РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН
ГБОУ СПО «КАЗАНСКИЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИКУМ СВЯЗИ»
Отделения
Компьютерные системы и комплексы
Консультант
Алексеев О.К.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦИФРОВОГО УСТРОЙСТВА
Курсовой проект по дисциплине
МДК 01.02 Проектирование цифрового устройства
Пояснительная записка
Студент гр. 315 КСК Губайдуллин Александр
2013
Рецензия
Содержание
Введение Лист
1.1. Классификация цифровых устройств (ЦУ) с памятью.
Основные понятия …………………………………………………………3
1.2. Способы построения процессорных устройств …………………..5
1.2.1. ПУ со схемной логикой …………………………………………..6
1.2.2. ПУ с программируемой логикой ……………………………….6
1.3. Факторы, влияющие на работоспособность ЦУ…………………..8
1.4. Риски, возникающие в процессе работы ЦУ. Способы
исключения сбоев в работе ЦУ………………………………………….8
Расчетная часть
2.1. Разработка структурной схемы цифрового устройства………10
2.2. Построение графа функционирования ЦУ...................................12
2.3. Кодирование состояний………………………………………………….13
2.4. Состав таблицы функционирования ЦУ…………………………….14
2.5. Определение функций управления триггерами и функций выходов комбинационного узла ……………………………………………………15
2.6. Разработка принципиальной электрической схемы ЦУ………….16
2.7. Расчет периода следования тактовых импульсов и
тактовой частоты …………………………………………………….17
Литература ……………………………………………………………………………19
Приложения:
Графическая часть
3.1. ЦУ. Схема электрическая принципиальная
3.2. ЦУ. Перечень элементов 
1. ВВЕДЕНИЕ
Классификация ЦУ с памятью. Основные понятия
Цифровое устройство - техническое устройство или приспособление, предназначенное для получения и обработки информации в цифровой форме, используя цифровые технологии.
Цифровые устройства делятся на 3 основных вида:
1) По способу ввода и вывода
· последовательные устройства (последовательно разряд за разрядом);
· параллельные (информация снимается одновременно по всем разрядам);
· последовательно-паралельные устройства.
2) По принципу действия
· Комбинационные устройства (автоматы без памяти). В них состояние выходных сигналов однозначно определяется только действующей в настоящий момент времени комбинацией входных сигналов и не зависит от значений переменных, действовавших на входах ранее. К таким устройствам относятся кодеры, декодеры, мультиплексоры, демультиплексоры, сумматоры, компараторы.
3) Последовательные или автоматы с памятью. Выходные сигналы определяются не только действующей в настоящий момент времени комбинацией входных сигналов, но и предыдущим состоянием устройства, зависимым от входных переменных, действовавших на входах ранее. К ним относятся триггеры и все устройства, построенные на триггерах: регистры, счетчики, ОЗУ, ПЗУ.
Цифровые (дискретные) автоматы (ЦА) – это логические устройства, предназначенные для приема, хранения и преобразования цифровой информации по некоторому алгоритму, способные переходить под действием входных сигналов из одного состояния в другое и выдавать выходные сигналы.
Теорию автоматов подразделяют на абстрактную и структурную. Структурная теория ЦА изучает общие приемы построения структурных схем автоматов на основе элементарных автоматов. Абстрактная теория ЦА – изучаются наиболее общие законы их поведения без учета конечной структуры (т.е. способа построения) автомата и физической природы информации.
Значение выходных сигналов такого устройства зависит не только от аргументов на входе в данный момент времени, 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 последовательного типа. К последовательным схемам можно отнести – триггеры, счетчики, регистры.
В общем случае структурная схема цифрового автомата может быть представлена в виде набора трех узлов – комбинационной схемы формирования выходных сигналов, комбинационной схемы формирования сигналов управления триггерами и, собственно, памяти (рис. 1).
Рисунок 1. Структурная схема цифрового автомата
На вход комбинационной схемы управления триггерами поступает комбинации входных сигналов х1, х2, …, хk, комбинации сигналов, отражающих состояние элементов памяти Q1, Q2, …, Qm. С учетом этих множеств комбинационная схема формирует серии сигналов, управляющих состоянием триггеров. Кодовые комбинации состояния триггеров образуют внутренние состояние цифрового автомата, которые принято обозначать буквой а.
Комбинационная схема формирования выходных сигналов создает сигналы у1, у2, …, ур, которые могут использоваться для управления некоторыми узлами, для активации процессов в других схемах. Эти сигналы могут зависеть только от внутренних состояний: в этом случае устройство принято называть автоматом Мура. А если выходные сигналы зависят и от входных сигналов х1, х2, …, хk, то – автоматом Мили. Таким образом. Для задания цифрового автомата необходимы три множества:
· 
множество входных сигналов х1, х2, …, хk;
· множество выходных сигналов у1, у2, …, ур ;
· множество внутренних состояний а1, а2, …, аz.
На указанных трех множествах задают две функции – функцию переходов f, определяющую состояние автомата а(t+1) в момент t+1 в зависимости от состояния автомата а(t) и значения входного сигнала х(t) в момент времени t: а(t+1) = f (a(t), x(t)) и функцию выходов φ, которая определяет зависимость выходного сигнала автомата у(t) от состояния автомата а(t) и значения входного сигнала х(t): y(t) = φ(a(t), x(t)).
Для автомата Мили эти функции имеют вид:
а(t+1) = f (a(t), x(t)); y(t) = φ(a(t), x(t));
где а(t+1) – новое состояние цифрового автомата,
a(t) – предыдущее состояние автомата,
y(t) – выходные сигналы текущего времени,
x(t) – сигналы на входе в данный момент времени.
Для автомата Мура:
а(t+1) = f (a(t), x(t)); y(t) = φ(a(t)).
Одно из состояний автомата является начальным (состояние а0), и перед началом работы автомат всегда устанавливается в данное состояние.
Обычно последующие действия автомата задаются с помощью алгоритма. Функции автоматов Мили и Мура используют 2 способа: табличный и графический. В отличие от табличного способа, графический в виде графа функционирования, обеспечивает хорошую наглядность.
По характеру отсчёта дискретного времени автоматы делятся на синхронные и асинхронные.
В синхронных конечных автоматах моменты времени, в которые автомат считывает входные сигналы, определяются принудительно синхронизирующими сигналами. После очередного синхронизирующего сигнала с учётом «считанного» и в соответствии с соотношениями для функционирования автомата происходит переход в новое состояние и выдача сигнала на выходе, после чего автомат может воспринимать следующее значение входного сигнала.
Асинхронный конечный автомат считывает входной сигнал непрерывно, и поэтому, реагируя на достаточно длинный входной сигнал постоянной величины x, он может, как следует из соотношений для функционирования автомата, несколько раз изменять состояние, выдавая соответствующее число выходных сигналов, пока не перейдёт в устойчивое состояние, которое уже не может быть изменено данным входным сигналом.
Способы построения процессорных устройств
Процессорное устройство (как и всякое сложное цифровое устройство) синтезируется в виде соединения двух устройств: операционного и управляющего (рис.2).
 |
Рисунок 2. Структурная схема процессорного устройства
Операционное устройство – устройство, в котором выполняются операции. Оно включает в себя регистры, сумматор, каналы передачи информации, мультиплексоры для коммутации каналов, шифраторы, дешифраторы и т.д. Управляющее устройство координирует действия узлов операционного устройства; оно вырабатывает в оперативной временной последовательности управляющие сигналы, под действием которых в узлах операционного устройства выполняются требуемые действия.
Процесс функционирования операционного устройства распадается на определенную последовательность элементарных действий в его узлах.
Каждое такое элементарное действие, выполняемое в одном из узлов операционного устройства в течение одного тактового периода, называется микрооперацией.
В определенные тактовые периоды одновременно могут выполняться несколько микроопераций, например, R2←0; Сч←(Сч)+1. Такая совокупность одновременно выполняемых операций называется микрокомандой, а весь набор микрокоманд, предназначенный для решения определенной задачи, - микропрограммой.
Существуют два принципиально различных подхода в проектировании микропрограммного автомата (управляющего устройства): использование принципа схемной логики или принципа программируемой логики.
1.2.1. 
Процессорное устройство со схемной логикой
При использовании принципа схемной логики, в процессе проектирования подбирается некоторый набор цифровых микросхем (обычно малой и средней степени интеграции) и определяется такая схема соединений 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. Недостаток этого принципа построения процессорных устройств состоит в трудности использования интегральных микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции (БИС и СБИС). Это связано с тем, что для разных процессорных устройств потребуются различные БИС. Такие БИС окажутся узкоспециализированными. Число типов БИС будет большим, а потребность в каждом типе БИС окажется низкой. Это приведет к экономической нецелесообразности выпуска их промышленностью.
1.2.2. 
Процессорные устройства с программируемой логикой
Указанные выше недостатки процессорных устройств со схемной логикой, заставляют обратиться к другому подходу в проектировании цифровых устройств, основанному на использовании принципа программируемой логики.
 |
Рисунок 3. Структурная схема процессорного устройства с программируемой логикой
| Поле адреса | Поле условных переходов | Поле управляющих сигналов |
БМЧ ПЧ
Рисунок 4. Формат микрокоманд
Этот подход предполагает построение с использование модной или нескольких БИС некоторого универсального устройства, требуемое функционирование которого обеспечивается заключением в память устройства всех микрокоманд определенной программы. Исполнение операций в операционном устройстве обеспечивается путем последовательной выборки микрокоманд из запоминающего устройства (рис.3), т.е. форматируется адрес каждой следующей микрокоманды. В зависимости от введенной программы такое универсальное управляющее устройство способно выполнить самые разнообразные функции. Число типов БИС в этом случае оказывается небольшим, а потребность в БИС каждого типа высокой. Это обеспечивает целесообразность их выпуска промышленностью. Набор типов БИС, обеспечивающих построение таких универсальных устройств, образует микропроцессорный комплект (МПК). Устройства, реализуемые МПК, - микропроцессорные устройства (МПУ).
Если в устройстве, построенном по принципу схемной логики, всякое изменение или расширение выполняемых функций влечет за собой демонтаж устройства и монтаж устройства по новой схеме, то при использовании МПУ благодаря использованию принципа программируемой логики, такое изменение функционирования достигается заменой хранящейся в памяти программы новой программой, соответствующей новым выполняемым устройством функции. Такая гибкость применений, наряду с другими, связанными с использованием БИС достоинствами, заключающимися в низкой стоимости, малых габаритных размерах, высокой точности и помехозащищенности, характерных для цифровых методов, обусловили широкое внедрение МПУ в разнообразные сферы производства, аппаратуру для научных исследований и бытовые устройства.
1.3. Факторы, влияющие на работоспособность цифрового устройства
Факторы, воздействующие на работоспособность ЭВМ, разделяют на климатические, механические и радиационные.
К климатическим факторам относят: изменение температуры и влажности окружающей среды; тепловой удар; увеличение или уменьшение атмосферного давления; наличие движущихся потоков пыли, песка; присутствие активных веществ в окружающей атмосфере; наличие солнечного облучения, грибковых образований (плесень), микроорганизмов, насекомых и грызунов; взрывоопасной и воспламеняющейся атмосферы, дождя или брызг; присутствие в окружающей среде озона.
К механическим факторам относят: воздействие вибрации, ударов, линейного ускорения, акустического удара; наличие невесомости.
К радиационным факторам относят: космическую радиацию; ядерную радиацию от реакторов, атомных двигателей; облучение потоком гамма-фотонов, быстрыми нейтронами, бета-частицами, альфа-частицами, протонами, дейтронами.
1.4. Риски, возникающие в процессе работы цифрового устройства. Способы исключения сбоев в работе цифрового устройства
Риск – это возможность появления на выходе ЦУ сигнала, не предусмотренного алгоритма его работы и могущего привести к сложному срабатыванию.
В цифровом устройстве всегда функционирует комбинационный узел (КУ) совместно с последовательностными узлами автоматов с памятью (АП) на которые существенное влияние могут оказывать не предусмотренные временные сигналы появляющиеся на выходах КУ во время переходных процессов.
Со временем риски исчезают и выходы КУ приобретают заданное значение. Однако риски могут быть восприняты элементами памяти АП не обратимое изменение состояния которых может радикально изменить работу ЦУ.
Риски различают статические и динамические:
Статические риски – это кратковременное изменение сигнала, который должен был оставаться неизменным. Сигнал должен быть единичным или нулевым в этом случае говорят один риск или нулевой риск.
Динамические риски возникают многократно, то есть место первого перехода АП происходят многократные переходы.
Способы исключения сбоев в работе цифрового устройства делятся на два типа:
1) Синтез схемы свободный от рисков этот путь требует сложного анализа.
2) Предусматривает запрещение восприятия КУ элементами памяти на время переходных процессов.
Для определения временного интервала, на котором происходят переходные процессы нужно оценить задержки распространений переходных сигналов от входов КУ к его выходам. Обычно рассчитываются пути с минимальными и максимальными задержками. Для задержки сигнала на самом верхнем пути нужно сложить задержки всех элементов на этом пути и по истечению времени переходные процессы завершаться.
Последствие гонок можно устранить временным стробированием, когда на элемент кроме информационных сигналов передается тактирующее (синхронизирующие) импульсы (стробы) к моменту прихода которых информационные сигналы заведомо успевает установиться на выходах КУ и на входных элементов памяти.
2 Расчетная часть