Καταχωρητές,Σύγχρονοι Μετρητές και ΑκολουθιακάΚυκλώματα

Transcript

1 ΗΜΥ211 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστηµάτων Καταχωρητές,Σύγχρονοι Μετρητές και ΑκολουθιακάΚυκλώματα ιδάσκων: ρ. Γιώργος Ζάγγουλος Πανεπιστήµιο Κύπρου Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών

2 Ατζέντα 1. Στόχοι 8 ου Εργαστηρίου 2. Οικουμενικός Καταχωτητής(74194) 3. Οικουμενικός καταχωρητής με D flip-flops 4. Σύγχρονοι Μετρητές Ακολουθιακά Κυκλώματα 5. Ανάλυση 5 ης εργαστηριακής άσκησης 6. Σχεδιασμός 5 ης άσκησης στο εργαστήριο Νοέµβριος 14 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστηµάτων Γ.Ζ. - 2

3 Στόχοι Εργαστηρίου Με την ολοκλήρωση αυτού του εργαστηρίου, πρέπειναείστεσεθέση: 1. Να υλοποιείτε κυκλώµατα καταχωρητών και µετρητών µε διαφορετικές προδιαγραφές και µε τη χρήση διαφορετικών στοιχείων. 2. Nα σχεδιάζετε ακολουθιακά κυκλώµατα και να τα υλοποιείτε τόσο στο Quartus, όσο και στο breadboard. 3. Να δηµιουργείτε κατάλληλα αρχεία προσοµοίωσης για έλεγχο των καταχωρητών, µετρητών και γενικά των ακολουθιακών κυκλωµάτων θα Νοέµβριος 14 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστηµάτων Γ.Ζ. - 3

4 Οικουμενικός Καταχωρητής (shift register) Δυνατότητες: 1. Συγκράτηση Δεδοµένων 2. Αριστερή ολίσθηση 3. Δεξιά ολίσθηση 4. Παράλληλη φόρτωση Δεδοµένων Σειριακές είσοδοι (για ολίσθηση) Είσοδοι για παράλληλη φόρτωση MODE επιλογή λειτουργίας Νοέµβριος 14 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστηµάτων Γ.Ζ. - 4

5 Αποτελέσματα προσομοίωσης shift register Επιλογές [S1 S0]: 00: Συγκράτηση Δεδοµένων 01: Αριστερή ολίσθηση 10: Δεξιά ολίσθηση 11: Παράλληλη φόρτωση Νοέµβριος 14 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστηµάτων Γ.Ζ. - 5

6 Οικουμενικός Καταχωρητής (4-bit) με πολυπλέκτες και D flip-flops [2x74153 & 2x7474] Ποια η διαφορά µεταξύ των εντολών shift και rotate; Νοέµβριος 14 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστηµάτων Γ.Ζ. - 6

7 Αποτελέσματα προσομοίωσης universal_register Επιλογές [S1 S0]: 00: Συγκράτηση Δεδοµένων 01: Περιστροφή προς τα δεξιά 11: Παράλληλη φόρτωση 10: Περιστροφή προς τα αριστερά Rotate >>> Shift >>> Νοέµβριος 14 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστηµάτων Γ.Ζ. - 7

8 Σύγχρονος Μετρητής BCD Clear (θετικής λογικής) Modulo 2 (αρν. λογικής) Modulo 5 (αρν. λογικής) Μονάδες Clear (θετικής λογικής) Modulo 2 (αρν. λογικής) Modulo 5 (αρν. λογικής) Δεκάδες Νοέµβριος 14 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστηµάτων Γ.Ζ. - 8

9 Σύγχρονοι Μετρητές Ακολουθιακά Κυκλώματα Η παρούσα κατάσταση καθορίζεται από τις τιμές που «κρατούν» τα Flip-Flops H επόμενη κατάσταση του κάθε Flip-Flop καθορίζεταιαπό το ίδιο το πρόβλημα ή τις αποφάσεις του σχεδιαστή. Ηκάθε είσοδος των Flip-Flops απαιτεί μια συνάρτηση (συνήθως συνδυαστική) η οποία καθορίζεται με βάση μόνο την παρούσα κατάσταση (Moore) ή και σε συνδυασμό με τις εισόδους του κυκλώματος (Mealy) Οι έξοδοι μπορεί να είναι οι ίδιες με την κατάσταση των Flip- Flops ή να είναι και αυτές το αποτέλεσμα Νοέµβριος 14 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστηµάτων Γ.Ζ. - 9

10 Παράδειγμα Μετρητή 4 καταστάσεων Παρούσα Κατ. Επόμενη Κατ. Είσοδοι F-Fs Q1 Q0 Q1+ Q0+ D1 D Σε FSM με χρήση D F-Fs, οι είσοδοι D είναι στην ουσία ίδιες με την επόμενη κατάσταση λόγω του χαρακτηριστικού πίνακα του D F-F. Για εξαγωγή των λογικών εξισώσεων D1και D0, μπορούμε να επιλέξουμε τους ελαχιστόρουςπου δίνουν 1 στην αντίστοιχη είσοδο των F-Fs. D1= Q1 Q0+ Q1Q0 D0= Q1 Q0 + Q1Q0 Νοέµβριος 14 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστηµάτων Γ.Ζ. - 10

11 Παράδειγμα Μετρητή 4 καταστάσεων D1= Q1 Q0+ Q1Q0 D0= Q1 Q0 + Q1Q0 Πως θα μπορούσατε να εμφανίζετε στην έξοδο του πιο πάνω κυκλώματος τους αριθμούς 0,3,6,8 αντί των αριθμών 0,1,2,3; Νοέµβριος 14 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστηµάτων Γ.Ζ. - 11

12 Εργαστηριακή Άσκηση 5 Σχεδιάστε έναν καταχωρητή4-bitχρισημοποιώνταςτο ολοκληρωμένο 74194(shift register) και στη συνέχεια επιβεβαιώστε την ορθή του λειτουργία με το αρχείο προσομοίωσης shift_register.vwf. Σχεδιάστε έναν καταχωρητή 4-bit χρισημοποιώντας τo ολοκληρωμένo74153 (2 πολυπλέκτες4x1) και το 7474 (2D F-Fs) με δυνατότητες συγκράτησης, περιστροφής(rotation) και παράλληλης φόρτωσης.επιβεβαιώστε την ορθή του λειτουργία με το αρχείο προσομοίωσης universal_register.vwf. Σχεδιάστε ένα μετρητή BCD 2 ψηφίων με D Flip-Flopsκαι ελέγξτε την ορθή του λειτουργίαδημιουργώντας δική σας προσομοίωση συνολικής διάρκειας 10μs. Νοέµβριος 14 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστηµάτων Γ.Ζ. - 12

13 Στόχοι Εργαστηρίου Με την ολοκλήρωση αυτού του εργαστηρίου, θα πρέπει να είστε σε θέση: 1. Να υλοποιείτε ασύγχρονους μετρητές και άλλα ακολουθιακά κυκλώματα χρησιμοποιώντας JK και D Flip-Flops. 2. Nα ορίζετε διαφορετικούς σχεδιασμούς ως Top-Level Entity, να δημιουργείτε σύμβολα από δικούς σας σχεδιασμούς (αρχεία.bsf), και να είστε σε θέση να ρυθμίζετε σωστά τις σχετικές παραμέτρους στο Quartus II. 3. Να δημιουργείτε και να χρησιμοποιείτε σωστά τους διαύλους (data/address busses) και τις ονομασίες καλωδίων στο Quartus. 4. Να ρυθμίζετε πλήρως τις παραμέτρους σε μια προσομοίωση και να υπολογίζετε τις χρονικές καθυστερήσεις που προκύπτουν σε κάποιο σχεδιασμό. Νοέµβριος 14 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστηµάτων Γ.Ζ. - 13

14 Μαθησιακά Αποτελέσματα Με την ολοκλήρωση αυτού του εργαστηρίου θα πρέπει να μπορείτε να: Υλοποιείτε κυκλώματα καταχωρητών και σύγχρονων μετρητών. Ορίζετε διαφορετικούς σχεδιασμούς ως Top-LevelEntity, να δημιουργείτε σύμβολα από δικούς σας σχεδιασμούς και να είστε σε θέση να ρυθμίζετε σωστά τις σχετικές παραμέτρους στο Quartus II. Σχεδιάζετε και να χρησιμοποιείτε τα ακολουθιακά κυκλώματα με JK και D Flip-Flops. Γνωρίζετε τις διαφορές μεταξύ μηχανών Moore και Mealy και να μπορείτε να τις σχεδιάσετε βάσει προκαθορισμένων προδιαγραφών. Νοέµβριος 14 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστηµάτων Γ.Ζ. - 14