Читайте также:
|
Лабораторная работа № 2
Синтез комбинационных схем
Цель работы: Изучение принципов функционирования базовых логических элементов и синтеза логических схем.
Общие сведения
При рассмотрении структуры любой ЭВМ обычно проводят ее детализацию. Как правило, в структуре ЭВМ выделяют следующие структурные единицы: устройства, узлы, блоки и элементы. Такая детализация соответствует вполне определенным операциям преобразования информации, заложенным в программах пользователей.
Нижний уровень обработки реализуют элементы. Каждый элемент предназначается для обработки единичных электрических сигналов, соответствующих битам информации. Узлы обеспечивают одновременную обработку группы сигналов - информационных слов. Блоки реализуют некоторую последовательность в обработке информационных слов - функционально обособленную часть машинных операций (блок выборки команд, блок записи-чтения и др.). Устройства предназначаются для выполнения отдельных машинных операций и их последовательностей.
Все современные вычислительные машины строятся на интегральных микросхемах (ИС). Электронная микросхема называется интегральной, если ее компоненты и соединения между ними выполнены в едином технологическом цикле, на едином основании и имеют общую герметизацию и защиту от механических воздействий. Каждая микросхема представляет собой миниатюрную электронную схему, сформированную послойно в кристалле полупроводника: кремния, германия и т.д. В состав микропроцессорных наборов включаются различные типы микросхем, но все они должны иметь единый тип межмодульных связей, основанный на стандартизации параметров сигналов взаимодействия (амплитуда, полярность, длительность импульсов и т.п.). В настоящий момент широко распространены большие БИС и даже сверхбольшие интегральные схемы, реализующие комплекс функций. Например, в виде БИС обычно выполняются законченные микро-эвм – однокристальные контроллеры, контроллеры прерываний, устройства последовательных и параллельных интерфейсов (например, контроллер USB). На очереди следует ожидать появления ультра больших ИС (УБИС). Кроме них обычно используются микросхемы с малой и средней степенью интеграции (СИС). Функционально микросхемы могут соответствовать устройству, узлу или блоку, но каждая из них состоит из комбинации простейших логических элементов, реализующих функции формирования, преобразования, запоминания сигналов и т.д. Микросхемы малой степени интеграции используются в тех случаях, когда необходимо расширить функции БИС. Например, в однокристальных ЭВМ количество линий портов ввода-вывода всегда ограничено. Для расширения количества портов можно применить микросхему сдвигового регистра.
Элементы ЭВМ можно классифицировать по различным признакам. Наиболее часто такими признаками являются: тип сигналов, назначение элементов, технология их изготовления и т.д.
В ЭВМ широко применяют два способа физического представления сигналов: импульсный и потенциальный.
Независимо от вида сигналов различают последовательный и параллельный коды передачи и представления информации в ЭВМ.
При последовательном коде представления данных используются одиночные шины или линии передачи, в которых сигналы, соответствующие отдельным разрядам данных, разнесены во времени. Обработка такой информации производится последовательно разряд за разрядом. Такой вид представления и передачи данных требует весьма экономичных по аппаратурным затратам схем обработки данных. Время же обработки определяется числом обрабатываемых сигналов (разрядов).
Параллельный код отображения и передачи информации предполагает параллельную и одновременную фиксацию всех разрядов данных на различных шинах, т.е. параллельный код данных развернут в пространстве. Это дает возможность ускорить обработку во времени, но затраты на аппаратурные средства при этом возрастают пропорционально числу обрабатываемых разрядов.
Во всех вычислительных машинах используются и параллельно-последовательные коды представления информации. При этом информация отображается частями. Части поступают на обработку последовательно, а каждая часть данных представляется параллельным кодом.
По своему назначению элементы делятся на формирующие, логические и запоминающие.
К формирующим элементам относятся различные формирователи, усилители, усилители-формирователи и т.п. Данные элементы служат для выработки определенных электрических сигналов, восстановления их параметров (амплитуды, полярности, мощности, длительности).
Простейшие логические элементы преобразуют входные сигналы в соответствии с элементарными логическими функциями. В свою очередь, полученные сигналы могут формировать следующий уровень сигналов и т. д. Сложные преобразования в соответствии с требуемыми логическими зависимостями могут приводить к построению многоуровневых схем. Каждая такая схема представляет собой композицию простейших логических схем.
Запоминающим элементом называется элемент, который способен принимать и хранить код двоичной цифры (единицы или нуля). Элементы памяти могут запоминать и сохранять исходные значения некоторых величин, промежуточные значения обработки и окончательные результаты вычислений. Только запоминающие элементы в схемах ЭВМ позволяют проводить обработку информации с учетом ее развития.
Обработка входной информации Х в выходную У в любых схемах ЭВМ обеспечивается преобразователями или цифровыми автоматами двух видов: комбинационными схемами и схемами с памятью.
Комбинационные схемы (КС) - это схемы, у которых выходные сигналы Y = (у 1, у 2 ,..., у m) в любой момент дискретного времени однозначно определяются совокупностью входных сигналов Х = (х 1, х 2,..., х n), поступающих в тот же момент времени t. Реализуемый в КС способ обработки информации называется комбинационным потому, что результат обработки зависит только от комбинации входных сигналов и формируется сразу при поступлении входных сигналов. Поэтому одним из достоинств комбинационных схем является их высокое быстродействие, ограниченное только временем нарастания и спада уровня напряжения на выходе элемента, а так же задержкой прохождения электрического сигнала внутри элемента. Преобразование информации однозначно описывается логическими функциями вида Y=f(Х).
В практике проектирования ЭВМ накоплен огромный опыт по синтезу различных схем. Многие структуры положены в основу построения отдельных ИС малой и средней степени интеграции или отдельных функциональных частей БИС (больших интегральных схем) и СБИС (сверхбольших интегральных схем). Из простых комбинационных схем на практике наиболее распространены дешифраторы, шифраторы, схемы сравнения, комбинационные сумматоры, коммутаторы и др., которые являются основой для построения более сложных схем.
Рассмотрим принципы построения подобных регулярных структур. Дешифраторы (ДШ) - это комбинационные схемы с п входами и m =2 n выходами. Единичный сигнал, формирующийся на одном из т выходов, однозначно соответствует комбинации входных сигналов. Таким образом, дешифратор – это аппаратный преобразователь двоичного кода в позиционный.
Дешифраторы широко используются в ЭВМ для выбора информации па определенному адресу, для расшифровки кода операции, а таже в тех случаях, когда необходимо поставить в соответствие двоичному числу соответствующий модуль или блок (произвести «выборку» заданного устройства). Например, логические зависимости дешифратора 3х8:
Шифратор (ШР) решает задачу, обратную схемам ДТП, т. е. по номеру входного сигнала формирует однозначную комбинацию выходных сигналов.
Простейшие логические функции на практике реализованы в виде электронных схем. Такие схемы реализуются как набор наиболее часто используемых логических элементов (ЛЭ), упакованных в микросхемы. Микросхемы, содержащие только логические элементы имеют низкий уровень интеграции и предназначены для построения более сложных узлов. Каждая такая микросхема имеет помимо входов и выходов элементов выводы питания. Характеристики таких ЛЭ зависят от технологии (ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ, КМОП).
На рис. 1 приведены наиболее часто используемые на практике ЛЭ, а также таблицы истинности некоторых ЛЭ.
Рис.1. Основные логические элементы, используемые в вычислительной технике
Синтез комбинационных схем любой сложности производится стандартными методами алгебры логики и включает в себя:
· Словесное описание функции;
· Выполнение логического высказывания в виде формулы, где «+» - логическое «ИЛИ», «*» - логическое «И», «
» - инвертирование;
· Преобразование логического выражения с учетом выбранного базиса (если необходимо);
· Минимизация логической функции одним из стандартных методов;
· Построение логической схемы в виде блоков, содержащих стандартные обозначения (рис.1);
Если необходимо, производится аппаратная, либо программная реализация заданной функции. Этот этап включает в себя выполнение соответствий логических элементов реальным микросхемам, выбор технологии, источника питания, расчету нагрузочной способности, быстродействия и т.д. В случае программной реализации необходимо выполнить соответствие логическим функций и программных языковых конструкций и правил программирования (например в С++ - «&&» - И, «||» - ИЛИ и т.д.).
Задание к лабораторной работе:
1. Согласно варианту выбрать заданную логическую функцию и реализовать ее с помощью заданного по варианту базиса без выполнения минимизации;
2. Построить таблицу истинности функции;
3. Используя генератор слов и логический анализатор, снять временную диаграмму работы схемы, используя все необходимые комбинации входных сигналов.
4. Используя один из общедоступных методов, упростить заданную логическую функцию и реализовать ее в любом базисе (например, используя программу Logic).
5. Проверить правильность полученной функции путем сравнения временных диагнамм исходной и минимизированной функций. Для этого, подключить минимизированную функцию к генератору слов параллельно первой схеме и вывести на логический анализатор результат обоих функций.
6. Оформить отчет, содержащий: схемы обоих функций, временных диаграмм и таблицы истинности.
Варианты заданий
| вариант | Функция | базис |
Y=((x1 +  )*(x3+  +x1* )+(x2+(X2*  *x4))*x1+x3*x1)
| И-НЕ | |
| Y=((x3+x2)*(x1+x4)+x1)+x2)*(x4+ +x1)+x3
| ИЛИ-НЕ | |
Y=  *(x4+  )*(x2+  )+x4*x1
| И-НЕ | |
| Y=((x2*x1+x3* +x2*x3* )*(x1+x2)+ )*x4*x1
| ИЛИ-НЕ | |
| Y=(x1* *x4+x3*(x4+x1+ ))+ *(x4+ +x2)
| И-НЕ | |
Y=  +x3+X2*X4
| ИЛИ-НЕ | |
| И-НЕ | |
| ИЛИ-НЕ |
Дата добавления: 2015-04-11; просмотров: 14 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |