Расчётно-графическая работа по курсу Вычислительные системы и микропроцессорная техника» Синтез комбинационных схем

Московский авиационный институт

(Государственный технический университет) «МАИ»

Факультет радиоэлектроники летательных аппаратов

Кафедра 403 «Электронно-вычислительные средства и информатика»

Расчётно-графическая работа по курсу

«Вычислительные системы и микропроцессорная техника»

Синтез комбинационных схем

Выполнил: студент гр. 04-427

Проверил: доцент

Москва, 2010 г.

Оглавление

1.  Задание на проектирование………………………………………………..3

2.  Уточнение задания…………………………………………………………4

3.  Разработка схемы алгоритма и составление операционного описания..7

4.  Составление операционного описания…………………………………...9

5.  Разработка функциональной схемы устройства………………………..12

6.  Построение управляющего автомата с жесткой логикой………………13

7.  Сокращенная таблица переходов и выходов автомата Мили………….18

8.  Построение УА с программируемой логикой…………………………..21

9.  Структурная схема УА с естественной адресацией…………………….24

10.  Список литературы…………………………...………………………….25

Задание на проектирование

Вариант №6

Даны два параллельных кода A{1:32} и B{1:32}. Сформировать коды номеров совпавших разрядов и подсчитать их количество.

Уточнение задания

Первоначальная формулировка задания выглядит следующим образом: даны два параллельных кода A{1:32} и B{1:32}. Сформировать коды номеров совпавших разрядов и подсчитать их количество.

Такая формулировка является явно недостаточной, задание требует дополнительной информации.

Примем, что источник входного кода гарантирует правильность выставленной информации во время действия стробирующего импульса СТРОБ, а само устройство подтверждает выда­чу кода номеров совпавших разрядов и номера разрядов, в которых совпадают значения разрядов двух параллельных кодов кода A{1:32} и B{1:32}, генерацией импульсов считывания УСЧИТ_КОЛ и УСЧИТ_НОМ.

Будем считать, что смена кодов осуществляется по положительному фронту импульсов ГИ, длительность импульсов СТРОБ и УСЧ равны периоду тактовой последовательности и положительные фронты этих импульсов появляются вслед за положительным фронтом им­пульсов ГИ.

Далее определим разрядности выходных кодов. Выходной код НОМКОД{1:k} по заданию равен номерам кодов совпавших разрядов двух параллельных кодов A{1:32} и B{1:32}. Заметим, что наибольшим значением номера кода совпавшего разряда, который мы можем получить, является самый старший разряд равный 32, что потребует формирование шестиразрядного выходного кода НОМКОД{1:6}, так как (32)10=(100000)2, что потребует шестиразрядной шины.

Выходной код КОЛИЧ{1:k} по заданию равен количеству совпавших разрядов двух параллельных кодов A{1:32} и B{1:32}. Заметим, что в случае совпадений всех разрядов двух параллельных кодов, мы имеем максимальное количество совпавших разрядов равное 32, что потребует формирование шестиразрядного выходного кода КОЛИЧ{1:6}, так как (32)10=(100000)2 ,что потребует шестиразрядной выходной шины.

Итак, задание на проектирование может быть выражено в виде функциональной схемы и эпюр напряжения, изображенных на рис. 1. Входные данные приходящие по двум параллельным кодам сопровождаются управляющим сигналом СТРОБ (передний фронт сигнала СТРОБ совпадает с установившимися сигналами на шинах A и В). Выходные данные КОЛИЧ{1:6}, формируемые устройством, сопровождаются управляющим сигналом УСЧ_КОЛ, чтобы последующие устройства знали в какой момент времени необходимо считать результат работы нашего устройства. Выходные данные НОМКОД{1:6}, формируемые устройством, также сопровождаются управляющим сигналом УСЧИТ_НОМ (передний фронт сигнала УСЧИТ_НОМ совпадает с установившимся сигналом на шине НОМКОД). Считывание данных происходит по переднему фронту управляющих сигналов.

Разработка схемы алгоритма и составление операционного описания

Примем, что два параллельных кода А и В записываются в сдвигающий ре­гистр РГД, который обеспечивает просмотр всех разрядов ко­дов А и В, начиная с первого. Это организуется засылкой в разряд РГД{1} значений разрядов РГД{2}, РГД{3} и т. д. путем сдвига ко­да регистра на один разряд влево. Будем подсчитывать число совпавших разрядов в счетчике количества СЧ_КОЛ{1:6}. Выходной код из счетчика СЧ_КОЛ{1:6} будем подавать на шину КОЛИЧ{1:6}. Номера разрядов, в которых произошло совпадение будем считать в счётчике номеров СЧ_НОМ{1:6}. Выходной код будем из счетчика СЧ_НОМ{1:6} подавать на шину НОМКОД{1:6}.

Работу устройства организуем следующим образом. В начале ожидаем прихода управляющего сигнала СТРОБ, как только СТРОБ пришел - обнулим содержимое счетчика единиц и запишем результат сложения по модулю два двух кодов А и В в РГД. В случае если РГД==0 завершаем процесс анализа. Проанализируем значение первого разряда регистра РГД (РГД {1:1}). Если он содержит единицу, то произведем счет числа комбинаций и подготовим устрой­ство к работе в следующем цикле - сдвинем содержимое регистра РГД влево на один разряд, с записью в освободившийся разряд нуля, и увеличим содержимое счётчика номера разряда на единицу. Прове­рим, не равен ли РГД нулю. Если РГД равен 0, то закон­чим процесс, если нет - продолжим его для следующего разряда вход­ного кода.

Завершение работы устройства связано с просмотром количества разрядов, что определяется появлением признака РГД==0.

Схема алгоритма преобразования изобра­жена ниже.

 

Данный алгоритм может быть адаптирован в алгоритм функционирования операционного устройства, если его шаги будут выражены в терминах работы операционных элементов.

Составление операционного описания

МИКРОПРОГРАММА 1

ПЕРЕМЕННЫЕ

ВХОДНЫЕ: A {1:32}, B {1:32}, СТРОБ;

ВНУТРЕННИЕ: РГД {1:32}, СЧ_НОМ{1:6}, СЧ_КОЛ{1:6},

ГОТ;

ВЫХОДНЫЕ: КОЛИЧ{1:6}= СЧ_КОЛ{1:6}, НОМКОД{1:6}=

СЧ_НОМ{1:6}, УСЧ_НОМ, УСЧ_КОЛ, УГОТ;

ПРИЗНАКИ

Р1=;

Р2= РГД{1:32}==0;

Р3=;

УПРАВЛЯЮЩИЕ СИГНАЛЫ: УЗАП1, УЗАП2, УСЧ_НОМ, УСЛОЖ,

УСЧ_КОЛ, УГОТ, УН1, УН2, УСЧКОЛ, УСЧНОМ, УСДВ, ГОТ;

ПРОЦЕДУРА

УГОТ: ГОТ:=1

М1 ЕСЛИ Р1, ТО М1;

УСЛОЖ: РГД:=РГА mod2 РГВ;

УН1: СЧ_КОЛ:=0;

УН2: СЧ_НОМ:=0;

УСБР: ГОТ:=0;

М2 ЕСЛИ Р2, ТО М4;

ЕСЛИ Р3, ТО М3;

УСЧКОЛ: СЧ_КОЛ:=СЧ_КОЛ+1;

УСЧИТ_НОМ:;

М3 УСДВ: РГД:=РГД{2:48}.0;

УСЧНОМ: СЧ_НОМ= СЧ_НОМ+1;

ИДТИ К М2;

М4 УСЧИТ_КОЛ:;

УГОТ: ГОТ:=1;

КОНЕЦ.

Оптимизируем микропрограмму 1, путем обозначения эквивалентных сигналов: УЗП =УН1=УН2=УСБР;

УСДВ_СЧ=УСДВ= УСЧНОМ;

МИКРОПРОГРАММА 2

ПЕРЕМЕННЫЕ

ВХОДНЫЕ: A {1:32}, B {1:32}, СТРОБ;

ВНУТРЕННИЕ: РГД {1:32}, СЧ_НОМ{1:6}, СЧ_КОЛ{1:6},

ГОТ;

ВЫХОДНЫЕ: КОЛИЧ{1:6}= СЧ_КОЛ{1:6}, НОМКОД{1:6}=

СЧ_НОМ{1:6}, УСЧ_НОМ, УСЧ_КОЛ, ГОТ;

ПРИЗНАКИ

Р1=;

Р2=

Р3=;

УПРАВЛЯЮЩИЕ СИГНАЛЫ: УЗП1,УГОТ, УСЧИТ_НОМ,

УСДВ_СЧ, УСЧИТ_КОЛ;

ПРОЦЕДУРА

УГОТ:;

М1 ЕСЛИ Р1, ТО М1;

УЗП: СЧ_КОЛ:=0, СЧ_НОМ:=0, ГОТ:=0;

РГД:=А mod2 В;

М2 ЕСЛИ Р2, ТО М4;

ЕСЛИ Р3, ТО М3;

УСЧИТ_НОМ: СЧ_КОЛ:=СЧ_КОЛ+1;

М3 УСДВ_СЧ: РГД:=РГД{2:48}.0, СЧ_НОМ= СЧ_НОМ+1;

ИДТИ К М2;

М4 УСЧИТ_КОЛ: ;

УГОТ: ГОТ:=1;

КОНЕЦ.

Разработка функциональной схемы устройства.

Функциональная схема операционного автомата (ОА), составленная в соответствии с микропрограммой 2:

Устройство ГОТ устанавливает выходной сигнал УГОТ в положение 1 или 0 в зависимости от входного управляющего сигнала. Управляющий автомат генерирует управляющие сигналы сдвига УСДВ до момента появления признака обнуления Р2, после чего формирует импульсы считывания УСЧИТ_НОМ и УСЧИТ_КОЛ. Управляющий автомат может быть построен как с жесткой логикой, так и с программируемой логикой.

Построение управляющего автомата с жесткой логикой

Кодированная граф-схема алгоритма

 

Конечный автомат может быть построен и как автомат Мура, и как автомат Мили. Построение графов переходов и выходов УА осуществляется на основании отмеченных граф-схем алгоритмов. Выбор автомата Мура или Мили определяется минимальным числом состояний.

Автомат Мура

Отмеченная граф-схема алгоритма:

а0

 

 

УЗП

УГОТ

УСЧ_НОМ УСДВ_СЧ

УСДВ_СЧ

Р1

Р1

1

1

Граф переходов и выходов автомата Мура:

 

УСЧИТ_КОЛ, УГОТ

 

Автомат Мили

Отмеченная граф-схема алгоритма:

 

Граф переходов и выходов автомата Мили:

 

Можно сделать вывод, что управляющий автомат с жесткой логикой лучше строить как автомат Мили, т. к. он имеет только 3 состояния и реализуется на одном триггере. В качестве триггера будем использовать D-триггер.

Сокращенная таблица переходов и выходов автомата Мили.

Таблица кодирования внутренних состояний автомата:

Кодированная таблица переходов и выходов:

На основании кодированной таблицы переходов и выходов УА получим функции возбуждения D-триггера (все переходы распишем в 1 состояние):

Получим функции внешних переходов:

Получим выражения для управляющих сигналов:

Реализуем полученные выражения, построив схему на логических элементах И, ИЛИ, НЕ:

Построение УА с программируемой логикой

УА с естественной адресацией.

Каноническая форма микропрограммы функционирования синтезируемого ОУ:

Номер	Метка	Управляющие сигналы	Переходы
0		УГОТ
1	М1		ЕСЛИ Р1, ТО М1
2		УЗП
3	М2		ЕСЛИ Р2, ТО М4
4			ЕСЛИ Р3, ТО М3
5		УСЧИТ_НОМ
6	М3	УСДВ_СЧ
7			ИДТИ К М2
8	М4	УСЧИТ_КОЛ, УГОТ
9			КОНЕЦ

Для построения УА нам потребуется 11 ячеек ПЗУ. Адрес ПЗУ будет выражаться четырехразрядным кодом А{3:0}.

Представим микрокоманду в следующем формате:

	1	2	3	4	5	6	7
0	УГОТ	УЗП	УСЧИТ_НОМ	УСДВ_СЧ	УСЧИТ_КОЛ	-	-
1	Р1	Р2	Р3	А3	А2	А1	А0

Установим соответствие между метками и адресами переходов:

М1=110=00012, М2=310=00112, М3=610=01102, М4=810=10002

Построим кодовое выражение микропрограммы УУ:

Номер	Адрес	Разряды микрокоманд
0	0000	0	100	0000
1	0001	1	100	0001
2	0010	0	010	0000
3	0011	1	010	1000
4	0100	1	001	0110
5	0101	0	001	0000
6	0110	0	000	1000
7	0111	1	000	0011
8	1000	0	100	0100
9	1001	1	000	0000

УА с принудительной адресацией.

Для принудительной адресации микрокоманда может одновременно содержать переходы и управляющие сигналы. Обратимся к канонической форме микропрограммы функционирования ОУ и выясним, возможны ли объединения строк. Здесь могут быть объединены строки 6 и 7, 8 и 9.

Номер	Метка	Управляющие сигналы	Переходы
0		УГОТ
1	М1		ЕСЛИ Р1, ТО М1
2		УЗП
3	М2		ЕСЛИ Р2, ТО М4
4			ЕСЛИ Р3, ТО М3
5		УСЧИТ_НОМ
6	М3	УСДВ_СЧ	ИДТИ К М2
7	М4	УСЧИТ_КОЛ, УГОТ	КОНЕЦ

Установим соответствие между метками и адресами:

М1=110=00012, М2=310=00112, М3=610=01102, М4=710=01112

Формат микрокоманды в микропрограмме УА с принудительной адресацией выглядит так:

1	2	3	4	5	6	7	8
УГОТ	УЗП	УСЧИТ_НОМ	УСДВ_СЧ	УСЧИТ_КОЛ	Р1	Р2	Р3
9	10	11	12
А3	А2	А1	А0

Кодовое выражение микропрограммы для управляющего автомата с принудительной адресацией строится аналогично микропрограмме автомата с естественной адресацией. При этом отсутствие в строке управляющих сигналов трансформируется в нулевой код операционного поля микрокоманды, а оператор перехода в безусловный переход к следующей команде.

Номер	Адрес	Разряды микрокоманд
0	0000	10000	000	0001
1	0001	00000	100	0001
2	0010	01000	000	0011
3	0011	00000	010	0111
4	0100	00000	001	0110
5	0101	00100	000	0110
6	0110	00010	000	0011
7	0111	10001	000	0000

Сравнивая объем микропрограмм для УА с естественной и принудительной адресацией, можно убедиться в том, что естественная адресация требует меньшего объема ПЗУ (8х10=80 бит), чем принудительная (12х7=84 бит).

Структурная схема УА с естественной адресацией

Начальный адрес микропрограммы, равный 000, устанавливается сигналом СБРОС, и УА ждет прихода сигнала СТРОБ для прохождения работы. Здесь τ1 – это тактирующая последовательность, а τ2 – счетчик адреса СЧА.

Список литературы

1.  Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Вычислительные системы и микропроцессорная техника» – М.: «МАИ», 19c.: ил.

2.  , Мельников вычислительные устройства. Операционный синтез. – М.: «МАИ», 19c.: ил.