Курсовая работа: Разработка функционального устройства
МОСКОВКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ
(государственный технический университет)
Кафедра 403
РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовой работе по дисциплине
«Вычислительные системы и микропроцессорная техника»
Выполнил
студент группы 04-512
Гуреев И.А.
Консультировал
Мальшаков Г.В.
2010 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Уточнение задания …………………………………………………………3
2. Разработка схемы алгоритма и составление операционного описания….5
3. Построение функциональной схемы операционного автомата…………..7
4. Управляющий автомат с жесткой логикой………………………………....8
5. Управляющий автомат с программируемой логикой……………………..12
6. Функциональная схема автомата с программируемой логикой………….15
7. Построение принципиальной схемы……………………………………….16
8. Временные диаграммы………………………………………………………17
9. Список литературы…………………………………………………………..18
ЗАДАНИЕ
По шинам А{1:8} и В на вход устройства поступает 16-ти разрядный код по байтам (первый байт по шине А параллельно, второй по шине В последовательно). Определить число комбинаций 11011 в пришедшем коде, результат выдав по отдельной шине С.
УТОЧНЕНИЕ ЗАДАНИЯ
1. Примем, что источник входного кода гарантирует правильность выставленной информации во время действия стробирующего импульса СТРОБ, а само устройство подтверждает выдачу кода числа единичных символов генерацией импульса считывания УСЧИТ.
Выберем тактовую синхронизирующую последовательность импульсов. Пусть в разрабатываемом устройстве она будет общей для источника, устройства преобразования и потребителя информации (внешняя синхронизация). Пусть частота ГТИ равна 5 МГц.
Будем считать, что смена кодов А, В и С осуществляется по положительному фронту импульсов ГТИ, длительность импульсов СТРОБ и УСЧИТ равна длительности импульсов тактовой последовательности, а положительные фронты этих импульсов появляются вслед за положительным фронтом импульсов ГТИ.
2. Определим разрядность выходного кода. Максимальное число возможных последовательностей 11011 в 16-ти разрядном коде равно 11, следовательно, оно потребует формирования на выходной шине 4-х разрядного кода.
3. Входные данные, приходящие по шинам A {1:8} и B , сопровождаются управляющими сигналами СТРОБ (передний фронт сигнала СТРОБ совпадает с установившимся сигналом на шинах A и B ).
Выходные данные C {1:4} формируемые устройством сопровождаются управляющим сигналом УСЧИТ (передний фронт сигнала УСЧИТ совпадает с установившимся сигналом на шине C ), что бы последующие устройства знали, в какой момент времени необходимо считать результат работы нашего устройства. Считывание данных происходит по переднему фронту управляющих сигналов.
Примем, что в разрабатываемом устройстве не требуется введения внутренней индикации, и не будем пока накладывать никаких ограничений на потребляемую устройством мощность и, следовательно, на выбор оптимальной элементной базы.
Временные диаграммы
ГТИ: t
СТРОБ:
t
Шина А:
t
Шина В:
t
Шина С:
t
УСЧИТ:
t
РАРАБОТКА СХЕМЫ АЛГОРИТМА
И СОСТАВЛЕНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО ОПИСАНИЯ
нет
нет
да
нет
да
Микропрограмма 1
Переменные:
входные: А{1:8}, В, строб;
внутренние: РГ1{1:8}, СЧ1{1:4}, СЧ2{1:4};
внешние: УСЧИТ, С{1:4}:=СЧ1{1:4};
Признаки:
Р1:= ù СТРОБ;
Р2:= РГ3{1}&РГ3{2}&ù РГ3{3}&РГ3{4}&РГ3{5}=1;
Р3:=СЧ2{3}&(СЧ2{2}|СЧ2{1}|СЧ2{0});
P4:=СЧ2{1:4}=11;
Процедура:
М1 если Р1, то М1;
УЗП: РГ1{1:8}:=А{1:8};
УН1: СЧ1:=0;
УН2: СЧ2:=0;
М2 если Р2, то М3;
УСЧ1: СЧ1:=СЧ1+1;
если Р3, то М3;
если Р1, то М3;
М3 если Р4, то М4;
УСДВ: РГ1{1:8}:=РГ1{2:8}.B;
УСЧ2: СЧ2:=СЧ2+1;
идти к М2;
М4 С{1:4}:=СЧ1{1:4},
УСЧИТ;
конец;
после упрощения микропрограмма принимает вид:
Микропрограмма 2
Переменные:
входные: А{1:8}, В, строб;
внутренние: РГ1{1:8}, СЧ1{1:4}, СЧ2{1:4};
внешние: УСЧИТ, С{1:4}:=СЧ1{1:4};
Признаки:
Р1:= ù СТРОБ;
Р2:= РГ3{1}&РГ3{2}&ù РГ3{3}&РГ3{4}&РГ3{5}=1;
Р3:=СЧ2{3}&(СЧ2{2}|СЧ2{1}|СЧ2{0});
P4:=СЧ2{1:4}=11;
Процедура:
М1 если Р1, то М1;
УЗП: РГ1{1:8}:=А{1:8}, СЧ1:=0, СЧ2:=0;
М2 если Р2, то М3;
УСЧ1: СЧ1:=СЧ1+1;
если Р3, то М3;
если Р1, то М3;
М3 если Р4, то М4;
УСДВ: РГ1{1:8}:=РГ1{2:8}.B, СЧ2:=СЧ2+1;
идти к М2;
М4 С{1:4}:=СЧ1{1:4},
УСЧИТ;
конец;
Функциональная схема операционного автомата
Управляющий автомат с жесткой логикой
УА с жесткой логикой будем строить в виде классического конечного автомата – Мура или Мили.
Граф-схема для автомата Мура
а0
1
а1
0
а2
|
1
|
а4
а3
а0
Р2
Р1 ùР1 ùР2&Р3&P4+ùР2&ùР3&ùР1&P4
ùР3&ùР1&ùР4 ùР3&ùР1&Р4
УСДВ&P2
ùР2&Р3&P4&УСДВ+ùР2&ùР3&ùР1&P4&УСДВ
УСЧИТ
Граф-схема для автомата Мили
|
|
|
|
1 а0
а1
1
1
а2
1
а0
Р1
ùР1 &УЗП УСЧИТ&P4
Р2&P3&УСЧ1+ ùР2&P3+P2&ùР3&ùР1&УСЧ1+ùР2&ùР3&ùР1
УСДВ&ùР4
Для реализации выберем автомат Мили, т.к он имеет всего 3 состояния. Будм реализовывать его на D-триггере.
Построим таблицу переходов и выходов автомата Мили
Вход | Состояние | |
а0 | а1 | а2 |
Р1 | а0 | |
ùР1 | а1 УЗП | |
P2&P3 | a2 УСЧ1 | |
ùР2&P3 | a2 | |
P2&ùР3&ùР1 | a2 УСЧ1 | |
ùP2&ùР3&ùР1 | a2 | |
Р4 | a0 УСЧИТ | |
ùР4 | a1 УСДВ |
Построим кодированную таблицу переходов и выходов конечного автомата.
Для этого воспользуемся кодированной таблицей внутренних состояний автомата:
a(t) | Q1(t) | Q2(t) |
a0 | ||
a1 | 1 | |
a2 | 1 |
Тогда кодированная таблица переходов и выходов принимает вид:
Вход | Состояние | |
00 | 01 | 10 |
Р1 | 00 | |
ùР1 | 01 УЗП | |
P2&P3 | 10 УСЧ1 | |
ùР2&P3 | 10 | |
P2&ùР3&ùР1 | 10 УСЧ1 | |
ùP2&ùР3&ùР1 | 10 | |
Р4 | 00 УСЧИТ | |
ùР4 | 01 УСДВ |
На основе полученной кодированной таблицы переходов и выходов УА получим функции возбуждения D-триггера и выражения для управляющих сигналов:
D1= P2&P3&ùQ1&Q2+ùР2&P3&ùQ1&Q2+ P2&ùР3&ùР1&ùQ1&Q2+ùP2&ùР3&ùР1&ùQ1&Q2= P3&ùQ1&Q2+ùР3&ùР1&ùQ1&Q2
D2=ùР1&ùQ1&ùQ2+ùР4&Q1&ùQ2
УЗП= ùР1&ùQ1&ùQ2
УСЧ1= P2&P3&ùQ1&Q2+ P2&ùР3&ùР1&ùQ1&Q2
УСЧИТ= Р4&Q1&ùQ2
УСДВ=ùР4&Q1&ùQ2
На основе полученных выражений получаем функциональную схему УА, сигнал СБРОС является установочным и формируется при включении питания или от кнопки.
Управляющий автомат с программируемой логикой
Составим каноническую форму микропрограммы синтезируемого операционного устройства (для АУ с естественной адресацией).
Номер | Метка | Управляющие сигналы | Переход |
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | М1 М2 М3 М4 | УЗП УСЧ1 УСДВ УСЧИТ | если Р1, то М1 если Р2, то М3 если Р3, то М3 если Р1, то М3 если Р4, то М4 идти к М2 конец |
Будем считать, что устройство управления решает одну задачу, так что для его построения достаточно иметь ПЗУ, содержащие 10 ячеек. Тогда адрес ячеек ПЗУ будет выражаться четырехразрядным кодом А{3:0}.
Для естественной адресации:
УЗП | УСЧ1 | УСДВ | УСЧИТ | - | - | - | - | |
1 | Р1 | Р2 | Р3 | Р4 | А3 | А2 | А1 | А0 |
Первый разряд формата микрокоманды УА с естественной адресацией определяет признак микрокоманды (ПРМК): 0 — операционная микрокоманда, 1 — управляющая микрокоманда.
Установим соответствие между метками и адресами переходов: M1=010 =00002, M2=210 =00102, M3=610 =01102, M4=910 =10012
Адрес | Разряды микрокоманд |
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 | 1 1000 0000 0 1000 0000 1 0100 0110 0 0100 0000 1 0010 0110 1 1000 0110 1 0001 1001 0 0010 0000 1 0000 0010 0 0001 0000 1 0000 0000 |
Для принудительной адресации микрокоманда может одновременно содержать переходы и управляющие сигналы. Тогда для микрокоманды с принудительной адресацией:
Номер | Метка | Управляющие сигналы | Переход |
1 2 3 4 5 6 7 | М1 М2 М3 М4 | УЗП УСЧ1 УСДВ УСЧИТ | если Р1, то М1 если Р2, то М3 если Р3, то М3 если Р1, то М3 если Р4, то М4 идти к М2 конец |
Формат микрокоманды:
УЗП | УСЧ1 | УСДВ | УСЧИТ | Р1 | Р2 | Р3 | Р4 | А2 | А1 | А0 |
Установим соответствие между метками и адресами переходов: M1=010 =0002, M2=210 =0102, M3=510 =1012, M4=710 =01112
Теперь кодовое выражение микропрограммы УУ, используя каноническое описание и формат микрокоманды, может быть записано в следующем виде:
Адрес | Разряды микрокоманд |
000 001 010 011 100 101 110 111 | 0000 1000 000 1000 0000 000 0000 0100 101 0100 0010 101 0000 1000 101 0000 0001 111 0010 0000 010 0001 0000 000 |
Сравнивая объем микропрограмм для управляющих автоматов с естественной и принудительной адресацией, мы убеждаемся в том, что принудительная адресация требует меньшего объема ПЗУ (в нашем случае 11 * 8 = 70 бит), чем естественная адресация (9 * 11 = 99 бит). Таким образом, реализация УА с принудительной адресацией в нашем случае более желательна.
Функциональная схема УА с программируемой логикой
РМК{5:8} 4 P1P2P3P4
|
|
|
|
|
|
|
10 Р Р
3
сброс Анач
Начальный адрес микропрограммы, равный 000, устанавливается сигналом СБРОС, и УА ждет прихода сигнала СТРОБ для продолжения работы.
Построение принципиальной схемы
Будем строить наше устройство на элементах серии K155 и К555, так как они обеспечивают устойчивую работу на заданной тактовой частоте 5 МГц.
Управляющие сигналы S , S 1 обеспечивают запись кода А в регистр (S = 1, S 1 =1) и сдвиг влево (S = 0, S 1= 1), хранения (S = 0, S 1= 0).
Их получаем из диаграмм Карно. Диаграммы Карно строятся для управляющих сигналов, воздействующих на регистр, в данном случае это сигналы: УЗП, УСДВ .
SE0 = УЗП,
SE1 = УЗП + УСДВ = УЗП + УСДВ = УЗП ∙ УСДВ = УЗП / УСДВ
Рассчитаем мощность, потребляемую устройством:
Элемент | Задержка | Потребляемая мощность |
К155ЛЕ1 | 22нс | 25 мВт |
К155ЛА1 | 17нс | 20 мВт |
К155ТМ2 | 30нс | 156.5 мВт |
К155ИР13 | 40нс | 609 мВт |
К155ЛЕ4 | 13нс | 37мВт |
К155ИЕ19 | 70нс | 535мВт |
Максимальная скорость работы устройства будет определяться временем перехода автомата из состояния а1 в состояние а2, следовательно можно записать:
Максимальная частота:
Временные диаграммы
ГТИ
t
t
t
Список литературы
1. Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Вычислительные устройства и микропроцессорная техника».
2. Конспект лекций по курсу «Вычислительные системы и микропроцессорная техника» А.В. Щеглов.