Синтез управляющего устройства процессора в форме "Автомата Мили"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство связи

Бурятский филиал ГОУ ВПО СибГУТИ

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Вычислительная техника»

на тему: «Синтез управляющего устройства процессора в форме «Автомата Мили»

Руководитель работы: Полещук Т. В.

Выполнил студент: Очиров Б. А.

группы: М-191

Улан-Удэ 2012 г.

Содержание

цифровой микросхема аппарат автомат

Введение

1. Задание

2.1 Теоретическая часть

2.2.1 Построение процессоров

2.2.2 Цифровые автоматы

2.2 Практическая часть

2.2.1 Определение состояний Ц. А

2.2.2 Кодирование состояний Ц.А

2.2.3 Построение графа функционирования

2.2.4 Таблица функционирования комбинационного узла

2.2.5 Выведение уравнений работы автомата

2.2.6 Описание работы

3. Заключение

4. Список использованной литературы

Введение

Работу цифровой микросхемы описывает алгебра-логика, основоположником которой явился ирландский математик Джордж Буль.

Широкое внедрение цифровой техники во многие отрасли науки и техники тесно связано с появлением интегральных микросхем. Цифровые устройства, собранные на дискретных транзисторах и диодах, имели значительные габариты и массу, ненадежно работали из-за большого количества элементов и особенно паяных соединений. Интегральные микросхемы, содержащие в своем составе десятки, сотни, тысячи, а в последнее время многие десятки и сотни тысяч и даже миллионы компонентов, позволили по-новому подойти к проектированию и изготовлению цифровых устройств. Надежность отдельной микросхемы мало зависит от количества элементов и близка к надежности одиночного транзистора, а потребляемая мощность в пересчете на отдельный компонент резко уменьшается по мере повышения степени интеграции.

Микропроцессоры и микропроцессорные системы являются в настоящее время наиболее массовыми средствами вычислительной техники, использующиеся в автоматизированных системах.

Цифровые устройства, построенные на интегральных микросхемах применяются во всех сферах жизнедеятельности людей. Они обладают рядом преимуществ: небольшие размеры, масса, стоимость, потребляемая мощность, отличаются ещё и высокой надёжностью. Также применяются в вычислительных машинах, в цифровых измерительных приборах, аппаратуре связи и передачи данных, медицине и бытовой технике. Интегральные микросхемы заменяют обычную радиоэлектронную схему, и благодаря этому цифровая аппаратура становится более экономичной, повышается её надёжность.

Целью внедрения микропроцессорных устройств является: повышение вычислительной техники, весь труд автоматизирован, таким образом улучшаются качество работы, у обслуживающего персонала уменьшается объём работы связанный с предоставлением и учётом услуг.

Микропроцессорные устройства широко используются в аппаратуре, которая обеспечивает обмен, обработку, распределение информации между абонентами - это например, аппаратура передачи данных, управляющие устройства квазиэлектронных и электронных автоматических телефонных станций и т. д.

Целью выполнения моей курсовой работы является ознакомление с принципами построения цифровых автоматов, углубление теоретических знаний в соответствии с заданной темой.

1. Задание

Постановка задачи:

По заданному алгоритму функционирования управляющего устройства процессора с жесткой логикой синтезировать принципиальную электрическую схему на заданной серии интегральных микросхем и типе триггеров.

Начальное состояние цифрового автомата взять как а₀.

Исходные данные

№ варианта	№ алгоритма	Серия ИМС	Тип триггера
14	7	КР 1531	ТМ 9

2.1 Теоретическая часть

2.1.1 Построение процессоров

Существует два подхода к проектированию микропрограммного автомата: использование принципа схемной (жёсткой) логики или принципа программируемой логики. При использовании процессора со схемной логикой при проектировании выбирается набор микросхем и выбирается та схема, которая обеспечивает требуемое функционирование. Они способны обеспечить наивысшее быстродействие. Недостаток: трудность использования интегральных микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции. Это связано с тем, что для разных процессоров потребуются различные БИС. Число БИС окажется большим, а потребность в каждом типе БИС окажется низкой. Принцип программируемой логики предполагает использование одной или нескольких БИС некоторого универсального устройства, функционирование которого обеспечивается заключением в память устройства определённой программы. В зависимости от программы такое устройство может выполнить самые разнообразные функции. Число БИС окажется небольшим, а потребность каждого типа высокой.

2.1.2 Общая структура процессоров

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



Вход данных

U₁ U_2..Un

Y₁ Х₁

Y₂

x _s+1

Y_n X_S

X_L

Рис. 1 общая структура процессоров

Операционное устройство (ОУ) - устройство, в котором выполняются операции. Оно включает в качестве узлов регистры, сумматоры, мультиплексор, шифраторы, дешифраторы и т. д. Управляющее устройство (УУ) координирует действия узлов операционного устройства; оно вырабатывает в некотором временной последовательности управляющие сигналы, под действием которых в узлах операционного устройства выполняются требуемые действия.

Процесс функционирования операционного устройства распадается на последовательность элементарных действий в его узлах:

1) установка регистра в некоторое состояние (например, запись в регистр R1 числа 0, обозначаемая R1 < 0);

2) инвертирование содержимого разрядов регистра (например, если регистр R2 содержал двоичное число 101101, то после инвертирования его содержимое будет равно 010010; такое действие обозначают R2 < ());

3) пересылка содержимого одного узла в другой (например, пересылка содержимого регистра R2 в регистр R1, обозначаемая R1 < (R2));

4) сдвиг содержимого узла влево, вправо (например, сдвиг на один разряд влево содержимого регистра R1, обозначаемый R1 < СдвЛ (R1));

5) счет, при котором число в счетчике (регистре) возрастает или убывает на единицу (Сч < (Сч ±1));

6) сложение (например, R2 < (R2) + (R1));

7) сравнение содержимого регистра на равенство с некоторым числом; результат сравнения: лог.1 (при выполнении равенства) либо лог.0 (при невыполнении равенства);

8) некоторые логические действия (поразрядно выполняемые операции конъюнкции, дизъюнкции и др.).

Каждое такое элементарное действие, выполняемое в одном из узлов ОУ 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 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 n управляющих 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 лог.1). В силу того, что управляющее устройство определяет микропрограмму, т.е. какие и в какой временной последовательности должны выполняться микрооперации, оно получило название микропрограммного автомата.

Формирование управляющих сигналов Y₁,…,Y_n (рис.1) для выполнения микрокоманд может происходить в зависимости от состояния узлов операционного устройства, определяемого сигналами Х₁,…,Х_S, которые подают с соответствующих выходов операционного устройства на входы управляющего устройства. Управляющие сигналы Y₁,…,Y_n могут также зависеть от внешних сигналов Х _S+1, …, Х_L.

Для сокращения числа управляющих цепей, выходящих из управляющего устройства (в тех случаях, когда оно конструктивно выполняется отдельно от операционного), микрокоманды могут кодироваться.

2.1.2 Цифровые автоматы

Цифровые автоматы - это логические устройства, в которых помимо логических элементов имеются элементы памяти. 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 называются последовательностными схемами. К последовательностным 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.2)



Рис. 2 Управляющее устройство со схемной логикой

На вход комбинационной схемы управления триггерами поступают комбинации входных сигналов Х₁, Х₂,…Х_К, комбинации сигналов, отражающих состояние элементов памяти Q₁, Q₂,…Q _m. С учетом этих множеств комбинационная схема формирует серии сигналов, управляющих состоянием триггеров. Кодовые комбинации состояния триггеров образуют внутренние состояния цифрового автомата, которые принято обозначать буквой а.

Комбинационная схема формирования выходных сигналов создает сигналы У₁, У₂,…У_Р. которые могут использоваться для управления некоторыми узлами, для активизации 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,…Х_К, то - автоматом Мили.

Таким образом, для задания цифрового автомата необходимы три множества:

ь множество входных сигналов: Х₁, Х₂,…Х_К;

ь множество выходных сигналов: У₁, У₂,…У_Р;

ь множество внутренних состояний: а₁, а₂,…а_Z.

На указанных трех множествах задают две функции: функцию переходов и функцию выходов. Для автомата Мили эти функции имеют вид:

а _{( t+1)} = f _{(a (t), (x(t))}

y_(t) = ц_{(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) = ц_(a(t));

Последовательность действий автомата по формированию выходных сигналов и сигналов управления триггерами с учетом выходных 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, операционное устройство процесса в зависимости от поступления тех или иных входных сигналов - х). Задавать цифровой автомат удобно с помощью графа. Графом называется 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 ввиду 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 моделирования самых разнообразных систем и структур: электрических схем, вычислительных сетей и т.д.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Построение комбинационного узла

2.2 Практическая часть

2.2.1 Определение состояний ЦА

На заданной по варианту блок-схеме алгоритма проставим состояния цифрового автомата. Новым состоянием обозначается вход блока следующего за “процессом”. За исходное состояние возьмём а0.

2.2.2 Кодирование состояний Ц. А

Для расчета числа триггеров воспользуемся формулой:

N?log₂a_n

где a_n - количество состояний в алгоритме

N= log₂a_n = log₂11 ? 4

Для всех состояний автомата достаточно выбрать триггер как минимум с четырьмя выходами «Q». Каждый выход фиксируется в таблице, затем этому выходу присваивается «0» или «1» в зависимости от выбранного состояния автомата.

Таблица 1

Кодирование состояний цифрового автомата

Состояние	Выход триггера
ai	Q4	Q3	Q2	Q1
a0	0	0	0	0
a1	0	0	0	1
a2	0	0	1	0
a3	0	0	1	1
a4	0	1	0	0
a5	0	1	0	1
a6	0	1	1	0
a7	0	1	1	1
a8	1	0	0	0
a9	1	0	0	1
a10	1	0	1	0

2.2.3 Построение графа функционирования

Кругами обозначаются состояния, а дугами переходы из одного состояния в другое. На дугах указываются условные переходы Xi, а также выходные сигналы Yi

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 4 Граф функционирования

2.2.4 Таблица функционирования комбинационного узла

Для заполнения таблицы работы нам понадобится таблица переходов JK-триггера.

Табл. 2

Таблица переходов JK-триггеров

Переход	D
0 > 0	0
0 > 1	1
1 > 0	0
1> 1	1

Состояние автомата	Условие перехода
Исходное	Новое
ai	Q4	Q3	Q2	Q1	ai	Q4	Q3	Q2	Q1	х5	х4	х3	х2	х1
a0	0	0	0	0	a1	0	0	0	1	-	-	-	-	-
a1	0	0	0	1	a2	0	0	1	0	-	-	-	-	-
a2	0	0	1	0	a3	0	0	1	1	-	-	-	0	-
a2	0	0	1	0	a4	0	1	0	0	-	-	-	1	-
a3	0	0	1	1	a5	0	1	0	1	-	-	-	-	-
a4	0	1	0	0	a6	0	1	1	0	-	-	-	-	-
a5	0	1	0	1	a7	0	1	1	1	-	0	-	-	-
a5	0	1	0	1	a7	0	1	1	1	-	1	-	-	-
a6	0	1	1	0	a7	0	1	1	1	-	-	1	-	-
a6	0	1	1	0	a8	1	0	0	0	-	-	0	-	-
a7	0	1	1	1	a9	1	0	0	1	-	-	-	-	-
a8	1	0	0	0	a9	1	0	0	1	-	-	-	-	-
a9	1	0	0	1	a3	0	0	1	1	-	-	-	-	0
a9	1	0	0	1	a10	1	0	1	0	-	-	-	-	1
a10	1	0	1	0	a0	0	0	0	0	0	-	-	-	-
a10	1	0	1	0	a1	0	0	0	1	1	-	-	-	-

2.2.4 Таблица функционирования комбинационного узла

Сигналы управления триггерами
D4	D3	D2	D1	y7	y6	y5	y4	y3	y2	y1
0	0	0	1	0	1	1	0	0	0	0
0	0	1	0	0	1	0	0	0	1	1
0	0	1	1	0	1	1	1	1	1	0
0	1	0	0	0	0	1	0	1	0	1
0	1	0	1	0	0	0	0	1	0	1
0	1	1	0	0	0	1	0	0	0	1
0	1	1	1	0	1	0	0	0	0	1
0	1	1	1	1	0	0	0	1	1	0
0	1	1	1	1	0	0	0	1	1	0
1	0	0	0	1	0	0	0	1	0	1
1	0	0	1	0	0	0	1	1	1	0
1	0	0	1	0	0	1	1	0	0	1
0	0	1	1	0	0	1	0	1	1	0
1	0	1	0	0	0	0	0	1	1	1
0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0

2.2.5 Выведение уравнений работы автомата

После заполнения таблицы № 4 переходим к записи выходных уравнений в СДНФ:

D1=a0 V a2 * х2 V a3 V a5 * x4 * a5 * x4 V a6 * x3 V a7 V a8 V a9 * x1 V a10 * x5

D2=a1 V a2 * x2 V a4 V a5 * x4 V a5 * x4 V a6 * x3 V a9 * x1 V a9 * x1

D3=a2 * x2 V a3 V a4 V a5 * x4 V a5 * x4 V a6 * x3

D4=a6 * x3 V a7 V a8 V a9 * x1

Y1=a1 V a2 *x2 V a3 V a4 V a5 * x4 V a6 * x3 V a8 V a9 * x1

Y2=a1 V a5 * x4 V a6 * x3 V a7 V a9 V a9 * x1

Y3=a2 *x2 V a3 V a5 * x4 V a6 * x3 V a6 * x3 V a7 V a9 * x1 V a9 * x1

Y4=a2 * x2 V a7 V a8

Y5=a0 V a2 * x2 V a4 V a8 V a9 * x1

Y6=a0 V a1 V a2 * x2 V a5 * x4

Y7=a5 *x4 V a6 * x3 V a6 * x3

Для упрощения функций можно применить минимизацию. Они примут вид:

D1=a0 V a2 * х2 V a3 V a5 * (x4 V x4) V a6 * x3 V a7 V a8 V a9 * x1 V a10 * x5 =

= a0 V a2 * х2 V a3 V a5 V a6 * x3 V a7 V a8 V a9 * x1 V a10 * x5

D2=a1 V a2 * x2 V a4 V a5 * (x4 V x4) V a6 * x3 V a9 * (x1 V x1) =

= a1 V a2 * x2 V a4 V a5 V a6 * x3 V a9

D3=a2 *x2 V a3 V a4 V a5 * (x4 V x4) V a6 * x3=a2 *x2 V a3 V a4 V a5 * V a6 * x3

D4= a6 * x3 V a7 V a8 V a9 * x1

Y1=a1 V a2 *x2 V a3 V a4 V a5 * x4 V a6 * x3 V a8 V a9 * x1

Y2=a1 V a5 * x4 V a6 * x3 V a7 V a9 V a9 * x1

Y3=a2 *x2 V a3 V a5 * x4 V a6 * (x3 V x3) V a7 V a9 * (x1 V x1) =

= a2 *x2 V a3 V a5 * x4 V a6 V a7 V a9

Y4=a2 * x2 V a7 V a8

Y5=a0 V a2 * x2 V a4 V a8 V a9 * x1

Y6=a0 V a1 V a2 * x2 V a5 * x4

Y7=a5 *x4 V a6 * (x3 V x3) = a5 *x4 V a6

Для упрощения схемы применяем правило Дэ Моргана:

D1 = a0 V a2 * х2 V a3 V a5 V a6 * x3 V a7 V a8 V a9 * x1 V a10 * x5

D2 = a1 V a2 * x2 V a4 V a5 V a6 * x3 V a9

D3 = a2 *x2 V a3 V a4 V a5 V a6 * x3

D4= a6 * x3 V a7 V a8 V a9 * x1

Y1=a1 V a2 *x2 V a3 V a4 V a5 * x4 V a6 * x3 V a8 V a9 * x1

Y2=a1 V a5 * x4 V a6 * x3 V a7 V a9 V a9 * x1

Y3 = a2 *x2 V a3 V a5 * x4 V a6 V a7 V a9

Y4 = a2 * x2 V a7 V a8

Y5 = a0 V a2 * x2 V a4 V a8 V a9 * x1

Y6=a0 V a1 V a2 * x2 V a5 * x4

Y7 = a5 *x4 V a6

2.2.6 Описание работы

Чтобы описать работу устройства для примера мы возьмём из графа одну дугу.

При подаче на триггеры импульса синхронизации, на вход дешифратора с выходов триггеров подаётся сигнал 1010. На пятом выходе дешифратора образуется логический ноль, а на остальных выходах единица. На комбинационный узел также будет подаваться сигнал Х4. После прохождения через логические элементы на входах триггеров образуется сигнал 0111, что означает изменение состояния триггеров в a7, также образуются сигналы У1, У6.

3. Заключение

В процессе выполнения курсовой работы по дисциплине «Вычислительная техника» мною были закреплены полученные теоретические знания и практические умения. А так же углубленны теоретические знания по данной теме.

Я научился использовать справочную, учебную и другую литературу. Получил представление о цифровых автоматах, и научился выбирать подходящие для синтеза микросхемы.

Список использованной литературы

1. Цифровые устройства и микропроцессорные системы, Б.А.Калабеков, И.А.Мамзелев, 1997, М. «Радио и связь».

2. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы, справочное пособие под редакцией С.В.Якубовского, 1984, М. «Радио и связь».

3. Интегральные микросхемы, Б.В. Тарабрина 1983, М. «Радио и связь».

Размещено на Allbest.ru

...