ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΕΠΛ 121 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΝΗΜΗ ΚΑΙ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΜΕΝΗ ΛΟΓΙΚΗ ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΩΝ: ΧΡΥΣΟΣΤΟΜΟΣ ΧΡΥΣΟΣΤΟΜΟΥ ΕΑΡΙΝΟ ΕΞΑΜΗΝΟ 2001

ΕΠΛ 121 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΝΗΜΗ ΚΑΙ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΜΕΝΗ ΛΟΓΙΚΗ A. ΣΚΟΠΟΙ Σκοπός της άσκησης αυτής είναι: 1. να εξοικειωθείτε µε τη λειτουργία και συµπεριφορά της µνήµης και προγραµµατιζόµενης λογικής 2. να σχεδιάσετε και κατασκευάσετε µονάδες µνήµης. B. ΘΕΩΡΙΑ Η µονάδα µνήµης είναι η µονάδα του ηλεκτρονικού υπολογιστή στην οποία αποθηκεύονται δεδοµένα. Η µονάδα µνήµης επικοινωνεί µε τα υπόλοιπα µέρη του ηλεκτρονικού υπολογιστή µέσω ενός διαδρόµου (bus). Ο διάδροµος είναι ένα ηλεκτρονικό µονοπάτι πάνω στο οποίο µεταδίδονται ψηφιακές πληροφορίες. Υπάρχουν δυο τύποι διαδρόµων, ανάλογα µε τον τύπο των ψηφιακών πληροφοριών που µεταφέρουν, και αυτοί είναι ο διάδροµος δεδοµένων και ο διάδροµος διευθύνσεων. Ο διάδροµος δεδοµένων µπορεί να µεταφέρει δεδοµένα από και προς τη µνήµη, ενώ ο διάδροµος διευθύνσεων περιέχει τη διεύθυνση στην οποία θα αποθηκευτούν τα δεδοµένα στη µνήµη ή τη διεύθυνση από την οποία θα διαβαστούν τα δεδοµένα. 1

Στο διάδροµο δεδοµένων τοποθετούνται δεδοµένα για µεταφορά από τις διάφορες περιφερειακές συσκευές προς τη µνήµη και τον επεξεργαστή και αντίστροφα. Όταν ο διάδροµος δεδοµένων δέχεται δεδοµένα από τον επεξεργαστή, τότε είναι σε κατάσταση εγγραφής-αποθήκευσης (write mode). Όταν ο επεξεργαστής λαµβάνει δεδοµένα από το διάδροµο δεδοµένων, τότε είναι σε κατάσταση ανάγνωσης (read mode). Ένας διάδροµος µπορεί να είναι αµφίδροµος, δηλαδή µπορεί να µεταφέρει πληροφορίες και στις 2 κατευθύνσεις (από και προς τη µνήµη), ή να µεταφέρει πληροφορίες σε µια µόνο κατεύθυνση. ΜΝΗΜΗ ΤΥΧΑΙΑΣ ΠΡΟΣΠΕΛΑΣΗΣ (Random Access Memory RAM) Μια µονάδα µνήµης είναι µια µονάδα αποθήκευσης ψηφιακών πληροφοριών. Οι πληροφορίες µπορούν να αποθηκευτούν προσωρινά ή µόνιµα. Μια µονάδα µνήµης είναι ένα σύνολο από κελιά αποθήκευσης µαζί µε τα απαραίτητα κυκλώµατα για τη µεταφορά των πληροφοριών µέσα και έξω από τη συσκευή. Τα κελιά αυτά µπορεί να είναι flip flops τα οποία µπορεί να βρίσκονται σε µια από δυο λογικές καταστάσεις, αναπαριστώντας έτσι το λογικό '0' ή το λογικό '1'. Οι µονάδες µνήµης µπορεί να είναι προσωρινές (volatile) ή µόνιµες (non-volatile). Μερικές βασικές, µόνιµες µνήµες είναι η ROM (Read Only Memοry), η PROM (Programmable Read Only Memory), ενώ η βασική προσωρινή µνήµη είναι η µνήµη τυχαίας προσπέλασης RAM (Random Access Memory). Η ROM περιέχει πληροφορίες οι οποίες δεν πρέπει να αλλάξουν. Έτσι αν σταµατήσουµε την παροχή ρεύµατος σε µια ROM, τότε οι πληροφορίες που περιέχει δε χάνονται. Η ΡROM είναι ίδια µε την ROM µε µια όµως µικρή διαφορά. Μπορούµε να την προγραµµατίσουµε µόνο την πρώτη φορά που θα την χρησιµοποιήσουµε. Η RAM κρατά τις πληροφορίες που είναι αποθηκευµένες σ'αυτή µόνο για όσο χρόνο της παρέχουµε ενέργεια. Όταν για παράδειγµα σβήσουµε τον ηλεκτρονικό υπολογιστή, τότε ότι υπάρχει αποθηκευµένο στη RAM χάνεται. Το όνοµά της προέκυψε από το γεγονός ότι µπορεί να γίνει 2

προσπέλαση στα κελιά µνήµης, για µεταφορά πληροφοριών, από και προς οποιαδήποτε θέση. Κάθε µονάδα µνήµης αποθηκεύει της ψηφιακές πληροφορίες κατά οµάδες bits οι οποίες ονοµάζονται "λέξεις" ("words"). Οι περισσότερες µνήµες υπολογιστών χρησιµοποιούν λέξεις µε µήκος πολλαπλάσιο των 8 bits (1 byte). Έτσι µπορεί να έχουµε µνήµες που αποθηκεύουν λέξεις των 16 bits ή των 32 bits. Η χωρητικότητα της µνήµης καθορίζεται από το συνολικό αριθµό λέξεων που µπορεί να αποθηκεύσει. Η µονάδα µνήµης επικοινωνεί µε τα άλλα µέρη ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή (ή µιας άλλης ηλεκτρονικής συσκευής που διαθέτει µονάδα µνήµης) µέσω γραµµών εισόδου και εξόδου δεδοµένων, γραµµών επιλογής διεύθυνσης και γραµµών σηµάτων ελέγχου. Το Σχήµα 1 παρουσιάζει ένα σχηµατικό διάγραµµα µιας µονάδας µνήµης. Οι n γραµµές εισόδου δεδοµένων µεταφέρουν τις πληροφορίες που θα αποθηκευτούν στη µνήµη. Οι n γραµµές εξόδου δεδοµένων µεταφέρουν τις πληροφορίες που διαβάστηκαν από τη µνήµη. Οι κ γραµµές διεύθυνσης καθορίζουν τη συγκεκριµένη λέξη που έχει επιλεγεί ανάµεσα στο πλήθος των λέξεων. Η είσοδος "Γραφή" προκαλεί µεταφορά πληροφοριών προς τη µνήµη, ενώ η είσοδος Ανάγνωση µεταφορά πληροφοριών από τη µνήµη. Σχήµα 1 3

Γ. ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ Να σχεδιαστεί ένα κύκλωµα που πολλαπλασιάζει δυο 2-bit αριθµούς µε παραγωγή και αποθήκευση πίνακα αληθείας (Lookup table) στην µνήµη RAM 16x4. Το κύκλωµα θα πρέπει να αποθηκεύει στη µνήµη το αποτέλεσµα του πολλαπλασιασµού και στη συνέχεια να διαβάζει το αποτέλεσµα. Για την υλοποίηση του πιο πάνω κυκλώµατος θα πρέπει να κατασκευάσετε τον πίνακα αληθείας που αντιπροσωπεύει το αποτέλεσµα πολλαπλασιασµού όλων των πιθανών συνδυασµών δυο 2-bit αριθµών. Οι δυο 2-bit αριθµοί αντιπροσωπεύουν όλες τις πιθανές διευθύνσεις όπου τα δεδοµένα µπορούν να αποθηκευτούν στη µνήµη. Τα δεδοµένα σ αυτή την περίπτωση αντιπροσωπεύουν τα αποτελέσµατα του πολλαπλασιασµού (Σχήµα 2). ιευθύνσεις (Α 3 Α 2 Α 1 Α 0 ) εδοµένα (DI 3 DI 2 DI 1 DI 0 ) Α 3 Α 2 Α 1 Α 0 = Α 3 Α 2 x Α 1 Α 0 00 00 0000 00 01 0000 00 10 0000 00 11 0000 01 00 0000 01 01 0001.......... 11 11 1001 Σχήµα 2 Για την χρησιµοποίηση του πίνακα αληθείας στη µνήµη για σκοπούς αποθήκευσης και ανάγνωσης των δεδοµένων χρειάζεται η υλοποίηση δυο κυκλωµάτων: ένα για τη παραγωγή των διευθύνσεων και άλλο για τα δεδοµένα. 4

Υλοποίηση κυκλώµατος για ιευθύνσεις: Ο πίνακας αληθείας κατασκευάζεται µε 16 συνδυασµούς. Οι διευθύνσεις αρχίζουν από 0000 µέχρι 1111. Αυτή η ακολουθία των 4 bits µπορεί να εξαχθεί από ένα 4-bit σύγχρονο δυαδικό µετρητή. Εποµένως, σχεδιάστε το µετρητή αυτό, µε χρήση JK flip-flops, δείχνοντας όλα τα απαραίτητα βήµατα (Κοιτάξτε στο τµήµα 5.5 του 5 ου κεφαλαίου του βιβλίου). Ακόµα, σχεδιάστε και προσοµοιώσετε το κύκλωµα χρησιµοποιώντας το XILINX πρόγραµµα. Σχολιάστε τα αποτελέσµατα. Υλοποίηση κυκλώµατος για εδοµένα: Για το σχεδιασµό του κυκλώµατος για τα δεδοµένα, χρησιµοποιούµε τον πίνακα αληθείας για την παραγωγή απλοποιηµένων εξισώσεων των DI 3, DI 2, DI 1, and DI 0 µε τη χρήση K-maps. Εποµένως, σχεδιάστε το κύκλωµα αυτό, δείχνοντας όλα τα απαραίτητα βήµατα. Ακόµα, σχεδιάστε και προσοµοιώσετε το κύκλωµα χρησιµοποιώντας το XILINX πρόγραµµα. Σχολιάστε τα αποτελέσµατα. Το Σχήµα 3 δείχνει το τελικό κύκλωµα. H µνήµη 16x4 RAM χρησιµοποιείται για την αποθήκευση και ανάγνωση των δεδοµένων. Αυτό συµβαίνει όταν η είσοδος CS (Chip Select) είναι 0. Για τη λειτουργία αποθήκευσης (γραφής) δεδοµένων η είσοδος WE (Write Enable) είναι 0, ενώ αντίθετα για τη λειτουργία ανάγνωσης δεδοµένων η είσοδος WE (Write Enable) είναι 1. Σχεδιάστε και προσοµοιώσετε το κύκλωµα του Σχήµατος 3 χρησιµοποιώντας το XILINX πρόγραµµα (αφήστε πίσω τα 7-segment displays). Σχολιάστε τα αποτελέσµατα. Το τελικό στάδιο της άσκησης αυτής είναι η κατασκευή του κυκλώµατος του Σχήµατος 3. Η κατασκευή αυτή να γίνει στο σπίτι. Για τη σωστή προετοιµασία πρέπει να εξετάσετε τα πιο κάτω θέµατα: 5

Για την κατασκευή του κυκλώµατος για τα δεδοµένα µπορεί να χρησιµοποιηθεί το ολοκληρωµένο κύκλωµα SN74LS51. Μελετήστε το SN74LS51 από τα data sheets που έχουν δοθεί. Στην περίπτωση όπου µια έξοδος έχει την εξίσωση: Ο = ABC + DEF αυτή µπορεί να υλοποιηθεί µε το SN74LS51 ως: O = ((ABC + DEF) ) Στην περίπτωση όπου µια έξοδος έχει την εξίσωση: Ο = AB + CDE αυτή µπορεί να υλοποιηθεί µε το SN74LS51 ως: O = ((AB1 + CDE) ) Η µνήµη 16x4 RAM υπάρχει ως SN74S89. Μελετήστε το SN74S89 από τα data sheets που έχουν δοθεί. Οι διευθύνσεις και δεδοµένα θα πρέπει να εµφανίζονται στο 7-segment display. Για να επιτευχθεί αυτό θα πρέπει να χρησιµοποιήσετε το BCDto-seven-segment decoder (SN74LS47) και το 7-segment display (Μελετήστε την εργαστηριακή άσκηση 2 όπου είχατε χρησιµοποιήσει το seven-segment decoder & display). Η Λειτουργία του κυκλώµατος αυτού γίνεται ως εξής: o Αρχικοποίηση µνήµης Λειτουργία αποθήκευσης (Initialize RAM Write mode) Ενεργοποίηση της εισόδου WΕ (=0). Είσοδος ρολογιού (16 φορές): Παραγωγή δεδοµένων και αποστολή τους στις γραµµές εισόδου δεδοµένων της µνήµης όπου θα αποθηκευτούν. o Χρησιµοποίηση µνήµης Λειτουργία ανάγνωσης (Use RAM Read mode) Απενεργοποίηση της εισόδου WE (=1) Είσοδος ρολογιού (16 φορές): Αποστολή δεδοµένων στις γραµµές εξόδου δεδοµένων της µνήµης για ανάγνωση. Ως ρολόι χρησιµοποιήστε το pulse switch (push-button). 6

7-segment display Κύκλωµα ιευθύνσεων (4-bit σύγχρονος δυαδικός µετρητής µε JK flip-flops) A 3:0 Clock RAM 16x4 DO 3:0 7-segment display Κύκλωµα εδοµένων DI 3:0 CS Σχήµα 3 WE 7

. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑ Aξιολόγηση της εργαστηριακής άσκησης από τον υπεύθυνο εργαστηρίων. Αναφορά προβληµάτων που έχετε συναντήσει και επίλυση τους. Γράψτε τα συµπεράσµατα που βγάζετε µετά την ολοκλήρωση της εργαστηριακής άσκησης. 8