Введение

Цифровая техника является важным элементом для развития авиации. Цифровая техника превосходит аналоговую по быстродействию и точности. Приборы такого типа построены на микросхемах, способных проводить операции сложения и вычитания над числами, отсюда и малые размеры. В данной работе рассмотрен процесс синтеза последовательного устройства, а так же его моделирование в системе автоматизированного проектирования (САПР) DEEDS.

Актуальностью данного курсового проекта является то, что синтез последовательных схем является неотъемлемой частью разработки цифровых устройств. На данный момент не актуально разрабатывать последовательное устройства на жесткой логике, для этого есть следующие причины: сложное устройство гораздо проще описать на языке описания радиоэлектронной аппаратуры (VHDL,Verilog) и в последствии физически реализовать на микросхеме программируемой логики (FPGA, CPLD). При таком подходе значительно экономиться место на печатной плате, сокращается потребляемый ток, разработанный проект легко верифицируется в интегрированной среде разработки. Разработчик может посмотреть отклик модели на входные воздействия, не имея физического устройства. Однако без понимания основных принципов синтеза подобных устройств разработчику будет крайне трудно реализовать максимально эффективную модель.

Целью курсового проекта является разработка последовательного регистра, выбор элементной базы последовательного регистра, моделирование работы разрабатываемого регистра.

Объектом курсового проекта является цифровая техника. Она позволяет решать многие задачи, запись и хранение информации, преобразование последовательного кода в параллельный и наоборот, а также могут выполнять различные арифметические операции при помощи последовательного регистра.

Предметом разработки является последовательный регистр.

Раздел 1. Анализ технического задания

В ходе выполнения проекта требуется разработать последовательный регистр. Регистры относятся к последовательным цифровым устройствам. Данные устройства характеризуются тем, что выходное состояние зависит не только от входных воздействий, но и от предыдущего состояния, он обладает памятью. В качестве базовых элементов при реализации последовательных регистров (регистров сдвига) используют различные триггеры, как правило, D триггеры.

В данной работе необходимо выполнить:

- анализ существующих регистров и современной элементной базы;

- разработку функциональной схемы регистра;

- выбор элементной базы разрабатываемого регистра;

- выбрать запоминающие элементы разрабатываемого регистра;

- разработать принципиальную схему регистра;

- моделирование работы регистра с использованием системы автоматизированного проектирования;

- описать применение регистров в технике;

- интегральная микросхема;

- расчет основных технических показателей регистра;

- разработать печатную плату.

Раздел 2. Анализ существующих регистров и современной элементной базы

Регистр является интегральной микросхемой средней степени интеграции, предназначенная для запоминания и хранения многоразрядного слова или его частей. Регистром называется последовательное устройство, предназначенное для записи, хранения и (или) сдвига информации, представленной в виде многоразрядного двоичного кода.

Из сказанного выше сделаем вывод, что регистры должны содержать элементы памяти, они строятся на триггерах. Основная функция регистра – это хранение многоразрядного числа или его части которое представлено в двоичной системе счисления. Помимо основного предназначения (хранения двоичного кода, преобразования, сдвига и передачи на выход) регистры также используются для выполнения и других функций [1]. На их основе строятся такие устройства как:

- линии задержки на заданное число тактов;

- накапливающие сумматоры;

- формирователи импульсов большей длительности;

- генераторы псевдослучайных последовательностей.

По способу приема информации регистры подразделяются на:

- параллельные;

- последовательные;

- последовательно-параллельные (параллельно-последовательные).

Параллельными называются регистры, в которых информация записывается и считывается только в параллельной форме, прием и выдача слов производятся по всем разрядам одновременно. В них хранятся слова, которые могут быть подвергнуты поразрядным логическим преобразованиям. В этих регистрах схемы разрядов не обмениваются данными между собой. Общими для разрядов обычно являются цепи тактирования, сброса или установки, разрешения выхода или приема, то есть цепи управления. Рассмотрим на примере рисунков 2.1 и 2.2.

Р исунок 2.1 – Параллельный регистр

Рисунок 2.2 – Условно графическое обозначение параллельного регистра

В УГО параллельного регистра возле каждого входа D указывается степень двоичного разряда, который должен быть запомнен в этом триггере (разряде) регистра. Точно таким же образом обозначаются и выходы регистра. То, что микросхема является регистром, указывается в центральном поле УГО символами RG. Инверсные выходы триггеров на УГО не показаны. В реально выпускающихся микросхемах параллельных регистров инверсные выходы триггеров обычно не выводятся наружу для экономии количества выводов корпуса.

Последовательными называются регистры, которые также называются сдвигающие (сдвиговые) в них запись и считывание информации происходит только в последовательной форме, при этом слова принимаются и выдаются разряд за разрядом. Тактирующие сигналы при вводе и выводе слов перемещают их в разрядной сетке. Сдвигающий регистр может быть нереверсивным (с однонаправленным сдвигом) или реверсивным (с возможностью сдвига в обоих направлениях). Рассмотрим на примере рисунков 2.3, 2.4.

Рисунок 2.3 – Последовательный регистр

Рисунок 2.4 – Условно графическое обозначение последовательного регистра

Управление осуществляется фронтом синхронизирующего сигнала, который является общим для всех триггеров. Пусть триггеры регистра находятся в состоянии: Q0 = 1, Q1 = 0 , Q2 = 1, Q3 = 1. Предположим, что на вход поступает нулевая информация. При отсутствии синхроимпульса в регистре хранится информация без изменения. В момент положительного фронта синхронизирующего сигнала каждый из триггеров устанавливается в состояние, соответствующее действовавшему на входе D сигналу:

- по первому тактовому импульсу: лог.1 из Q0 в Q1, лог. 0 из Q1 в Q2 , лог.1 из Q2 в Q3 ;

- по второму тактовому импульсу: лог.0 из Q0 в Q1, лог. 1 из Q1 в Q2 , лог. 0 из Q2 в Q3 ;

- по третьему тактовому импульсу: лог.0 из Q0 в Q1, лог. 0 из Q1 в Q2 , лог. 1 из Q2 в Q3 .

Суть сдвига состоит в том, что логическая переменная (1 либо 0), записанная в i-разряде, передается в соседний справа (i +1) разряд. В крайний левый разряд заносится число, подаваемое с внешнего входа. Из крайнего правого разряда двоичный код последовательно поступает из регистра во внешнюю цепь. В данном случае – выход Q3 .

К параллельно-последовательным регистрам относятся реверсивные, универсальные или регистры двунаправленного действия. Пример представлен на рисунках 2.5 и 2.6.

Рисунок 2.5 – Условно графическое обозначение параллельно-последовательного регистра

Эти универсальные регистры можно использовать для преобразования кода из параллельного в последовательный и наоборот. Последовательно-параллельные регистры имеют входы и выходы одновременно последовательного и параллельного типа. Кроме того, существуют варианты с последовательным входом и параллельным выходом, параллельным входом и п оследовательным выходом, а также варианты с возможностью любого сочетания способов приема и выдачи слов.

Рисунок 2.6 – Параллельно-последовательный регистр

В регистрах этого типа при записи все биты данных поступают в регистр одновременно в параллельном коде, а при считывании покидают регистр бит за битом в последовательном коде. Параллельно-последовательные регистры являются преобразователями параллельного кода в последовательный. Они имеют N информационных входов и один прямой выход К, вход С1 записи и вход С2 считывания. Их называют также сдвигающими регистрами с параллельной загрузкой. В приведенной схеме JK – триггеры дважды превращены в D – триггеры. Одно превращение осуществлено для организации записи с использованием вспомогательных инверсных входов S и R и, добавлением двух элементов И – НЕ. Запись числа в регистр в параллельном коде происходит при подаче числа на входы X₁, X₂, X₃ и сигнала «1» на вход «зап». Для считывания информации из регистр в последовательном коде JK – триггеры второй раз превращены в D – триггеры у которых выходы каждого триггера соединены со входом D следующего, как это делается в последовательном регистре.

По числу каналов передачи информации регистры подразделяются на:

- однофазные, в них информация вводится либо в прямом, либо в обратном коде;

- парафазные – одновременно и прямом, и в обратном кодах.

По способу синхронизации регистры подразделяют на:

- однотактные, синхронизируемые одной управляющей последовательностью;

- двутактные;

- многотактные, управляемые несколькими последовательностями

импульсов.

Последовательные регистры могут быть:

- однонаправленные, когда записанную информацию сдвигают только в одном направлении;

- двунаправленные, в которых информация сдвигается как вправо, так и влево.

Чаще всего регистры строят на основе D и JК – триггеров [2]. В последовательных регистрах используются только двухступенчатые триггеры или триггеры с динамическим управлением. Это гарантирует сдвиг информации строго на один разряд по каждому импульсу синхронизации. При использовании других триггеров процес сдвига становится неуправляемым и за один импульс синхронизации кодовое число может быть сдвинуто на несколько разрядов [2].

Обратимся к каталогу компании «ЧИП и ДИП» и рассмотрим современный сдвиговый регистр, например, микросхему 74HC164, которая представляет собой восьми битный сдвиговый регистр. Представлен на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 – Условно графическое обозначение сдвигового регистра и микросхема 74HC164 и расположение выводов

Рассмотрим назначение выводов данного регистра.

Таблица 2.1 – Назначение выводов

№	Вывод	Назначение
1	2	3
1	D1	Вход данных

Окончание таблицы 2.1

1	2	3
2	D2	Вход данных
3	Q0	Выход 0го разряда
4	Q1	Выход 1го разряда
5	Q2	Выход 2го разряда
6	Q3	Выход 3го разряда
7	GND	Общий
8	C	Вход синхронизации
9	R	Вход сброса
10	Q4	Выход 4го разряда
11	Q5	Выход 5го разряда
12	Q6	Выход 6го разряда
13	Q7	Выход 7го разряда
14	VCC	Напряжение питания

Вывод: таким образом, проанализировав техническое задание курсового проекта, был определен алгоритм действий, рассмотрен принцип работы различных регистров и подобран по параметрам для данного курсового проекта. Подобрана необходимая элементная база, максимально подходящая по требуемым параметрам и условиям.