Разработка цифрового микропрограммного автомата

Федеральное агентство связи Хабаровский Институт Инфокоммуникаций ГОУ ВПО Сибирский государственный университет Телекоммуникаций и информатики Среднее профессиональное образование Факультет дневного обучения

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине

Вычислительная техника

на тему:

Разработка цифрового микропрограммного автомата

Хабаровск 2011 г.

1 Основные понятия МПА

2 Структурная схема МПА

3 Синтез МПА

3.1 Описание алгоритма и составление графа переходов, таблицы кодирования состояний

3.2 Составление таблицы функционирования состояний

3.3 Составление логических выражений для комбинационной части схемы

4 Формирование логической схемы управляющего устройства МПА

5 Выбор микросхем

6 Цифровая индикация

7 Синтез преобразователя кода

8 Выбор индикатора

9. Электрическая схема управляющего устройства Список используемой литературы

Потребность в вычислениях возникла у людей на самых ранних стадиях развития человеческого общества. 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;

— решения сложных математических и инженерных задач;

— в сфере обработки информации.

Во многих учебных заведениях, в том числе средних профессиональных, готовят специалистов по вычислительной технике. Примечание микропроцессорного автомата и интегральных микросхем позволила усовершенствовать и создать новые методы проектирования и производства радиоэлектронной аппаратуры различного назначения, повысить ее механические и эксплуатационные характеристики, внедрить электронику в ряд устройств и традиционно выполняемых на механических или электромеханических принципах действий.

Цифровые автоматы — это логические устройства, в которых помимо логических элементов имеются элементы памяти. Значения выходных сигналов автомата зависит от аргументов на его входе и предыдущего состояния, которое фиксируется элементом памяти.

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

Процессор осуществляет непосредственно обработку данных и программное управление процессом обработки данных. Он синтезируется в виде соединения двух устройств: операционного и управляющего (рисунок 1).

Рисунок 1Структурная схема МПА

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 (УУ) — 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. 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 nуправляющих 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.

Цель курсовой работы состоит в проектировании управляющего устройства, то есть МПА. Структурная схема УУ представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Принципиальная схема МПА Структурная схема состоит из двух частей: комбинационное цифровое устройство (КЦУ) и регистр состояния.

Регистр состояния состоит из D триггера КЦУ по сигналам состояния Q₁ Q₂ Q₃ Q₄, а также по сигналам проверки условия X₁-X₅ формирует сигналы D₁, D_2, D₃, D₄, которые устанавливают в регистры состояния (РС) кодовую комбинацию соотношению исходному состоянию устройства. КЦУ также формирует управляющие сигналы Y₁-Y₆, которые поступают в ОУ и под действием данных сигналов в устройстве происходит выполнение микрооперации.

3 СИНТЕЗ МИКРОПРОГРАМНОГО АВТОМАТА

3.1 Описание алгоритма и составление графа переходов, таблицы кодирования состояний

В курсовой работе передо мной поставлена задача в виде алгоритма, изображенного на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1Блок схема алгоритма

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).

Рисунок 3.2Граф переходов

Внутренние состояния обозначаются кружками, внутри круга буква «А» — это узлы графа.

Узлы соединения стрелками, которые показывают направление перехода, с правой стороны показаны условия перехода.

Напишем граф переходов состояний.

Из исходно состояния А0 под воздействием микрокоманды Y1, Y2, Y6 без проверки условия переходит в устойчивое состояние А1.

Из устойчивого состояния А1 под воздействием микрокоманды Y2, Y3, Y4, Y6 без проверки условия переходит в устойчивое состояние А2.

Из устойчивого состояния А2 под воздействием микрокоманды Y1, Y3, Y4, Y6 без проверки условия переходит в устойчивое состояние А3.

Из устойчивого состояния А3 под воздействием микрокоманды Y2, Y5, Y6 без проверки условия переходит в устойчивое состояние А4.

Из устойчивого состояния А4 при условии, X3 переходит в устойчивое состояние A2. При условии, и под воздействием микрокоманды Y5 переходит в A6. Пи условии X2 и под воздействием микрокоманды Y1, Y2, Y4 переходит в устойчивое состояние A5.

Из устойчивого состояния А5 при условии под воздействием микрокоманды Y2, Y5 переходит в устойчивое состояние А0. При условии X4 переходит в устойчевое состояние A10.

Из устойчивого состояния А6 при условии X5 и под воздействием микрокоманды Y2, Y3, Y6 переходит в устойчивое состояние А7. При условии и под действием микрокоманды Y2, Y5 переходит в устойчивое состояние A0.

Из устойчивого состояния А7 под воздействием микрокоманды Y6 без проверки условия переходит в устойчивое состояние А1.

Из устойчивого состояния А8 при условии переходит в устойчивое состояние А3. При условии X1 под воздействием микрокоманды Y1, Y3, Y4, Y5 переходит в A9.

Из устойчивого состояния А9 под воздействием микрокоманды Y1, Y6 без проверки условия переходит в устойчивое состояние А10.

Из устойчивого состояния А10 под воздействием микрокоманды Y1, Y4, Y5 без проверки условия переходит в устойчивое состояние А8.

Кодирование состояний МПА, то есть буквенному обозначению присваивается двоичный код (Таблица 1)

Таблица 1 — Таблица состояний

Для дальнейших расчетов потребуется таблица переходов D триггера. Эта таблица необходима для составления таблицы функционирования.

Таблица 1.2 — Таблица переходов D триггера

3.2 Составление таблицы функционирования состояний

После построения графа переходов для составления логических выражений необходимо составить таблицу функционирования состояний задающего цифрового автомата (Таблица 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.

Таблица 3. Таблица функционирования состояний

3.3 Составление логических выражений для комбинационной части схемы

По заполненной таблице функционирования (Таблица 3.3) составляю логические выражения МПА.

Триггер 1

Триггер 2

Триггер 3

Триггер 4

Так же формируется сигналы Y для операционного устройства.

4. Формирование логической схемы управляющего устройства МПА

На основе полученных выражений строим схему на логических элементах: «И», «ИЛИ», «НЕ» (рисунок3.4) Для синхронизации входов C используем делитель частоты на 8. Исходная частота генератора 0,2 МГц, мы получаем частоту 0,025 МГц.

Рисунок 4 Cхема на логических элементах «И», «ИЛИ», «НЕ»

5 ВЫБОР МИКРОСХЕМ

Для построения принципиальной электрической схемы устройства МПА, произвожу подбор интегральных микросхем из справочника, которые будут включать в себя следующие элементы; дешифраторы, элементы НЕ, элементы И, элементы ИЛИ и триггеры.

1. Дешифратор.

Дешифраторами называют устройства, преобразующие натуральный двоичный код в код «1 из m». Входы дешифратора предназначаются для подачи двоичных чисел, выходы последовательно нумеруются десятичными числами. При подаче на выходы двоичного числа появляется сигнал на определенном выходе, номер которого соответствует входному числу. Выходы дешифраторов бывают прямыми и инверсными. Основное назначение дешифраторов состоит в том, чтобы выбрать (адресовать, инициализировать) один объект из множества находящихся в устройстве.

Мне потребуется дешифратор интегральная микросхема К155 ИД1, представленный на рисунке 5.1

Рисунок 5.1 — Микросхема дешифратора К155 ИД1

2 Логический элемент НЕ.

Элемент, выполняющий инверсию, называется инвертором или элементом НЕ. Элемент НЕ должен инвертировать логический сигнал: лог. 1 на входе (высокий потенциал) должна обеспечивать лог. 0 (низкий потенциал) на выходе, и наоборот.

Шесть логических элементов НЕ, интегральная микросхема К155ЛН1(рисунок 5.2).

Рисунок 5.2 — Микросхема элементов НЕ К155ЛН1.

3 Логический элемент И.

Элемент, выполняющий конъюнкцию, называется конъюнктором или элементом И.

Четыре логических элемента 2И, интегральная микросхема КР155ЛИ1(рисунок 5.3).

Рисунок 5.3 — микросхема элемента 2И К155ЛИ1

4Логический элемент ИЛИ.

Элемент, выполняющий дизъюнкцию, называют дизъюнктором или элементом ИЛИ. На выходе элемента ИЛИ должна быть лог. 1, если хотя бы на одном входе присутствует лог.1. Для этого надо, чтобы лог.1, появившаяся на выходе, препятствовала поступлению туда лог.0 с другого входа.

Четыре логических элемента 2ИЛИ, интегральная микросхема КР530ЛЛ1(рисунок 5.4).

Рисунок 5.4 — микросхема элемента 2ИЛИ КР155ЛЛ1

5 Триггеры.

Устройство, имеющее два устойчивых состояния, называют триггером. В триггере два выхода: один — прямой, а другой — инверсный. Потенциалы их взаимно инвертированы: лог. 1 на одном выходе соответствует лог.0 на другом.

Два D-триггера интегральная микросхема К155ТM2 (рисунок 5.5).

Рисунок 5.5 — Микросхема два D-триггера К155ТM2

цифровой автомат микропрограммный код память

Электрическая схема управляющего устройства, с использованием выбранных микросхем (Рисунок 6.)

6 ЦИФРОВАЯ ИНДИКАЦИЯ

После построения принципиальной схемы управляющего устройства необходимо выбрать схему цифровой индикации для отображения заданного внутреннего состояния микропрограммного автомата.

Полупроводниковые индикаторы являются одним из видов знакосинтезирующих индикаторов (ЗСИ), под которыми понимаются приборы, где информация, предназначенная для зрительного восприятия, отображается с помощью одного или совокупности дискретных элементов (ГОСТ 25 066−81).

Среди различных ЗСИ (жидкокристаллических, электролюминесцентных, вакуумно-накаливаемых, катодолюминесцентных, газоразрядных и др.) полупроводниковые индикаторы занимают особое место. Это объясняется рядом их преимуществ перед другими видами ЗСИ. Основными из них являются: во-первых, полная конструктивная и технологическая совместимость с интегральными микросхемами (т.е. совместимость управляющих напряжений ППИ с амплитудами логических уровней ИМС) и, вовторых, возможность выпуска ППИ в виде ограниченного количества унифицированных модулей.

Конструктивная и технологическая совместимость ППИ с ИМС позволила повысить интегральную надежность устройств отображения информации за счет применения в них элементной базы, полностью выполненной по полупроводниковой технологии, обеспечить устойчивость к жестким механическим и климатическим воздействиям с практически неограниченной долговечностью.

В настоящее время созданы приборы зеленого, желтого, красного цветов свечения, а также индикаторы с управляемым цветом свечения, с возможностью электрической регулировки яркости свечения, с высоким быстродействием (20−100 нс), с отсутствием параллакса. ППИ не требуют экранировки и не создают помех, у них отсутствует мерцание изображения.

Полупроводниковые индикаторы, как, впрочем, и индикаторы, основанные на любых других принципах работы, могут быть классифицированы по виду отображаемой информации, по виду информационного поля и по способу управления.

Единичные индикаторы (распространен также термин «светоизлучающее диоды» — СИД) состоят из одного элемента отображения и предназначены в основном для представления информации в виде точки или другой геометрической фигуры.

Шкальные индикаторы имеют элементы отображения в виде правильных прямоугольников и предназначены для отображения информации в виде уровней или значений величин.

Цифровые индикаторы состоят, как правило, из элементов отображения в виде сегментов и предназначены для отображения цифрой информации и отдельных букв алфавита.

Буквенно-цифровые индикаторы предназначены для отображения информации в виде букв, цифр, различных знаков. Единичные элементы отображения таких индикаторов сгруппированы по строкам и столбцам.

Графические (матричные) индикаторы позволяют собирать модули из элементов экрана различного размера без потери шага. Графические индикаторы предназначены для отображения любой информации. Цифровые и буквенно-цифровые индикаторы бывают одно-и многоразрядные.

Под одно разрядными понимается индикатор, имеющий одно знакоместо, т. е. информационное поле индикатора или его часть, необходимая и достаточная для отображения одного знака. Многоразрядный индикатор имеет несколько фиксированных знакомест.

Цифровые, буквенно-цифровые, матричные и шкальные индикаторы могут быть без управления и со встроенными схемами управления.

Для построения схемы индикации задан цифровой индикатор АЛС-324Б. Его схема на рисунке 6.1

Рисунок 6.1 Схема индикатора АЛС-324.

На рисунке 6.1 приведена схема индикатора АЛС-324 — это цифровой одноразрядный, полупроводниковый индикатор, предназначенный для отображения информации в виде цифр от 0 до 9 и десятичного знака.

Так как этот индикатор с общим катодом, то на катод нужно подавать минус от источника питания, а на аноды значения высокого уровня то есть лог1. У преобразователя кода активным считается уровень лог.1, так как нам задан индикатор класса Б, активным уровнем для него считается 0, следовательно, на входах нам необходимы инверторы. При этих условиях индикатор будет высвечивать необходимую цифру.

7 СИНТЕЗ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ КОДА

По заданию необходимо предусмотреть цифровую индикацию четвертого внутреннего состояния МПА.

Для этой цели нужен преобразователь кода, который под действием управляющих импульсов будет изменять состояние на своих выходах в таком порядке будут изменяться состояния на выходе КЦУ, и будет высвечивать соответствующие цифры, в данном случае четвёртого состояния.

Структурная схема преобразователя кода приведена на рисунке 7.1.

Рисунок 7.1 Структурная схема преобразователя кода.

Для того чтобы построить преобразователь кода «8421» в семисегментный код нужно составить таблицу истинности. По таблице строится диаграмма Вейча (или карты Карно) для получения логических выражений функций выходного сигнала и осуществление их минимизации. Таблица 7.1.

Синтез переходов

Таблица соответствия кодов (рисунок 4.1)

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 «код с избытком три» 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.

Таблица 4.1 — Таблица соответствия кодов

B=X2vX3

Формируем логическую схему преобразователя кода. На основание полученных выражений строим схему на логических элементах «И», «ИЛИ», «НЕ» (рисунок 4.2)

Рисунок 4.2Схема преобразователя кода на логических элементах

8. ВЫБОР ИНДИКАТОРА

В состав отобпажения информации наряду с узлами приема, хранения и обработки символов, входит индикатор, лоторый и отображает связь человека с источником информации. Цифровые индикаторы нужны для отображения информации в виде синтезируемых или полностью выполняемых цифр. Индикаторы исполнены в монолитной и полимерной герметитизации с числом разрядов от двух до пяти с учетом возможности, обеспечивая набор цифровых шкал на любое число знакомест с числом разрядов.

Промышленностью выпускаются цифровые многоразрядные знакосинтезирующие индикоторы позволяющее отобразить 2,4,5,9 и 12 разрядов цифр и букв (или их сочетание) на одном знакоместе.

Цифровая индикация предназначена для отображения информации в виде цифр или букв. Цифровая индикация нашла широкое применение в цифровой технике.

Классификация индикаторов.

Активный индикатор — принцип действия основан на преобразование энергии электрического поля в световой поток.

Пассивный индикотор — принцип действия основан на модуляции внешнего светового потока под действием электрического поля.

Накапливающий вакуумный индикатор — активный индикатор, в котором используется явление свечения тел накапливания в вакууме.

Люминисцентный вакуумный индикатор — активный индикатор, в котором используется явление катодолюминисценции

Жидкокристаллический индикатор — пассивный индикатор, в котором используется явление электрооптического эффекта в жидком кристалле.

Сегментный индикаторэлементы отображения являются сегментами, сгруппированными в одно или несколько знакомест.

Матричный индикаторэлементы отображения сгруппированы по строкам и столбцам.

Знакосинтезирующий экранматричный знакосинтезирующий индикатор, без фиксированных знакомест с числом элементов отображения не менее десяти тыся

Единичный индикаторсостоящий из одного элемента отображения и предназначенный для отображения в виде точки или другой геометрической фигуры.

Цифровой индикаторпредназначен для отображения информации в виде цифр.

Шкальный индикатордля отображения информации в виде уровней или величин.

Многоразрядный индикаторимеющий несколько фиксированных знакомест.

Независимо от характера отображаемой информации индикаторы по своему назначению можно разделить на три группы:

1. индивидуального пользования (полупроводниковые, жидкокристаллические)

2. группового пользования (вакуумные, накапливаемые)

3. коллективного пользования

Виды индикаторов:

— единичный (отдельные точки)

— шкальный (дискретно-аналоговые приборы)

— цифровые-одноразрядные (с возможностью отображения арабских цифр от 0 до 10)

— многоразрядные (с одновременным отображением нескольких цифровых и служебных разрядов)

— буквально-цифровые-одноразрядные, многоразрядные, матричные (отображающие на одном знакоместе любой текст, графику, символ)

Из цифровых наибольшее распространение получили семисегментные индикаторы, в которых стабилизовано изображение цифр (и некоторого набора букв) составляют из семи линейных сегментов, расположенных в виде цифры восемь. Высвечивание выбираемого сегмента или группы сегментов при получении изображения знака обеспечиваются включением их в цепь прохождения тока.

Линейная шкала на основе светодиодов представляют собой микросхемы, образованные последовательно соединенными светодиодными сегментами, которые включаются в устройство управления.

В данной курсовой работе мне задан индикатор марки АЛС 324, его электрическая схема приведена на рисунке 4.1, а также его условно-графическое изображение на рисунке 4.2.

Рисунок 4.1 — Схема включения индикатора типа АЛС 324

Рисунок 4.2 — Наглядное изображение индикатора

АЛС 324- цифровой, одноразрядный, одноцветный индикатор. Он предназначен для отображения сечения информации в виде цифр от 0 до 9, или в виде «1», математических знаков «+», «-», «.». Режим управлениястатический

Оформление плоское, в пластмассовом корпусе типа К45−4, с выводами (14 шт.), расположенными с задней стороны корпуса.

Рабочее положение вертикальное. Масса индикатора 25гр.

Индикатор АЛС 324 состоит из монолитных кристаллов арсендовфосоридов.

Некоторые данные приведены в таблице 4.1

Таблица 4.1 Параметры индикатора АЛС 324

Формирование электрических схем с использованием выбранных микросхем

Электрическая схема преобразователя кода, с использованием выбранных микросхемах и схему цифрового индикатора с использованием ограничивающих токов резисторов (Рисунок 7.1)

Рисунок 7.1 Электрическая схема преобразователя кода на ИМС

9. ЭЛЕКТРОННАЯ СХЕМА УПРОВЛЯЮЩЕГО УСТРОЙСТВА (Рисунок 7.2)

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Калабеков Б. А.,-«Цифровые устройства и микропроцессорные системы», Москва «Горячая линия» — Телеком, 2002

2. Аванесян Г. Р., Левшин В. П. — «Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ». Справочник — Москва «Машиностроение», 1993.