3769 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ САПР ФИРМЫ XILINX - Страница 3

лабораторная работа № 2

МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМБИНАЦИОННЫХ
ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ

Цель работы: обучение методике проектирования комбинационных цифровых устройств, закрепление навыков применения ППП фирмы Xilinx.

1. Теоретические сведения

Перед началом работы рекомендуется изучить теорию, представленную в рекомендуемой литературе по принципам синтеза комбинационных схем.

Методика структурного проектирования комбинационных схем

Комбинационными схемами называются цифровые устройства, логическое состояние выходов которых зависит только от комбинации логических сигналов на входах в данный момент времени.

Исходными данными для проектирования комбинационной схемы являются его функциональное описание и требования к основным электрическим параметрам. Функциональное описание комбинационной схемы обычно дается в виде таблицы истинности или алгебраического выражения. На стадии структурного проектирования получается наиболее простое (минимизированное) логическое выражение заданной функции и строится соответствующая ему структурная схема на заданной или выбранной элементной базе. Процесс структурного проектирования разбивается на несколько последовательно выполняемых этапов.

1. Минимизация заданной логической функции.

Чем проще логическое выражение реализуемой функции, тем меньше элементов требуется для ее выполнения. В результате микросхема, выполняющая эту функцию, будет иметь лучшие показатели по быстродействию, потребляемой мощности, площади кристалла.

В алгебре логики разработаны методы минимизации логических функций. Для минимизации функций относительно небольшого числа переменных (k 6) наиболее простым и наглядным является графический метод, использующий карты Карно. Для функций большего числа переменных (k>6) можно декомпозицией выделить более простые составляющие функции с числом переменных не более 6, которые минимизируются с помощью карт Карно.

При использовании этого метода исходная логическая (или переключательная) функция представляется на карте Карно. минтермы, соответствующие двум соседним (в столбце или ряду) клеткам карты Карно, отличаются значениями только одной переменной. Поэтому дизъюнкция этих двух минтермов дает один конъюнктивный член, в котором исключена общая переменная [3].

Чтобы выделить клетки, представляющие один конъюнктивный член, их графически объединяют — обводят на карте Карно тонкой линией. Таким образом, конъюнктивный член представляется на картах Карно двумя объединенными клетками. Такое объединение клеток на картах Карно эквивалентно выполнению данного ранее логического преобразования и позволяет получить более простое выражение логической функции. Объединенные клетки будут соответствовать конъюнктивным членам, дизъюнкция которых даст минимизированную дизъюнктивную нормальную форму (МДНФ) заданной функции.

2. Построение структурной схемы проектируемой микросхемы в соответствии с полученными МДНФ или МКНФ

При этом полученные логические выражения сначала следует представить в виде комбинации операций, выполняемых элементами базового набора, а затем построить логическую структуру схемы. базовые элементы современных цифровых микросхем выполняют операции И — НЕ, ИЛИ — НЕ, И — ИЛИ — НЕ, НЕ и Монтажное И (И2Л), ИЛИ — НЕ и Монтажное ИЛИ (ЭСЛ).

Примеры типичных комбинационных схем

  1. 1. Шифраторы и дешифраторы

Одними из основных видов преобразования информации в цифровых системах является шифрация и дешифрация. Шифрацией называется преобразование М-разрядного двоичного кода, имеющего Км безразличных наборов входных переменных, в однозначно соответствующий ему n-разрядный код, имеющий меньшее число разрядов п < М и безразличных наборов Кn < Км. Таким образом, при шифрации каждому из (2м Км) рабочих наборов входных переменных ставится в соответствие один из (2nКп) рабочих наборов выходных переменных, т. е. (2м Км) = (2nКп). В результате шифрации осуществляется «сжатие» информации для передачи но меньшему числу линий связи (n<M) за счет полного (при Кn = 0) или частичного (при Кп 0) исключения безразличных наборов. Обратное преобразование, т. е. восстановление информации в первоначальном M-разрядном коде с Км избыточными комбинациями, называется дешифрацией. Функциональные узлы для выполнения этих операций называются шифраторами и дешифраторами. Они различаются по числу входов и выходов и называются «шифратор (дешифратор) из М в n (из n в M)». Максимальное число входов шифратора не превышает количество возможных комбинаций выходных сигналов: М < 2m. Соответственно для дешифратора число выходов 2m [3]. Дешифратор реализует на выходах минтермы входных переменных или инверсии минтермов — макстермы.

  1. 2. Мультиплексоры и демультиплексоры

Мультиплексором называется функциональный узел, обеспечивающий передачу информации, поступающей по нескольким входным линиям связи, на одну выходную линию. Выбор той или иной входной линии Аi осуществляется в соответствии с поступающим адресным кодом S0S1... При наличии п адресных входов можно реализовать М = 2п комбинаций адресных сигналов Si, каждая из которых обеспечивает выбор одной из М входных линий. Чаще всего используются мультиплексоры «из 4 в 1» = 4, п = 2), «из 8 в 1» (М = 4, п = 3), «из 16 в 1» (М. = 16, п = 4). Если допустить наличие избыточных комбинаций адресных сигналов, то можно спроектировать мультиплексоры с любым числом входных линий М 2n.

Для восстановления мультиплексированной информации используются демультиплексоры, которые в соответствии с принятым адресом направляют информацию в одну из М выходных линий связи. При этом на остальных линиях поддерживается логический "0".

Мультиплексоры и демультиплексоры могут быть реализованы на элементах различных типов путем выполнения логических выражений.

2. Порядок выполнения работы

2.1. Получить у преподавателя вариант задания согласно номеру бригады (см. таблицу).

2.2. В соответствии с заданием сформировать таблицу истинности требуемого устройства.

2.3. На основании этой таблицы получить необходимые СДНФ.

2.4. С помощью карт Карно провести минимизацию полученных СДНФ.

2.5. На основании полученных в результате минимизации МДНФ, построить структурную схему устройства.

2.6. Сформировать полученную схему с помощью ППП.

2.7. Провести исследование заданной схемы и убедиться в правильности ее работы.

2.8. Представить отчет: распечатка логической схемы и результатов моделирования.

Варианты заданий к лабораторной работе № 2

Варианты заданий

Логическая схема

Базис

1

Шифратор "из 10 в 4"

И-НЕ

2

Шифратор "из 10 в 4"

ИЛИ-НЕ

3

Дешифратор "из 4 в 10"

И-НЕ

4

Дешифратор "из 4 в 10"

ИЛИ-НЕ

5

Мультиплексор "8 на 1"

И-НЕ

6

Мультиплексор "8 на 1"

ИЛИ-НЕ

7

Демультиплексор "1 на 8"

И-НЕ

8

Демультиплексор "1 на 8"

ИЛИ-НЕ

9

5- разрядный мажоритарный элемент

И-НЕ

10

5- разрядный мажоритарный элемент

ИЛИ-НЕ

Библиографический список

  1. Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника: Учеб. пособие для вузов.  2-е изд., перераб. и доп.  М.: Радио и связь, 1990. С. 156 - 237.
  2. Цифровая и вычислительная техника: Учебник для вузов / Э.В. Евреинов,  Ю.Т. Бутыльский, И.А. Мамзелев и др.; Под ред. Э.В. Евреинова М.: Радио и связь, 1991. С. 91 - 147.
  3. Потемкин И.С. Функциональные узлы цифровой автоматики.  М.: Энергоатомиздат, 1988. С. 121 - 149.