Разработка операционного автомата

 

 

Оглавление

Задание 4

Введение 5

Краткий обзор теории проектирования цифровых устройств 6

Техническая часть 8

Обоснование выбора схемотехнологии 8

Серии логических КМОП-микросхем зарубежного производства 9

Серии логических КМОП-микросхем отечественного производства 10

Структурная схема устройства 11

Функциональная схема устройства 11

Список используемых микросхем 12

Описание используемых микросхем: назначение и основные параметры 13

Шифратор приоритетов 10-4 (1564ИВ3) 13

RS-триггер (561ТР2) 14

Четыре логических элемента 2И-НЕ (Микросхема 1554ЛА3) 15

Четыре логических элемента "И" (1554ЛИ1) 15

Четыре логических элемента "ИЛИ" (1554ЛЛ1) 15

Четыре логических элемент  "НЕ" (1554ЛН1) 16

Восьмиразрядный управляемый по фронту регистр с параллельным вводом-выводом данных с тремя состояниями на выходе (1554ИР23) 17

Восьмиразрядный буферный регистр (1533ИР33) 18

4– разрядный двоично-десятичный сумматор (74HC583E) 20

4 – разрядный двоичный сумматор (54C83) 21

8 – разрядный буферный регистр с защелкой и инверсными трёхстабильными выходами  (74HC563) 22

Четыре логических элемента "ИсключающееИЛИ" (4030BC) 23

Дешифратор возбуждение одноразрядного семисегментного жидкокристаллического индикатора (4055DIE1) 24

Краткое описание работы устройства 25

Схема перевода из прямого кода в обратный и наоборот 27

Расчет быстродействия: 28

Расчет мощности потребления 29

Заключение 30

Список использованной литературы: 31

 

Задание

Спроектировать вычислительное устройство для выполнения заданных функций в соответствии с техническим  заданием:

Вариант №33

Разряд операндов   32

Арифметическая операция    Z Y

Логическая операция  Z= X ⊕ Y

Ввод чисел с клавиатуры      Десятичный

Суммарная мощность потребления, мВт     500

Быстродействие, нс    500

Режим работы       Аппаратный

 

Введение

Цель работы — научить самостоятельно решать конкретную техническую задачу по созданию устройств, выполняющих  заданные функции и имеющих заданные технические характеристики. В работе предлагается провести функциональный и структурный синтез цифрового устройства с заданными техническими характеристиками. Необходимо не только разработать устройство и привести его структурную и принципиальную электрическую схемы, но также определить номенклатуру микросхем, на базе которых планируется функционирование данного устройства. Кроме того, в конце проектирования предполагается произвести расчет фактической мощности потребления данного устройства, а также его быстродействия.

Для достижения поставленной задачи требуется  выполнить следующее:

1. изучить теорию по данной теме
2. разобраться в том, что должна делать схема и из каких функциональных элементов должна состоять
3. установить логику работы устройства
4. нарисовать структурную схему устройства
5. подобрать интегральные микросхемы, отвечающие заданным условиям
6. нарисовать принципиальную схему устройства

Следует уделить внимание грамотному выбору технологической базы микросхем, семейства и конкретных типов схем для реализации устройства.

 

Краткий обзор теории проектирования цифровых устройств

Известно  два подхода к реализации логики управляющих автоматов (УА) - жесткая и гибкая логика управления. Жесткая логика предусматривает реализацию множества состояний автомата блоком памяти (БП) на запоминающих элементах (триггерах, регистрах), а функции выходов и переходов формируются комбинационной схемой (КС). Алгоритм функционирования УА в этом случае полностью определяется схемой соединения его элементов. Достоинством УА с жесткой логикой управления является максимально высокое быстродействие, определяемое используемой элементной базой. К недостаткам следует отнести большую трудоемкость проектирования, возрастание сложности структуры УА при усложнении алгоритма и отсутствие универсальности. Последнее свойство определяет, что УА проектируется под конкретную задачу и при изменении алгоритма работы устройство должно быть спроектировано заново.

Гибкая логика управления (программная  реализация логики управления) предусматривает для реализации отдельных функций наличие хранимых в памяти программ, составленных из команд, каждая из которых, в свою очередь, определяет одну или несколько элементарных операций. Принцип программного управления, используемый повторно для реализации отдельных сложных операций как последовательности элементарных микроопераций, получил название принципа микропрограммного управления. За счет увеличения затрат времени в таких УА достигается определенная универсальность, т.к. изменение алгоритма функционирования осуществляется частичной или полной заменой программы (микрокоманды) без изменения структуры автомата. В свою очередь использование стандартной структуры значительно ускоряет и облегчает процесс проектирования УА, причем усложнение алгоритма увеличивает лишь объем программы, практически не влияя на объем оборудования УА.

В процессе разработки функциональных схем цифровых устройств отчетливо  выделяются два характерных этапа. На первом этапе, который можно назвать структурным проектированием, заданный неформально алгоритм разработчик представляет в виде последовательности некоторых операторов, таких, как получение результата, счет, преобразование кода, передача информации. При этом он старается использовать ограниченный набор общепринятых операторов. При использовании этих операторов, как правило, алгоритм можно представить довольно небольшим их числом. Структура алгоритма становится обозримой, понятной, легко читаемой и однозначной. На основе полученной структуры алгоритма формулируются технические требования к схемам, реализующим отдельные операторы. По техническим требованиям в качестве функциональных узлов схемы можно применить либо готовые блоки в интегральном исполнении, либо, если таких микросхем в наличии нет, синтезировать их из более простых элементов. Подобный синтез первоначально производится при помощи алгебры логики, после чего по полученным функциям строится эквивалентная схема. Однако, как правило, синтезированные схемы хуже их аналогов в интегральном исполнении. К этому приводят следующие обстоятельства: большее время задержки, большие габариты, большее потребление энергии. Поэтому для результативного проектирования цифровых устройств разработчик должен уметь: выбрать наиболее приемлемый вариант решения поставленной задачи, работать с алгеброй логики, знать основные цифровые элементы и уметь их применять, по возможности знать наиболее простые и распространенные алгоритмы решения основных задач. Знание наиболее распространенных инженерных приемов в проектировании устройств позволит в будущем сразу воспользоваться готовой схемой, не занимаясь бесполезной работой. Необходимо заметить, что реализация схемы гораздо сложнее, чем простое решение задачи в алгебре логики и наборе полученной функции из логических элементов. В действительности даже, казалось бы, самые простые элементы необходимо включать по определенной схеме, знать назначения всех выводов. Необходимо знать, чем различаются элементы в пределах серии. Понимание внутренней логики микросхемы особенно важно именно для специалистов по автоматике и промышленной электронике, поскольку цифровые микросхемы изначально создавались для выполнения строго определенных функций в составе ЭВМ. В условиях автоматики и радиотехники они часто выполняют функции, не запланированные в свое время их разработчиками, и грамотное использование микросхем в этих случаях прямо зависит от понимания логики их работы. 

Техническая часть

Обоснование выбора схемотехнологии

При проектировании вычислительного устройства необходимо учесть ограничение в 500нс на задержку распространения сигнала  и 500 мВт на потребляемую мощность. Так  как предельное значение задержки довольно велико, то можно использовать микросхемы ТТЛ, однако КМОП технология позволяет  обеспечить наименьшую потребляемую мощность и задержку распространения сигнала.

Схемы КМОП в 1963 изобрёл Фрэнк Вонлас (FrankWanlass) из компании FairchildSemiconductor, первые микросхемы по технологии КМОП были созданы в 1968. Долгое время КМОП рассматривалась как энергосберегающая, но медленная альтернатива ТТЛ, поэтому микросхемы КМОП нашли применение в электронных часах, калькуляторах и других устройствах с батарейным питанием, где энергопотребление было критичным.

К 1990 году с повышением степени интеграции микросхем встала проблема рассеивания  энергии на элементах. В результате технология КМОП оказалась в выигрышном положении. Со временем были достигнуты скорость переключения и плотность  монтажа недостижимые в технологиях, основанных на биполярных транзисторах.

Ранние  КМОП-схемы были очень уязвимы  к электростатическим разрядам. Сейчас эта проблема в основном решена, но при монтаже КМОП-микросхем  рекомендуется принимать меры по снятию электрических зарядов.

Для изготовления затворов в КМОП-ячейках  на ранних этапах применялся алюминий. Позже, в связи с появлением так называемой самосовмещённой технологии, которая предусматривала использование затвора не только как конструктивного элемента, но одновременно как маски при получении сток-истоковых областей, в качестве затвора стали применять поликристаллический кремний.

Характеристики  и параметры входов и выходов  цифровых микросхем определяются прежде всего технологией и схемотехникой их внутреннего строения. Но для разработчика цифровых устройств любая микросхема представляет собой всего лишь "черный ящик", внутренности которого знать не обязательно. Ему важно только четко представлять себе, как поведет себя та или иная микросхема в данном конкретном включении, будет ли она правильно выполнять требуемую от нее функцию.

Наибольшее  распространение получили две технологии цифровых микросхем:

ТТЛ (TTL) и ТТЛШ (TTLS) — биполярная транзисторно-транзисторная  логика и ТТЛ с диодами Шоттки;

КМОП (CMOS) — комплементарные транзисторы  со структурой "металл–окисел–полупроводник"

 

 

Рис. 1 Входной и выходной каскады микросхем  КМОП 

Различаются они типами используемых транзисторов и схемотехническими решениями  внутренних каскадов микросхем. Отметим  также, что микросхемы КМОП потребляют значительно меньший ток от источника  питания, чем такие же микросхемы ТТЛ (или ТТЛШ) — правда, только в  статическом режиме или на небольших  рабочих частотах. На рис. 1показан  пример схемы входных и выходных каскадов микросхем, выполненных по технологии КМОП. Понятно, что точный учет всех эффектов в этих схемах, включающих в себя множество транзисторов, диодов и резисторов, крайне сложен, но обычно он просто не нужен разработчику цифровых схем.

На  первом уровне представления (логическая модель) и на втором уровне представления (модель с временными задержками) о  входах микросхем вообще ничего знать  не нужно. Вход рассматривается как  бесконечно большое сопротивление, никак не влияющее на подключенные к нему выходы. Правда, количество входов, подключенных к одному выходу, влияет на задержку распространения сигнала, но, как правило, незначительно, поэтому  это влияние учитывается редко.

Даже  на третьем уровне представления (электрическая  модель) в большинстве случаев  не нужно знать о внутреннем строении микросхемы, о схемотехнике входов. Достаточно считать, что при подаче на вход сигнала логического нуля из этого входа вытекает ток, не превышающий I_IL, а при подаче сигнала логической единицы в этот вход втекает ток, не превышающий I_IH. А для правильной логики работы микросхемы достаточно, чтобы уровень напряжения входного сигнала логического нуля был меньше U_IL, а уровень напряжения входного сигнала логической единицы был больше U_IH

Серии логических КМОП-микросхем зарубежного производства

На  КМОП-транзисторах (CMOS):

4000 — CMOS с питанием от 3 до 15В, 200 нс;

4000B — CMOS с питанием от 3 до 15В, 90 нс;

74C —  аналогична серии 4000B;

74HC — Высокоскоростная CMOS, по скорости  аналогична серии LS, 12 нс;

74HCT — Высокоскоростная, совместимая по выходам с биполярными сериями;

74AC — Улучшенная CMOS, скорость в целом  между сериями S и F;

74ACT — Улучшенная CMOS, совместимая по выходам с биполярными сериями;

74AHC — Улучшенная высокоскоростная CMOS, втрое быстрее HC;

74AHCT — Улучшенная высокоскоростная CMOS, совместимая по выходам с биполярными сериями;

74ALVC — с низким напряжением питания  (1,65 — 3,3В), время срабатывания 2 нс;

74AUC — с низким напряжением питания  (0.8 — 2,7В), время срабатывания < 1,9 нс при Vпит=1,8В;

74FC — быстрая CMOS, скорость аналогична F;

74FCT — быстрая CMOS, совместимая по выходам с биполярными сериями;

74LCX — CMOS с питанием 3В и 5В-совместимыми  входами;

74LVC — с пониженным напряжением  (1,65 — 3.3В) и 5В-совместимыми  входами, время срабатывания < 5,5 нс при Vпит=3,3V, < 9 нс при Vпит=2,5В;

74LVQ — с пониженным напряжением  (3,3В);

74LVX — с питанием 3,3В и 5В-совместимыми входами;

74VHC — Сверхвысокоскоростная CMOS — быстродействие сравнимо с S;

74VHCT — Сверхвысокоскоростная CMOS, совместимая по выходам с биполярными сериями;