 20 ^О С. В помещении должно быть два вида освещения: естественное и искусственное. В помещениях с повышенной опасностью должны применяться электроприборы с напряжением равным 24 и 42 В. Электрическое устройство должно быть установлено в сухом, хорошо освещенным помещении. После работы с оборудованием следует использовать только исправный инструмент.

Поз.обознач.			Наименование				Кол.	Примечание
			Микросхемы

DD1-DD6			К 564ЛА8				6
DD7,8,10, 11			К564ЛН1				4
DD9,12, 13			К564ЛА7				3
DD14,19,22,26			К5643ЛН1				4
DD16, 17, 24			К564ЛЕ6				3
DD15,18, 20			К564ЛЕ5				3
DD21,25			К564ЛЕ10				2
DD23,27,28			К564ЛЕ5				3
DD29,30			К564ТВ1				2





						Цифровой автомат

Изм.	Лист.	№ докум.		Подпись	Дата	Схема электрическая принципиальная перечень элементов			Литер.	Лист	Листов
										2	2
Разработал
Проверил