Разработка цифрового микропрограммного автомата

                                                        Федеральное агентство связи

Хабаровский Институт Инфокоммуникаций

ГОУ ВПО

Сибирский государственный университет

Телекоммуникаций и информатики

Факультет дневного обучения

Среднее профессиональное образование

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине

Вычислительная техника

на тему:

«Разработка цифрового микропрограммного автомата».

 

 

Выполнил:                                                                                                     

Проверила:                                                                                                    

Шифр:                                                                                                               ДО 210 406 320

 

 

 

 

 

 

                                              

                                                     Хабаровск 2010 г.

 

 

                                                                 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение           3

1 Основные понятия МПА          4

2 Структурная схема МПА         5

3 Синтез МПА

3.1 Описание алгоритма  и составление графа переходов, таблицы

      кодирования состояний         7

3.2 Составление таблицы  функционирования состояний    11

3.3 Составление логических  выражений для комбинационной  части схемы  13

4 Синтез преобразователя кода        14

5 Выбор индикатора          18

6 Выбор микросхем          21

7 Формирование логических схем        24

8 Техническое описание  работы устройства      26

Заключение           27

Список используемой литературы        28

 

                                                                    ВВЕДЕНИЕ

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.

Вычислительная техника получила широкое распространение в народном хозяйстве. Нет ни одной отрасли, в которой не использовались бы электронно-вычислительные машины (ЭВМ). Идет, как принято говорить всеобщая компьютеризация, вплоть до использования ЭВМ в домашнем хозяйстве. Решается задача всеобщей компьютерной грамотности. Во многих учебных заведениях, в том числе средних профессиональных, готовят специалистов по вычислительной технике. Поэтому  учебное пособие «Основы вычислительной техники», столь необходимое для подготовки таких специалистов, получит самое широкое распространение. Оно содержит все необходимые сведения об информационных, логических и арифметических основах ЭВМ, о методах анализа и синтеза устройств ЭВМ. Приводятся также характеристики устройств и ЭВМ в целом, особенности структурного построения вычислительных систем. Изображенный материал закладывает необходимую базу знаний, позволяющую студентам самостоятельно изучить дополнительные разделы вычислительных наук, например специализированные ЭВМ, сети ЭВМ и т.п.

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.                                                                          

Рис- 2.1

 

 

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

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 (ОУ) 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, например,R2 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 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. Формирование управляющих сигналов

        Формирование  управляющих сигналов y1,……,yn для выполнения   микрокоманд может проходить  в зависимости от состояния  узлов ОУ, определяемого сигналами X1,……,Xs, которые подаются   с соответствующих выходов ОУ  на входы УУ. Управляющие сигналы y1,……,yn могут также зависеть  от внешних сигналов XS+1,…..,XL  . Для сокращения числа управляющих цепей, выходящих из УУ (в тех случаях, когда  оно конструктивно выполняется отдельно от операционного), микрокоманды могут кодироваться.      

Цель курсовой работы состоит в  проектировании  управляющего устройства, то есть МПА. Структурная  схема УУ представлена на рисунке 2.2.

              

                                 Рис 2.2- Принципиальная схема МПА

3 Синтез микропрограммного  автомата

3.1 Описание алгоритма  и составление графа переходов, таблицы кодирования состояний.

Задача проектирования в курсовой работе поставлена передо мной в виде алгоритма, изображенного на рисунке 3.1.

          

                                                        Рис 3.1- Блок 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).

 

                                                                     Рис 3.2- Граф переходов

       Внутренние состояния  обозначаются кружками, внутри круга  буква “А” – это узлы графа.

       Узлы соединения  дугами, которые показывают направление  перехода, над дугами условия  перехода.

        Система находиться  в состоянии A0. Из A0 система переходит в состояние A1 под воздействием  микрокоманд y1 y5 y6 без выполнения условий. Из состояния A1 система переходит в состояние  A2 под воздействием микрокоманды y1 y3 y6 без выполнения условий. Далее из  состояния A2 система переходит в состояние A3 под воздействием микрокоманд y2 y3 y5 без выполнения условий. Из состояния A3 система переходит  в состояние A4 под воздействием микрокоманды y1 y5 без выполнения условий. Из состояния A4 система переходит в состояние A5 под воздействием микрокоманды y1 y4 y3 с выполнением условий (x3).Также из состояния  A4 система переходит в состояние A8 под воздействием у4у5 с выполнением условий( 3).

Далее система из состояния A5 переходит в состояние A6 под воздействием микрокоманд  y1 y5 y7 без выполнения условий (x). Из состояния A6 система  переходит в состояние A7 под воздействием микрокоманд y2 y6 y7 без выполнения условий . Далее из  состояние A7 система переходит в состояние A2 под воздействием микрокоманды y1 y6 без выполнения условий. Из состояния  A8 система переходит в состояние A9 под воздействием микрокоманды y1 y5 y4  с выполнением условий ( 4),также из состояния A8 система переходит в состояние A11 под воздействием микрокоманды y2 y3 y4 с выполнением  условий 4).А также из состояния А11 система переходит в А7 под воздействием микрокоманды y2 y6 y7  с выполнением условий( 1).Из состояния A9 система переходит в состояние A10 под воздействием микрокоманд y2 y4 y6 с выполнением условий ( 4).Из состояния A10 система переходит в состояние A1 под воздействием микрокоманд y2 y3 y5 y7 без выполнения условий . Также из состояния A9 система переходит в состояние A0 под воздействием микрокоманд y2 y4 y6 с выполнением условий ( 4).Из состояния A9 система переходит в состояние A3 под воздействием микрокоманд y3 y1 y2 с выполнением условий (x2)  .

Обозначенные внутренние состояния кодируются, то есть буквенному обозначению присваивается  двоичный код (Таблица 3.1)

Таблица 3.1 – Таблица состояний

Внутреннее состояние	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

 

Для удобства используют таблицу переходов для JK – триггеров. Эта таблица также необходима для составления таблицы функционирования. 

 

Переход	J	K
0-0	0	-
0-1	1	-
1-0	-	1
1-1	-	0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2 Составление  таблицы функционирования состояний.

После построения графа переходов для составления логических выражений необходимо составить таблицу функционирования состояний задающего цифрового автомата (Таблица 3.3).

Заполняется таблица по графу и в соответствии с таблицей переходов.