ΗΜΥ211 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Καταχωρητές, Μετρητές και Ακολουθιακά Κυκλώματα Διδάσκoντες: Γιώργος Ζάγγουλος και Λάζαρος Ζαχαρία Πανεπιστήμιο Κύπρου Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών
Ατζέντα 1. Στόχοι 11 ου Εργαστηρίου 2. Οικουμενικός Καταχωτητής(74194) 3. Οικουμενικός καταχωρητής με D flip-flops 4. Σύγχρονοι Μετρητές Ακολουθιακά Κυκλώματα 5. Ανάλυση 6 ης εργαστηριακής άσκησης 6. Σχεδιασμός 6 ης άσκησης στο εργαστήριο 7. Παρουσίαση Τελικού Πρότζεκτ Νοέμβριος 17 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Γ.Ζ. & Λ.Ζ. - 2
Στόχοι Εργαστηρίου Με την ολοκλήρωση αυτού του εργαστηρίου, θα πρέπει να είστε σε θέση: 1. Να υλοποιείτε σύγχρονους μετρητές και άλλα ακολουθιακά κυκλώματα χρησιμοποιώντας 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 δημιουργείτε κατάλληλα αρχεία προσομοίωσης για έλεγχο των καταχωρητών, μετρητών και γενικά των ακολουθιακών κυκλωμάτων Νοέμβριος 17 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Γ.Ζ. & Λ.Ζ. - 3
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 17 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Γ.Ζ. & Λ.Ζ. - 4
Αποτελέσματα προσομοίωσης shift register Επιλογές [S1 S0]: 00: Συγκράτηση Δεδομένων 01: Αριστερή ολίσθηση 10: Δεξιά ολίσθηση 11: Παράλληλη φόρτωση Νοέμβριος 17 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Γ.Ζ. & Λ.Ζ. - 5
Οικουμενικός Καταχωρητής (4-bit) με πολυπλέκτες και D flip-flops [2x74153 & 2x7474] Ποια η διαφορά μεταξύ των εντολών shift και rotate; Νοέμβριος 17 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Γ.Ζ. & Λ.Ζ. - 6
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 >>> 1100 0110 0011 1001 1100 1100 0110 0011 0001 0000 Νοέμβριος 17 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Γ.Ζ. & Λ.Ζ. - 7
Μετρητής Ριπής 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 17 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Γ.Ζ. & Λ.Ζ. - 8
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 17 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Γ.Ζ. & Λ.Ζ. - 9
Παράδειγμα Μετρητή 4 καταστάσεων Παρούσα Κατ. Επόμενη Κατ. Είσοδοι F-Fs Q1 Q0 Q1+ Q0+ D1 D0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 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 17 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Γ.Ζ. & Λ.Ζ. - 10
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 17 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Γ.Ζ. & Λ.Ζ. - 11
Εργαστηριακή Άσκηση 6 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 έναν σύγχρονο μετρητή BCD 2 ψηφίων με D Flip- Flopsκαι ελέγξτε την ορθή του λειτουργίαδημιουργώντας δική σας προσομοίωση συνολικής διάρκειας 10μs. Νοέμβριος 17 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Γ.Ζ. & Λ.Ζ. - 12
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 D Flip-Flops. Γνωρίζετε τις διαφορές μεταξύ μηχανών Moore και Mealy και να μπορείτε να τις σχεδιάσετε βάσει προκαθορισμένων προδιαγραφών. Νοέμβριος 17 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Γ.Ζ. & Λ.Ζ. - 13
Σύστημα Ελέγχου Πληρότητας Αιθουσών (Μπλοκ Διάγραμμα πιθανής λύσης) Νοέμβριος 17 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Γ.Ζ. & Λ.Ζ. - 14