Практическая работа по дисциплине
Элементы систем автоматики
Проектирование арифметико-логическое устройство в заданном базисе логических элементов и исследование его работы в программе LOGO! Soft Comfort.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Цель работы..........................................................................................................
2. Приборы и оборудование...................................................................................
4. Теоретическая часть............................................................................................
5. Порядок выполнения работы..............................................................................
6. Содержание отчета...............................................................................................
7. Контрольные вопросы.........................................................................................
Приложение А. Варианты индивидуальных заданий........................................
Цель работы
Изучение принципов проектирования арифметико-логическое устройство в заданном базисе логических элементов. Исследование функционирования интегральной схемы арифметико-логическое устройства К555ИП3 в программе LOGO! Soft Comfort.
Приборы и оборудование
1. Персональный компьютер (ноутбук).
2. Программа LOGO! Soft Comfort.
Теоретическая часть
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - это многофункциональное устройство, которое выполняет над входными числами различные арифметические и логические операции. Микросхема К155ИП3 (аналог 74181) - четырехразрядное,скоростное АЛУ.АЛУ может работать в двух режимах, выполняя либо 16 логических, либо 16 арифметических операций.
Для получения максимального быстродействия при обработке длинных цифровых слов в схеме АЛУ присутствует внутренняя схема ускоренного переноса (СУП). Условное графическое обозначение (УГО) микросхемы К155ИП3
приведено на рисунке 1.
Рисунок 1 - УГО микросхемы К155ИП3
На входы A0-A3 (активные уровни — низкие, лог.0) подается четырехразрядное слово А (операнд А), на входы B0-B3 — аналогичное слово-операнд В. АЛУ К155ИП3 имеет четыре входа выбора S0-S3 с помощью которых можно выбрать 24=16 функций устройства. С помощью входа М (mode control) переключаются режимы и АЛУ выполняет либо 16 арифметических операций, либо генерирует 16 логических функций двух переменных.
На входе С0 принимается входной сигнал переноса. Результат выполнения одной из 32 выбранных функций АЛУ появляется на выходах F0-F3 (активные уровни — низкие, лог.0). На выходе выделяется сигнал переноса (после четырех разрядов). Этот сигнал подается на вход С0 следующего АЛУ при составлении схем АЛУ большей емкости.
Внутренняя структура (комбинационная схема) микросхемы К155ИП3 приведена на рисунке 2.
Микросхема К155ИП3 имеет три вспомогательных выхода:
а) А=В — выход компаратора, отображающий равенство операндов (выход
имеет открытый коллектор);
б) G — выход генерации переноса;
в) P — выход распространения переноса.
Выходы G и P имеют активные низкие уровни, то есть лог.0.
Микросхема К155ИП3 управляется параллельными входами выбора S0 - S3 и входом управления режимом М. Если на входе М напряжение высокого уровня, то есть лог.1, (запрещаются все внутренние переносы) и АЛУ будет исполнять логические операции поразрядно. При напряжении низкого уровня, то есть лог.0, на входе М переносы разрешаются, и будут выполняться арифметические операции над двумя четырехразрядными словами. За счет полной внутренней СУП сигнал переноса на выходе C4 появляется при каждом входном сигнале переноса, поступившем на вход. Для организации переноса между корпусами АЛУ, объединяемыми в многоразрядную схему, используются выходы P и G. Данные, появляющиеся на них, не зависят от состояния входа переноса СD.
Рисунок 2. Комбинационная схема микросхемы К155ИП3.
Если от многокорпусного АЛУ не требуется максимальное быстродействие,
можно использовать простой режим пульсирующего переноса. Для этого выход переноса С4 соединяют со входом переноса СD следующего АЛУ.
Для обеспечения высокоскоростных операций следует включать между микросхемами К155ИПЗ специальную микросхему ускоренного переноса К155ИП4. Один корпус К155ИП4 может обслуживать четыре АЛУ К155ИП3.
На выходе компаратора, то есть. на выходе отображении эквивалентности А=В, будет напряжение высокого уровня, если на всех четырех выходах F оказались высокие логические уровни. Этот выход применяется для отображения логической эквивалентности четырехбитных слов, если АЛУ работает в режиме вычитания. Выход А=В имеет открытый коллектор, что дает возможность объединить несколько таких выходов по схеме "проволочное И". Таким способом можно сравнивать слова, длина. которых превышает 4 бит. Сигнал выхода А= В можно использовать совместно с сигналом С4, для выяснения соотношения: А>В или А<В. Арифметическое-логическое устройство может работать с высокими или низкими активными логическими уровнями. В зависимости от этого меняются знаки инверсии на входах и выходах, а также получаются различные таблицы соответствия логических и арифметических функций кодам выбора функции, (входы S0—S3). В таблице 1 показан выбор функций АЛУ при высоких активных уровнях операндов и выходов. В таблице 2 приведены аналогичные данные для активных низких уровней. В обеих таблицах дан перечень арифметических операций без переноса и с переносом по входу СD. Операции с переносом отличаются на единицу. При операции А+А каждый бит сдвигается на одну (старшую) позицию.
| 
|
Таблица 1 - Выбор функций АЛУ на микросхеме К155ИП3 при высоких активных уровнях.
Таблица 2 - Выбор функций АЛУ на микросхеме К155ИП3 при низких активных уровнях.
Порядок выполнения работы
1. Подготовить персональный компьютер и запустить программу
LOGO! Soft Comfort.
2. Собрать схему для исследования функционирования АЛУ (в соответствии с комбинационной схемой, показанной на рисунке 2) в статическом режиме работы.
3. Исследовать реакцию АЛУ на статические комбинации логических
сигналов входного кода. Комбинации на входах операнда А задаются клавишами А0, А1, А2, А3 (I1-I4), а на входах операнда В - В0, В1, В2, В3 соответственно (I5-I8). Код выбора на входах выбора функции задаётся клавишами S0 -S3 (I9-I12). Режим работы АЛУ задаётся клавишей М (I13). Входной код переноса задаётся клавишей Р (I14).
Реакцию на выходах F0 - F3 (Q1-Q4), C4 (Q5), P(Q6), G (Q7), A=B (Q8) АЛУ определять на индикаторах в программе LOGO! Soft Comfort в режиме эмуляции.
Результаты исследования АЛУ свести в свою таблицу 3. Произвести действия с операндами согласно индивидуальному заданию, приведенному в приложении А. Операнды в приложении А представлены в шестнадцатеричной системе исчислении. Чётные варианты выполняются при при высоких активных уровнях согласно таблице 1, а нечётные - при низких активных уровнях согласно таблице 2. Результаты работы привести в таблице 3.
Таблица 3 - Результат исследования функционирования АЛУ
7. Контрольные вопросы
1. Выполнение логических и арифметических операций над числами в
двоичной системе счислении.
2. Чем отличается работа АЛУ при высоких активных уровнях от работы АЛУ
при низких активных уровнях?
3. Чем отличается работа АЛУ в режиме логических операций от операции
арифметических
4. Возможно ли возникновение переноса при выполнении логических
операций?
5. Какая информация появляется на выходе сравнения АЛУ?
6. Для каких целей в АЛУ предусматриваются выводы образования и
распространения переноса?
7. Назначение схемы ускоренного переноса при организации АЛУ для слов,
длина. которых превышает 4 бита.
8. Дать определения и назначения арифметико-логического устройства.
