HMY 211-2010 ΣΜΗΜΑ ΗΛΔΚΣΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΤΠΟΛΟΓΙΣΩΝ ΠΑΝΔΠΙΣΗΜΙΟ ΚΤΠΡΟΤ Τελικό Prject ρεδηαζκφο πζηήκαηνο Αζθαιείαο Υξεκαηνθηβσηίνπ Τινπνίεζε αθνινπζηαθνχ θπθιψκαηνο Διζαγωγή ηηο πξνεγνχκελεο εξγαζηεξηαθέο αζθήζεηο παξνπζηάζηεθε ε ρξήζε ζπλδπαζηηθήο θαη αθνινπζηαθήο ινγηθήο γηα ηνλ ζρεδηαζκφ ςεθηαθψλ ζπζηεκάησλ, θαη ρξεζηκνπνηήζεθε ηφζν ην ινγηζκηθφ QUARTUS II γηα ηνλ ζρεδηαζκφ θαη ηελ πξνζνκνίσζε ινγηθήο, φζν θαη πινπνηήζεηο κε πξαγκαηηθά δηαθξηηά θαη πξνγξακκαηηδφκελα ζηνηρεία. ηελ άζθεζε απηή θαιείζηε λα ζρεδηάζεηε κεγαιχηεξα θπθιψκαηα, ρξεζηκνπνηψληαο φιε ηελ εκπεηξία πνπ απνθνκίζαηε ζηηο πξνεγνχκελεο εξγαζηεξηαθέο αζθήζεηο, θαζ φιε ηε δηάξθεηα ηνπ εμακήλνπ. ηφρνο απηήο ηεο άζθεζεο είλαη ν ζρεδηαζκφο ελφο ςεθηαθνχ θπθιψκαηνο πνπ ζα πινπνηεί έλα ζχζηεκα αζθαινχο πξφζβαζεο ζην πεξηερφκελν ελφο ρξεκαηνθηβσηίνπ. Γηα λα μεθιεηδψζεη ε πφξηα ηνπ ρξεκαηνθηβσηίνπ, ζα πξέπεη λα εηζαρζεί ν ζσζηφο θσδηθφο (κέζσ δηαθνπηψλ πίεζεο, ελεξγνπνηεκέλνη κε ηε ζσζηή ζεηξά). Οπνηνζδήπνηε άιινο ζπλδπαζκφο ζα πξέπεη λα ελεξγνπνηεί ηνλ ζπλαγεξκφ. Μεηά ηελ ελεξγνπνίεζε ηνπ, δελ ζα ζηακαηά κε νπνηαλδήπνηε αιιαγή ζηνλ εηζαρζέληα θσδηθφ. Δπίζεο, φηαλ ε πφξηα ηνπ ρξεκαηνθηβσηίνπ μεθιεηδψζεη κε ηνλ ζσζηφ θσδηθφ, ζα παξακέλεη μεθιείδσηε, άζρεηα αλ κεηά αιιάμεη ν θσδηθφο ζηνπο δηαθφπηεο. Καη ζηηο δχν πεξηπηψζεηο, ην ζχζηεκα ζα ξπζκίδεηαη ζηελ «αξρηθή θαηάζηαζε» κέζσ ελφο «γεληθνχ δηαθφπηε». (Μεηάβαζε ζηελ «αξρηθή θαηάζηαζε» ζεκαίλεη φηη ε πφξηα ηνπ ρξεκαηνθηβσηίνπ θιεηδψλεη θαη, αλαιφγσο, ν ζπλαγεξκφο παχεη λα ερεί.) ην prject απηφ ζα πξαγκαηνπνηήζεηε ηνπο ζρεδηαζκνχο ζαο ζην QUARTUS IΙ θαη ζα ηνπο θαηεβάζεηε ζηελ πιαθέηα DE1 ηεο Altera γηα επαιήζεπζε. Η πινπνίεζε ηνπ πζηήκαηνο Αζθαιείαο ζα γίλεη κε αθνινπζηαθφ θχθισκα, κε ηε ρξήζε ζηνηρείσλ κλήκεο (θαηαρσξεηέο) θαη ζπλδπαζηηθψλ θπθισκάησλ. Σν prject απηφ ζα είλαη δηάξθεηαο 3 σλ εβδνκάδσλ, απφ ηηο νπνίεο ηηο δχν πξψηεο ζα δνπιέςεηε ζηα εξγαζηήξηα ΛΑ130 θαη ΛΑ132 (εξγαζηήξην πιηθνχ) ππφ ηελ επηηήξεζε ησλ ππεπζχλσλ ηνπ εξγαζηεξίνπ. Σν ππφινηπν κέξνο ζα θιεζείηε λα ην δηεθπεξαηψζεηε ζηνλ δηθφ ζαο ρξφλν, είηε ζην εξγαζηήξην ΛΑ130, είηε ζην ζπίηη ζαο. Η άζθεζε είλαη αςζηηπώρ πποζωπική θαη ζα πξέπεη λα δηεθπεξαησζεί απφ ηνλ θάζε θνηηεηή μερσξηζηά. Prject ηα νπνία παξνπζηάδνπλ νκνηφηεηεο θαη, θαηά ηελ θξίζε ησλ δηδαζθφλησλ, είλαη πξντφλ αληηγξαθήο, ζα κεδελίδνληαη απηφκαηα, κε πηζαλέο επηπιένλ θπξψζεηο γηα φινπο ηνπο εκπιεθνκέλνπο. Ο έιεγρνο ηνπ prject ζα πεξηιακβάλεη ηε θφξησζε ηνπ ζρεδηαζκνχ ζαο ζηελ πιαθέηα DE1 ηεο Altera γηα ηελ επίδεημε νξζήο ιεηηνπξγίαο ηνπ ζπζηήκαηνο. Δπηπιένλ, θάζε θνηηεηήο θαιείηαη λα παξαδψζεη πξνζσπηθή αλαθνξά κε ηελ πεξηγξαθή ησλ ζρεδηαζκψλ ηνπ θαη ηελ πιήξε δηαδηθαζία πνπ αθνινχζεζε γηα ηελ αλάπηπμε θαη πινπνίεζε ηνπο. Παπάδοζη: Η εκεξνκελία παξάδνζεο ηεο αλαθνξάο, θαη φισλ ησλ ζρεηηθψλ ςεθηαθψλ αξρείσλ, νξίδεηαη σο ηπειρ εβδνκάδεο απφ ηελ εκέξα αλάζεζεο. (Πξνηξέπεζηε φκσο λα νινθιεξψζεηε ην prject θαη λα παξαδψζεηε ηελ αλαθνξά ζαο ην ζπληνκφηεξν δπλαηφλ.) Σημείωση: Ο έιεγρνο ζα πεξηιακβάλεη ηελ πξνζνκνίσζε ησλ ζρεδηαζκψλ ζαο ζην Quartus II θαη ηε θφξησζε ηνπο ζηελ πιαθέηα DE1 ηεο Altera. Μαδί κε ηε γξαπηή αλαθνξά ζαο, ζα πξέπεη λα παξαδψζεηε ζε CD όλα ηα ςεθηαθά αξρεία πνπ ζρεηίδνληαη κε ην prject, δειαδή ζρεκαηηθά θαη θπκαηνκνξθέο εηζφδνπ ηνπ Quartus II, αξρεία espress, θιπ. 1
Σειηθφ Prject Δκθώνηζη / Καθοπιζμόρ Prject Πποδιαγπαθέρ: Η ζεηξά ελεξγνπνίεζεο ησλ ηεζζάξσλ δηαθνπηψλ πίεζεο γηα πξφζβαζε ζην ρξεκαηνθηβψηην ζα είλαη έλαο απφ 108 πηζαλνχο ζπλδπαζκνχο, ν νπνίνο ζα θαζνξηζηεί γηα θάζε θνηηεηή ξεσωπιζηά ζε ζπλεξγαζία κε ηνπο ππεχζπλνπο ηνπ εξγαζηεξίνπ. Ωο παξάδεηγκα, γηα δχν δηαθφπηεο πίεζεο (κε ζεηηθήο ινγηθήο ελεξγνπνίεζε), Α θαη Β, κηα λφκηκε ζεηξά ελεξγνπνίεζεο ζα κπνξνχζε λα ήηαλ ε αθφινπζε: Βήμα Γιακόπηηρ Λειηοςπγία/Σσόλια A B 0 0 0 αξρηθή θαηάζηαζε 1 0 1 ελδηάκεζε θαηάζηαζε, ν δείθηεο ελεξγνπνηείηαη 2 1 1 μεθιεηδψλεη, ν δείθηεο ελδηάκεζεο θαηάζηαζεο απελεξγνπνηείηαη Πίνακαρ 1: Πιθανή ζειπά ενεπγοποίηζηρ με 2 διακόπηερ (ππώηα ο διακόπηηρ Β και ακολούθωρ ο Α). Γηα λα μεθιεηδψζεη ην ρξεκαηνθηβψηην ζα ρξεηάδνληαη 4 βήκαηα γηα εηζαγσγή ηνπ ζσζηνχ θσδηθνχ, φπνπ ζηα πξψηα ηξία ζα ελεξγνπνηείηαη έλαο κφλν δηαθφπηεο πίεζεο, ελψ ζην ηέηαξην θαη ηειεπηαίν ζα ελεξγνπνηνχληαη δχν δηαθφπηεο ηαπηφρξνλα (ρσξίο ζπγθεθξηκέλε πξνηεξαηφηεηα). Ωο παξάδεηγκα, ν θσδηθφο ν νπνίνο ζα πξέπεη εηζαρζεί ζε 4 βήκαηα ζα κπνξνχζε λα ήηαλ: Α, C, B, CD. Μεηά ηελ ελεξγνπνίεζε ελφο δηαθφπηε, δελ ζα πξέπεη λα κέλεη ελεξγνπνηεκέλνο. (Γειαδή, ην ζχζηεκα ζα πξέπεη λα παξακέλεη ζε ελδηάκεζε θαηάζηαζε, έζησ θη αλ θαλέλαο δηαθφπηεο πίεζεο δελ είλαη ελεξγνπνηεκέλνο.) Έλαο γεληθφο δηαθφπηεο (reset) ζα ξπζκίδεη (αζχγρξνλα) ην ζχζηεκα ζηελ αξρηθή θαηάζηαζε, κεηά απφ λφκηκν άλνηγκα ηνπ ρξεκαηνθηβσηίνπ ή κεηά απφ ελεξγνπνίεζε ηνπ ζπλαγεξκνχ (alarm). Η ηαρχηεηα ηνπ ξνινγηνχ ζα είλαη ηέηνηα, νχησο ψζηε ε αλαγλψξηζε ηεο ζεηξάο ελεξγνπνίεζεο ησλ δηαθνπηψλ λα γίλεηαη ζσζηά. Η ζσζηή ζεηξά ζα μεθιεηδψλεη ην ρξεκαηνθηβψηην, δηαθνξεηηθά ζα ελεξγνπνηείηαη ν ζπλαγεξκφο. Βαζηθή πξνυπφζεζε είλαη φηη ζε θάζε βήκα ζα γίλνληαη κφλν νη ελεξγνπνηήζεηο δηαθνπηψλ, φπσο απηέο θαζνξίδνληαη απφ ηνλ θσδηθφ. (Απηφ ζπλεπάγεηαη, επίζεο, φηη ν θσδηθφο πνπ ζα θαζνξηζηεί γηα μεθιείδσκα ηνπ ρξεκαηνθηβσηίνπ δελ ζα απαηηεί λα ελεξγνπνηείηαη ν ίδηνο δηαθφπηεο πίεζεο ζε δχν δηαδνρηθά βήκαηα.) Μηα θαη ην ζχζηεκα πνπ ζα ζρεδηάζεηε ζα είλαη πξσηφηππν πξνο έγθξηζε, φια ηα ζήκαηα εμφδνπ (δείθηεο, άλνηγκα ρξεκαηνθηβσηίνπ, θαη ζπλαγεξκφο) ζα θαίλνληαη ζηα LED ηεο πιαθέηαο DE1, ελψ ε παξνχζα θαηάζηαζε (present state) ηνπ ζπζηήκαηνο ζα παξνπζηάδεηαη ζ έλα απφ ηα SSD. Σσημαηικό Γιάγπαμμα (Πποπαπαζκεςαζηικό): ρεδηάζηε έλα ζρεκαηηθφ δηάγξακκα (blck diagram) ηνπ ζπζηήκαηνο ζην πην ςειφ επίπεδν ηεξαξρίαο, ην νπνίν ζα δείρλεη φια ηα ζήκαηα εηζφδνπ θαη εμφδνπ. ηελ θάζε είζνδν θαη έμνδν λα γίλεηαη επίζεο ε αλάζεζε ηεο κνξθήο ηεο (π.ρ. ζπγθεθξηκέλνο δηαθφπηεο πίεζεο, LED, θηι.). Σσεδιαζμόρ Σςζηήμαηορ (Πποπαπαζκεςαζηικό): Σν ζχζηεκα πνπ ζα ζρεδηάζεηε ζα ρξεζηκνπνηεί κηα ζχγρξνλε Μεραλή Πεπεξαζκέλσλ Καηαζηάζεσλ (FSM) ηχπνπ Mre. ρεδηάζηε ην δηάγξακκα θαηαζηάζεσλ (state-transitin diagram) ηνπ ζπζηήκαηνο, ην νπνίν ζα δείρλεη έλα θφκβν (nde) γηα θάζε θαηάζηαζε, θαη κηα αθκή (edge) γηα θάζε δπλαηή κεηάβαζε κεηαμχ θαηαζηάζεσλ (state transitin), απφ κηα θαηάζηαζε ζηελ άιιε, ή απφ κηα θαηάζηαζε πίζσ 2
Σειηθφ Prject ζηνλ εαπηφ ηεο. Οη θφκβνη ζα πξέπεη λα νλνκάδνληαη S0, S1, θηι. θαη ζα πξέπεη λα δείρλνπλ θαη ηηο ηηκέο ησλ εμφδσλ. Οη αθκέο (ή αλ ζέιεηε, ηα βέιε) ζα πξέπεη λα δείρλνπλ ηηο ηηκέο ησλ εηζφδσλ νη νπνίεο ελεξγνπνηνχλ ηηο κεηαβάζεηο θαηαζηάζεσλ. H θαηάζηαζε S0 λα θαζνξηζηεί σο ε αξρηθή θαηάζηαζε, ελψ νη θαηαζηάζεηο S1, S2, θαη S3 ζα πξέπεη λα αληηζηνηρνχλ ζηηο ελδηάκεζεο θαηαζηάζεηο (κηα γηα θάζε έλα απφ ηα πξψηα ηξία βήκαηα εηζαγσγήο ηνπ θσδηθνχ). Η θαηάζηαζε S4 ζα αληηζηνηρεί ζην λφκηκν άλνηγκα ηνπ ρξεκαηνθηβσηίνπ, θαη ηέινο ε θαηάζηαζε S5 ζα αληηζηνηρεί ζηελ ήρεζε «ζπλαγεξκνχ». Απφ ην πξνεγνχκελν κέξνο, γλσξίδεηε πφζεο θαηαζηάζεηο ζα πξέπεη λα έρεη ην ζχζηεκα. Αλ ν αξηζκφο θαηαζηάζεσλ είλαη s, ηφηε γηα λα ηηο αληηπξνζσπεχζεηε ρξεηάδεζηε lg 2 (s) δπαδηθέο κεηαβιεηέο. Αλ ππνζέζνπκε φηη ν αξηζκφο s=4, ηφηε ζα ρξεηάδνληαλ 2 κεηαβιεηέο (π.ρ. νη Υ θαη Τ). Δπίζεο, κηα θαη νη κεηαβιεηέο απηέο, ππφ θαλνληθέο ζπλζήθεο, δελ ζα θαίλνληαη εθηφο ζπζηήκαηνο, ν ζρεδηαζηήο έρεη ηελ επρέξεηα λα αλαζέζεη ηηο δηαζέζηκεο ηηκέο ησλ δχν κεηαβιεηψλ (00, 01, 10, θαη 11) φπσο ζέιεη, γηα λα αληηπξνζσπεχζεη θάζε θαηάζηαζε (state assignment). Αλαζέζηε ηηκέο δπαδηθνχ θψδηθα ζε θάζε θαηάζηαζε ηνπ ζπζηήκαηνο, ρξεζηκνπνηψληαο ηνλ θαηάιιειν αξηζκφ κεηαβιεηψλ. πκβαηηθά, ζηελ αξρηθή θαηάζηαζε αλαηίζεηαη ν ζπλδπαζκφο 000, αθνχ έηζη ζα επηηξέπεη ηελ αξρηθνπνίεζε ησλ ζηνηρείσλ κλήκεο (flip-flps) κέζσ ηνπ γεληθνχ δηαθφπηε (reset). Απηφ ζπλεπάγεηαη φηη ζην ζρεδηαζηηθφ κέξνο ν γεληθφο δηαθφπηεο δελ ζα ζεσξεζεί σο ζήκα εηζφδνπ, δειαδή δελ ζα απνηειεί κέξνο ηνπ πίλαθα θαηαζηάζεσλ πνπ ζα θαζνξηζηεί πην θάησ. Υξεζηκνπνηψληαο ην δηάγξακκα θαηαζηάζεσλ θαη ηελ αλάζεζε θαηαζηάζεσλ, θαζνξίζηε ηνλ θσδηθνπνηεκέλν πίλαθα θαηαζηάζεσλ (state-transitin table) κε ηέζζεξεηο εηζφδνπο, A, B, C, θαη D, πνπ ζα αληηζηνηρνχλ ζηνπο ηέζζεξεηο δηαθφπηεο πίεζεο ηεο πιαθέηαο DE1. Σν ζήκα εμφδνπ UNL ζa αληηζηνηρεί ζην μεθιείδσκα ηνπ ρξεκαηνθηβσηίνπ, ην ALM ζηελ ελεξγνπνίεζε ηνπ ζπλαγεξκνχ, θαη ηα IND1, IND2 θαη IND3 ζηνπο δείθηεο ελδηάκεζεο θαηάζηαζεο. (Θα ελεξγνπνηνχληαη πξννδεπηηθά θαζψο εηζάγεηαη νξζά ν θσδηθφο ζηα πξψηα ηξία βήκαηα.) Υξεζηκνπνηήζηε ηελ αθφινπζε επηθεθαιίδα γηα ηνλ πίλαθα θαηαζηάζεσλ, θαη ζεσξήζηε φηη ε ελεξγνπνίεζε ησλ δηαθνπηψλ είλαη θεηικής ινγηθήο. (Λάβεηε ππφςε φηη δηάθνξνη ζπλδπαζκνί ηεο παξνχζαο θαηάζηαζεο θαη ησλ ζεκάησλ εηζφδνπ νδεγνχλ ζηελ ίδηα επφκελε θαηάζηαζε θαη ζήκαηα εμφδνπ. Απηφ ζπλεπάγεηαη πνιχ ιηγφηεξεο γξακκέο ζηνλ πίλαθα θαηαζηάζεσλ απ φηη ελδερνκέλσο λα λνκίδεηε, γηαηί αξθεηέο γξακκέο κπνξνχλ λα ζπκπηπρζνχλ ρξεζηκνπνηψληαο ηνλ φξν dn t care.) Παπούζα καηάζηαζη Σήμαηα ειζόδος Δπόμενη καηάζηαζη Σήμαηα εξόδος X(t) Y(t) Z(t) A B C D X(t+1) Y(t+1) Z(t+1) UNL ALM IND1 IND2 IND3 Πίνακαρ 2: Χαπακηηπιζηική επικεθαλίδα για ηον Πίνακα Καηαζηάζεων 3
Σειηθφ Prject Ακολοςθιακή Υλοποίηζη Σςζηήμαηορ Αζθαλείαρ Θα πινπνηήζεηε ην χζηεκα Αζθαιείαο ρξεζηκνπνηψληαο έλα αθνινπζηαθφ θχθισκα. Όπσο έρεη αλαθεξζεί ζηελ εηζαγσγή, ην ζχζηεκα πνπ ζα πινπνηήζεηε ζα ρξεζηκνπνηεί κηα ζχγρξνλε Μεραλή Πεπεξαζκέλσλ Καηαζηάζεσλ (FSM) ηχπνπ Mre. ε απηφ ηνλ ηχπν κεραλψλ, ε επφκελε θαηάζηαζε εμαξηάηαη άκεζα απφ ηηο ηηκέο ησλ εηζφδσλ θαη ηεο παξνχζαο θαηάζηαζεο, ελψ νη ηηκέο ζηηο εμφδνπο εμαξηψληαη μόνο απφ ηελ παξνχζα θαηάζηαζε. Απηφ ζα πξέπεη λα θαίλεηαη, ηφζν απφ ην δηάγξακκα, φζν θαη απφ ηνλ πίλαθα θαηαζηάζεσλ πνπ έρεηε θαζνξίζεη ζην πξνπαξαζθεπαζηηθφ κέξνο ηνπ prject. ηελ αθνινπζηαθή πινπνίεζε ηνπ ζπζηήκαηνο ζα γίλεη ρξήζε θαηαρσξεηή γηα απνζήθεπζε ηεο παξνχζαο θαηάζηαζε, θαη ζπλδπαζηηθψλ θπθισκάησλ γηα ηνλ ππνινγηζκφ ηεο επφκελεο θαηάζηαζεο θαη ησλ ηηκψλ ησλ πέληε εμφδσλ (UNL, ALM, IND1, IND2 θαη IND3). Σν FSM δηάγξακκα πεξηέρεη έμη θαηαζηάζεηο, άξα ν θαηαρσξεηήο ηεο παξνχζαο θαηάζηαζεο ζα ρξεηαζηεί ηξία flip-flps. Η πινπνίεζε ζην QUARTUS II γηα ηελ πξνζνκνίσζε απηνχ ηνπ ζρεδηαζκνχ ζα είλαη δνκεκέλε ζε δχν ηεξαξρηθά επίπεδα. Σν πςειφηεξν επίπεδν (1 ν επίπεδν) ζα αληηζηνηρεί πιήξσο ζην ζρεκαηηθφ δηάγξακκα (blck diagram) πνπ ζρεδηάζαηε ζην πξνπαξαζθεπαζηηθφ ζηάδην, θαη ζα έρεη ηηο ίδηεο ζχξεο εηζφδνπ θαη εμφδνπ. ην ακέζσο ρακειφηεξν (2 ν ) επίπεδν ηεξαξρίαο, ζα πινπνηήζεηε ην ζχζηεκα, ζχκθσλα κε ηελ αθφινπζε δηαδηθαζία. 4
Σειηθφ Prject Γηαβάζηε πξνζεθηηθά ηηο παξαπνκπέο πνπ ζάο έρνπλ δνζεί γηα λα θαηαλνήζεηε πιήξσο ηε ινγηθή ζπκπεξηθνξά ελφο αθνινπζηαθνχ θπθιψκαηνο. Παξαθάησ θαίλνληαη ηα νινθιεξσκέλα, ηα νπνία είλαη δηαζέζηκα γηα ηελ πινπνίεζε ηνπ θπθιψκαηνο ζαο. Απηά ηα νινθιεξσκέλα πξέπεη λα ζάο είλαη νηθεία απφ ηηο πξνεγνχκελεο εξγαζηεξηαθέο αζθήζεηο. Δεν επιηρέπεηαι η τρήζη άλλων ολοκληρωμένων (ζε ηύπο) για ηην σλοποίηζη ηοσ ζσζηήμαηος αζθαλείας. Επίζης, θα πρέπει να τρηζιμοποιήζεηε ηον ελάτιζηο αριθμό ολοκληρωμένων, αλλά και καλωδίων. 74LS00 IC Πεπιγπαθή Δθαπμογή Quad 2-input NAND (Τέζζεπειρ πύλερ NAND 2 ειζόδων) 74LS02 74LS04 74LS08 74LS10 74LS20 74LS32 74LS74 74LS76A 74LS86 74LS138 74LS153 74LS157 74LS169B 74LS175 Quad 2-input NOR (Τέζζεπειρ πύλερ NOR 2 ειζόδων) Hex Inverter (Έξι ανηιζηποθείρ, δηλαδή έξι πύλερ NOT) Quad 2-input AND (Τέζζεπειρ πύλερ AND 2 ειζόδων) Triple 3-input NAND (Τπειρ πύλερ NAND 3 ειζόδων) Dual 4-input NAND (Γύο πύλερ NAND 4 ειζόδων) Quad 2-input OR (Τέζζεπειρ πύλερ OR 2 ειζόδων) Dual D Flip-Flp (Γςο D-Flip-Flp) Dual JK Flip-Flp (Γύο JK Flip-Flp, με clear και preset) Quad 2-input XOR (Τέζζεπειρ πύλερ XOR 2 ειζόδων) 1 3-t-8 Decder (Έναν Αποκωδικοποιηηή 3-ζε-8) Dual 4-input MUX (Γύο Πολςπλέκηερ 4-ζε-1) Quad 2-input MUX (Τέζζεπειρ Πολςπλέκηερ 2-ζε-1) 4-bit Up/Dn Cunter (Μεηπηηήρ 4 ων bit αύξηζηρ/μείωζηρ) Quad D Flip-Flp (Τέζζεπα D Flip-Flp με κοινό clear) 74LS194A 4-bit Shift Register (Οικοςμενικόρ Καηασωπηηήρ Ολίζθηζηρ 4 ων bit) 74LS390 Dual Decade Cunter (Γύο μεηπηηέρ mdul 10) MC14584 Hex CMOS Schmitt (Έξι Ανηιζηποθείρ Schmitt) Πίνακαρ 3: Γιαθέζιμα Ολοκληπωμένα για ηην Υλοποίηζη ηος Κςκλώμαηορ 5
Σειηθφ Prject a) Σσεδιαζμόρ Ακολοςθιακού Σςζηήμαηορ Αζθάλειαρ Σν ζχζηεκα αζθαιείαο είλαη ζηελ νπζία έλα αθνινπζηαθφ FSM, ην δηάγξακκα ηνπ νπνίνπ έρεη έμη θαηαζηάζεηο. Άξα, απαηηείηαη ε ρξήζε ηξηψλ flip-flps, κε εμφδνπο Υ, Y θαη Z. Γηαζέζηκεο ηηκέο ησλ Υ, Y θαη Z αληηζηνηρνχλ ζηηο έμη θαηαζηάζεηο S0 έσο S5, φπσο θαίλεηαη ζηνλ πίλαθα θαηαζηάζεσλ πνπ θαζνξίζαηε πξνεγνπκέλσο. 1. Αλαηξέμεηε ζηνλ πίλαθα θαηαζηάζεσλ θαη πξνζέμηε φηη αξθεηνί ζπλδπαζκνί ηεο παξνχζαο θαηάζηαζεο θαη ησλ ζεκάησλ εηζφδνπ νδεγνχλ ζηελ ίδηα επφκελε θαηάζηαζε θαη ζήκαηα εμφδνπ. Απηφ ζεκαίλεη φηη πνιινί ζπλδπαζκνί εηζφδσλ πεξηέρνπλ φξνπο αδηαθνξίαο (dn t cares), νη νπνίνη ζπκβνιίδνληαη κε παχια (-). Η παχια ζπκπεξηιακβάλεη θαη ηηο δχν ινγηθέο ηηκέο, ελψ ζηελ αληίζηνηρε ζπλάξηεζε δειψλεη ηελ έιιεηςε κηαο κεηαβιεηήο απφ έλαλ φξν, ζε έλαλ άζξνηζκα γηλνκέλσλ. 2. Ο νινθιεξσκέλνο πίλαθαο θαηαζηάζεσλ δειψλεη γηα θαζεκία απφ ηηο νθηψ εμφδνπο (επφκελε θαηάζηαζε θαη ζήκαηα εμφδνπ) ηε ινγηθή ζπλάξηεζε πνπ ηεο αληηζηνηρεί ζε ζρέζε κε ηηο κεηαβιεηέο εηζφδνπ, ζε κνξθή αζξνίζκαηνο γηλνκέλσλ (SOP). Παξφιν πνπ απηή ε κνξθή ρξεζηκνπνηείηαη ζπλήζσο ζε πινπνηήζεηο κε PLA, κπνξεί επίζεο λα ρξεζηκνπνηεζεί θαη γηα ινγηθή επηπέδνπ πχιεο. Η ινγηθή κπνξεί λα απινπνηεζεί πεξηζζφηεξν κε ηε ρξήζε ηνπ πξνγξάκκαηνο ειαρηζηνπνίεζεο ινγηθψλ εθθξάζεσλ espress. Ο ζθνπφο ηεο ειαρηζηνπνίεζεο είλαη λα κείλνπλ κφλν νη απνιχησο απαξαίηεηνη ειαρηζηφξνη. Με ηε ρξήζε ηεο εθαξκνγήο Text Editr, δεκηνπξγήζηε έλα αξρείν κε ην φλνκα lab6.espin, πνπ λα πεξηέρεη ηνλ πίλαθα ζαο, κε ηελ πην θάησ κνξθή (ζπκπιεξψζηε προζεκηικά ηηο ηηκέο ηνπ πίλαθα πνπ ιείπνπλ ζην ηέινο ηνπ αξρείνπ βαζηζκέλνη ζηνλ πίλαθα θαηαζηάζεσλ). εκεηψζηε φηη ζην αξρείν lab6.espin νη έμνδνη ησλ ηξηψλ flip-flps ηνπ θαηαρσξεηή θαηάζηαζεο (παξνχζα θαηάζηαζε) νξίδνληαη σο QX, QY θαη QZ, ελψ ηα DX, DY θαη DZ ζπκβνιίδνπλ ηελ επφκελε θαηάζηαζε ζην FSM, δειαδή ηα QX(t+1), QY(t+1) θαη QZ(t+1)..i 7. 8.i1b QX QY QZ A B C D.b DX DY DZ UNL ALM IND1 IND2 IND3 0000000 00000000... 101---- 10101000.e Οη πξψηεο δχν γξακκέο θαζνξίδνπλ ηνλ αξηζκφ ησλ κεηαβιεηψλ ησλ εηζφδσλ θαη ησλ εμφδσλ, αληίζηνηρα, ελψ νη επφκελεο δχν δίλνπλ ηα νλφκαηα ησλ κεηαβιεηψλ κε ηε ζεηξά πνπ εκθαλίδνληαη ζηνλ πίλαθα. Οη επφκελεο γξακκέο (γξακκέο δεδνκέλσλ), είλαη αληηγξακκέλεο αθξηβψο απφ ηνλ πίλαθα θαηαζηάζεσλ. Σν πξφγξακκα espress κπνξείηε λα ην θαηεβάζεηε απφ ηελ ηζηνζειίδα ηνπ καζήκαηνο, καδί κε ηε ζρεηηθή ηεθκεξίσζε (έλα 6
Σειηθφ Prject εγρεηξίδην ρξήζεο θαη κηα πεξηγξαθή ηεο κνξθήο ηνπ αξρείνπ εηζφδνπ/εμφδνπ). Γηα λα ην εθηειέζεηε πξέπεη λα πάηε ζηε γξακκή εληνιψλ ηνπ DOS (Start Run cmd). Απνζεθεχζεηε ην πην πάλσ αξρείν κε επέθηαζε.espin ζην θάθειν εξγαζίαο ζαο θαη, κέζα ζε απηφ ηνλ θάθειν, ρξεζηκνπνηήζηε ηνλ ειαρηζηνπνηεηή espress σο εμήο: espress lab6.espin Σν espress ζα επηζηξέςεη ηελ απινπνηεκέλε έμνδν ζηελ νζφλε, ζηελ ίδηα κνξθή φπσο θαη ε είζνδνο, αιιά ζπλήζσο ζα πεξηέρεη ιηγφηεξνπο φξνπο γηλνκέλνπ θαη, άξα, πεξηζζφηεξεο παχιεο, πνπ κε ηε ζεηξά ηνπο ζα δψζνπλ ιηγφηεξεο πχιεο θαη ιηγφηεξεο δηαζπλδέζεηο κεηαμχ ησλ ππιψλ. Δπηπιένλ απινπνίεζε κπνξεί λα επηηεπρζεί θάπνηεο θνξέο αλ ε πνιηθφηεηα κίαο ή πεξηζζφηεξσλ εμφδσλ αιιάμεη. Αλ εθηειέζεηε ην espress κε ηελ επηινγή Dp, ην πξφγξακκα ζα δνθηκάζεη δηάθνξνπο ζπλδπαζκνχο πνιηθφηεηαο ησλ εμφδσλ θαη ζα δψζεη κηα «βειηησκέλε» δηάηαμε, πάληα κε ηελ ίδηα κνξθή φπσο ε είζνδνο. Δπηπιένλ, ζα ζεκεηψζεη σο ζρφιην κηα γξακκή κε ηηο πνιηθφηεηεο ησλ εμφδσλ, π.ρ. σο εμήο: #.phase 01110010 Έλα κεδέλ ζηελ πην πάλσ ζπκβνινζεηξά δειψλεη φηη νη ηηκέο ησλ ζπλαξηήζεσλ ζα πξέπεη λα ππνινγίδνληαη γηα ηε ζσμπληρωμαηική έμνδν, ελψ έλαο άζζνο ζεκαίλεη φηη ε ζπλάξηεζε πνπ πξνθχπηεη αθνξά ηελ θαλνληθή έμνδν. Έηζη, κπνξείηε λα πινπνηήζεηε ην θχθισκα ζαο κε ηηο ζπλαξηήζεηο πνπ πξνθχπηνπλ, αγλνψληαο ηελ πνιηθφηεηα, θαη κεηά λα πξνζζέζεηε αληηζηξνθείο ζηηο αληίζηνηρεο εμφδνπο. Γνθηκάζηε ηελ επηινγή.phase κε ηελ πην θάησ εθηέιεζε ηνπ πξνγξάκκαηνο: espress Dp lab6.espin Γηα λα θξαηήζεηε ηελ έμνδν ηνπ πξνγξάκκαηνο ζε έλα αξρείν, ηξέμεηε ην espress σο εμήο: espress Dp lab6.espin > lab6ut.espin Κξαηήζηε εθηππψζεηο απφ ηα αξρεία εηζφδνπ θαη εμφδνπ ηνπ espress γηα λα ηα ζπκπεξηιάβεηε ζηελ αλαθνξά ζαο. Παξαηεξψληαο ηηο εμφδνπο ηνπ espress, ζρεκαηίζηε ην αλάινγν ζπλδπαζηηθφ θχθισκα ρξεζηκνπνηψληαο ηνλ ελάτιζηο αξηζκφ νινθιεξσκέλσλ, απφ απηά πνπ ζάο δίλνληαη ζηε ιίζηα ηεο ζειίδαο 5. εκεηψζηε φηη νη ειαρηζηφξνη θαη εμηζψζεηο (sum f prducts) πνπ βγάδεη ην espress έρνπλ κοινούς παξάγνληεο κεηαμχ ηνπο. Άξα, δηάθνξεο πξάμεηο κπνξνχλ λα γίλνπλ κηα θνξά θαη ην απνηέιεζκα ηνπο λα ρξεζηκνπνηεζεί πνιιαπιέο θνξέο (βγάδνληαο αλαιφγσο ηνπο θαηάιιεινπο θνηλνχο παξάγνληεο ζηηο εμηζψζεηο θαη ειαρηζηφξνπο). Απηφ ζα κεηψζεη ηε ρξήζε πιηθνχ ή/θαη ην κέγεζνο ππιψλ (δειαδή ηνλ αξηζκφ εηζφδσλ ηνπο). 3. Υξεζηκνπνηήζηε ηνλ ζρεδηαζκφ ζαο απφ ην βήκα 2 γηα λα ζρεδηάζεηε ην ολικό ζχζηεκα αζθάιεηαο, ρξεζηκνπνηψληαο μόνο νινθιεξσκέλα απφ ηνλ πίλαθα ηεο ζειίδαο 5. 7
Σειηθφ Prject b) Γημιοςπγία Σσημαηικού με ηον Graphic Editr 1. Αλνίμεηε έλα λέν αξρείν ζηνλ Graphic Editr θαη απνζεθεχζεηε ην κε ην φλνκα lab6_seq.bdf ζηνλ θαηάινγν ζαο κε φλνκα Lab6. 2. Δηζαγάγεηε ηα ζηνηρεία ηνπ θπθιψκαηνο ζχκθσλα κε ην ζρεδηαζκφ ζαο απφ ην βήκα a.3. Οη είζνδνη θαη νη έμνδνη πξέπεη λα αληηζηνηρνχλ ζε απηέο πνπ θαζνξίζηεθαλ γηα ην νιηθφ ζχζηεκα αζθάιεηαο. Αλ θαη ζην βήκα a.2 ε παξνχζα θαηάζηαζε ζεσξείην σο είζνδνο ζην ζρεδηαζκφ ινγηθήο επηπέδνπ πχιεο, ζην ζπλνιηθφ ζχζηεκα ζεσξείηαη σο έμνδνο. 3. Αληηγξάςεηε θαη κεηαθηλήζηε ηα ζηνηρεία ψζηε λα ζπκθσλνχλ κε ηνλ ζρεδηαζκφο ζαο. 4. πλδέζηε ηα ζηνηρεία, πάληα ζχκθσλα κε ηνλ ζρεδηαζκφ ζαο. Αλ ζηνλ ζρεδηαζκφ ζαο, δχν ζχξεο εμφδνπ πξνέξρνληαη απφ ηελ ίδηα ινγηθή, πξέπεη λα ρξεζηκνπνηήζεηε ην ζηνηρείν wire (buffer) γηα λα ζπλδέζεηε ηηο ζχξεο εμφδνπ ζηνλ ίδην θφκβν (ζεκείν ηνπ θπθιψκαηνο). 5. Διέγμεηε θαη απνζεθεχζεηε ην ζρεκαηηθφ. Γεκηνπξγήζηε έλα ζχκβνιν γηα ην ζρεκαηηθφ κε ηελ επηινγή File Create/Update Create Symbl Files fr Current File. 6. Αλνίμεηε ην ζχκβνιν lab6_seq.bsf ζηνλ Symbl Editr θαη αιιάμηε ην ζρήκα ηνπ θαη ηηο ζέζεηο ησλ ζπξψλ εηζφδνπ/εμφδνπ, αλ ην επηζπκείηε. 7. Κιείζηε ην ζρεκαηηθφ ηνπ lab6_seq.bdf. 8. Αλνίμεηε έλα λέν αξρείν ζηνλ Graphic Editr θαη απνζεθεχζεηε ην σο lab6_tp.bdf. 9. Δηζαγάγεηε ηα αθφινπζα ζηνηρεία θπθιψκαηνο: input, utput. Δπίζεο, εηζαγάγεηε θαη ην ζχκβνιν lab6_seq πνπ έρεηε δεκηνπξγήζεη ζην βήκα 5. Σα ζχκβνιν εηζάγεηαη απφ ην παξάζπξν δηαιφγνπ Symbl. 10. Οη ζχξεο εηζφδνπ θαη εμφδνπ πξέπεη λα έρνπλ ηα νλφκαηα ησλ εμσηεξηθψλ ζεκάησλ ηνπ ζρεκαηηθνχ δηαγξάκκαηνο (blck diagram) πνπ έρεηε ζρεδηάζεη: Θχξεο εηζφδνπ ηηο P[3..0] (γηα εηζαγσγή θσδηθνχ απφ δηαθφπηεο πίεζεο 1 ), clk θαη reset, θαη ζχξεο εμφδνπ ηηο S[2..0] (γηα εμαγσγή παξνχζαο θαηάζηαζεο), UNL, ALM, IND1, IND2 θαη IND3. 11. πλδέζηε ηα ζηνηρεία ζχκθσλα κε ηνλ ζρεδηαζκφ ζαο. Διέγμεηε θαη απνζεθεχζεηε ην ζρεκαηηθφ. Μεηαθξάζηε ηνλ ζρεδηαζκφ ζαο. Κραηήζηε εκησπώζεις ηων ζτημαηικών ζας (με ηο όνομα και ηον αριθμό ηασηόηηηάς ζας, και ηην ημέρα εργαζηηρίοσ ζας). c) Πποζομοίωζη 1. Γεκηνπξγήζηε έλαλ αξρείν θπκαηνκνξθψλ κε φια ηα πηζαλά ζελάξηα ζπλδπαζκψλ εηζφδσλ, κε Grid Size 100ns θαη πεξίνδν ξνινγηνχ 200ns. Γνθηκάζηε θαη θπκαηνκνξθέο πνπ πξνζνκνηψλνπλ ηε ζσζηή ζεηξά ελεξγνπνίεζεο ησλ δηαθνπηψλ. Οη αιιαγέο ζηνπο δηαθφπηεο πξέπεη λα γίλνληαη κε δηαθνξά ηνπιάρηζηνλ δχν θηχπσλ ηνπ ξνινγηνχ, θαη φρη ιηγφηεξν. Απνζεθεχζεηε ην αξρείν σο lab6.vwf ζηνλ θαηάινγν ζαο Lab6. 1 πλδέζηε κηα πχιε nt ζηε ζχξα εηζφδνπ P[3..0], φηαλ ζα θαηεβάζεηε ηνλ ζρεδηαζκφ ζαο ζηελ πιαθέηα DE1, ιφγσ ηνπ φηη νη δηαθφπηεο πίεζεο είλαη αξλεηηθήο ινγηθήο. Όηαλ θάλεηε πξνζνκνίσζε, φκσο, ρξεζηκνπνηήζηε wire. 8
Σειηθφ Prject 2. Αλνίμεηε ηελ εθαξκνγή Simulatr Tl. Δθηειέζηε ηελ πξνζνκνίσζε επηιέγνληαο timing simulatin θαη ρξεζηκνπνηψληαο ην αξρείν lab6.vwf σο είζνδν. 3. Αλνίμεηε ην reprt γηα λα παξαηεξήζεηε ηα απνηειέζκαηα ηεο πξνζνκνίσζεο. Κραηήζηε μια εκηύπωζη ηης κσμαηομορθής (με ηο όνομα και αριθμό ηασηόηηηάς ζας). Αλ ηα απνηειέζκαηα απέρνπλ απφ ηα αλακελφκελα, ηφηε ε ρξήζε «αθαλψλ» θφκβσλ (buried ndes) ζα ζάο βνεζήζεη λα εληνπίζεηε ην ζεκείν φπνπ ππάξρεη ιάζνο. Οη αθαλείο θφκβνη πεξηγξάθεθαλ ζηελ εξγαζηεξηαθή άζθεζε 5. Γηα πεξηζζφηεξεο ιεπηνκέξεηεο, αλαηξέμεηε ζηε βνήζεηα ηνπ QUARTUS II. 4. Μεηαθηλήζηε ηηο θπκαηνκνξθέο κε ηα βειάθηα (ζην Master Time Bar) αξηζηεξά θαη δεμηά. Καζνξίζηε ηε θαζπζηέξεζε ηνπ αθνινπζηαθνχ θπθιψκαηνο, βξίζθνληαο ηε δηαθνξά κεηαμχ ηνπ ρξφλνπ αιιαγήο ηεο εηζφδνπ θαη ηνπ ρξφλνπ εκθάληζεο ηεο ζσζηήο ηηκήο ζηελ έμνδν. 5. Μειεηήζηε ηηο θπκαηνκνξθέο εμφδνπ θαη ζρνιηάζηε ηα απνηειέζκαηα ζηελ αλαθνξά ζαο, ζπκπεξηιακβάλνληαο θαη ηηο ηηκέο ηεο ηππηθήο θαζπζηέξεζεο πνπ βξήθαηε ζην βήκα 4. Κιείζηε φια ηα αλνηθηά παξάζπξα ζην QUARTUS II. Αναβάθμιζη Σςζηήμαηορ Πψο ζα αιιάδαηε ηνλ ζρεδηαζκφ ηνπ ζπζηήκαηνο, νχησο ψζηε λα επηηξέπεη ζηνλ ρξήζηε δύο πξνζπάζεηεο γηα ηελ εηζαγσγή ηνπ ζσζηνχ θσδηθνχ; Γειαδή, λα κπνξεί λα θάλεη σο θαη κηα ιαλζαζκέλε πξνζπάζεηα, ρσξίο λα ερήζεη ν ζπλαγεξκφο. Ο ζπλαγεξκφο ζα ερεί φηαλ γίλεηαη ιάζνο ζηε δεύηερη πξνζπάζεηα εηζαγσγήο ηνπ θσδηθνχ. Τελική Αναθοπά Πεξηγξάςεηε θαη ζρνιηάζηε ηα απνηειέζκαηα πνπ πήξαηε, ηηο δπζθνιίεο πνπ ζπλαληήζαηε, θαη ηηο γλψζεηο πνπ απνθηήζαηε ζε απηφ ην prject. πκπεξηιάβαηε ην δηάγξακκα θαηαζηάζεσλ, φινπο ηνπο πίλαθεο (ζπκπεξηιακβαλνκέλνπ ηνπ πίλαθα θαηαζηάζεσλ), ηα ζρεκαηηθά, ηηο θπκαηνκνξθέο, θαη ηα αξρεία ηνπ espress, φπσο ζάο έρνπλ δεηεζεί απφ ηε δηαδηθαζία πεξηγξαθήο ηεο άζθεζεο. Κάλεηε ηηο θαηάιιειεο αλαθνξέο ζηελ πεξηγξαθή ζαο, ζε φια απηά πνπ έρεηε θξαηήζεη απφ ηελ φιε δηαδηθαζία. Η αλαθνξά ζαο ππέπει λα είλαη ζε ειεθηξνληθή κνξθή θαη λα πεξηιακβάλεη θαη έλα εμψθπιιν κε ηνλ ηίηιν ηεο, ηα ζηνηρεία ζαο θαη ηελ εκεξνκελία παξάδνζεο. Δπίζεο, πξέπεη λα παξαδνζεί θαη κηα εθηχπσζε ηεο αλαθνξάο, θαζψο θαη έλαο ςεθηαθφο δίζθνο (CD) κε όλα ηα ςεθηαθά αξρεία πνπ ζρεηίδνληαη κε ην prject θαη πνπ πεξηγξάθνληαη πην πάλσ. Σα επηζπλαπηφκελα πξέπεη λα πεξηιακβάλνπλ: 1. ειίδα 3 (πξνπαξ.) ρεκαηηθφ δηάγξακκα (blck diagram) ηνπ ζπζηήκαηνο. 2. ειίδα 3 (πξνπαξ.) Γηάγξακκα θαηαζηάζεσλ (state-transitin diagram). 3. ειίδα 3 (πξνπαξ.) Πίλαθα θαηαζηάζεσλ (state-transitin table). 4. ειίδα 7: a) 2 Σειηθέο κνξθέο αξρείσλ εηζφδνπ θαη εμφδνπ απφ espress. 5. ειίδα 8: b) 5, 11 ρεκαηηθά γηα lab6_seq.bdf θαη lab6_tp.bdf. 6. ειίδα 9: c) 3 Υξνληθή Πξνζνκνίσζε ηνπ lab6_tp. 7. ειίδα 9: c) 4 Μεηξεκέλε θαζπζηέξεζε αθνινπζηαθνχ θπθιψκαηνο. Όια ηα ζρεκαηηθά, ζηα νπνία αλαθέξεζηε ζηνπο ζρνιηαζκνχο ζαο, πξέπεη λα δείρλνπλ μεθάζαξα ηνπο αξηζκνχο ησλ pins θαη ηνπο θσδηθνχο ησλ νινθιεξσκέλσλ πνπ αληηζηνηρνχλ ζην πξαγκαηηθφ πιηθφ ηεο 9
Σειηθφ Prject πινπνίεζεο ηνπ θπθιψκαηνο. Σέινο, ν ζρεδηαζκφο ζαο πξέπεη λα είλαη έηνηκνο (κε ηελ θαηάιιειε αλάζεζε ησλ pins), γηα λα θνξησζεί ζηελ πιαθέηα DE1 ηεο Altera. 10
Όλνκα: Αξ. Σαπηφηεηαο: Ηκέξα:
Όλνκα: Αξ. Σαπηφηεηαο: Ηκέξα:
Όλνκα: Αξ. Σαπηφηεηαο: Ηκέξα: