Арифметико-логические основы и схемотехника цифровых электронных вычислительных машин

Лабораторный практикум

Лабораторная работа №1

«Комбинационные схемы»

для подготовки бакалавров по ООП НИУ

по направлению 230100.62

"Информатика и вычислительная техника"

(факультет МПиТК),

Профиль "Элементы и устройства микропроцессорных информационно-управляющих систем"

Лабораторная работа «Комбинационные схемы»

Цели работы: изучить методы синтеза комбинационных схем в потенциальной системе элементов; получить навыки работы с САПР MAX+PLUS II; получить навыки в синтезе, наладке и экспериментальном исследовании синтезируемых схем.

Продолжительность работы - 4 часа.

Лабораторное задание

1. Ознакомить с правилами техники безопасности в учебном кабинете.

2. Выполнить синтез структур комбинационных схем, заданных в индивидуальном задании, построить временные диаграммы работы.

3. Получить допуск к лабораторной работе, показав преподавателю выполненное задание и ответив на вопросы теоретической части.

Пример индивидуального задания

Используя карты Карно, минимизировать функции алгебры логики (ФАЛ), заданные числовым представлением СКНФ или СДНФ:

Порядок выполнения работы

Для минимизации ФАЛ, заданных в индивидуальном задании, потребуются эталонные карты Карно для ФАЛ четырёх переменных (для y₁, y₂) и пяти переменных (для y₃, y₄), которые представлены на рис.1.

Рис.1. Эталонные карты Карно для функций алгебры логики: а - четырёх переменных; б - пяти переменных

Эталонные карты показывают места расположения номеров наборов при данном расположении переменных, от которых зависит функция. В индивидуальном задании в скобках указаны номера наборов, в которых функция должна принимать значение логического «0», если ФАЛ задана числовым представлением СКНФ (символ « » перед скобкой), и значение логической «1», если ФАЛ задана числовым представлением СДНФ (символ « » перед скобкой). «×» ставится в тех номерах наборов, которые указаны в скобках после «×», оставшиеся пустые клетки, заполняются «1», если ФАЛ задана числовым представлением СКНФ, и «0», если ФАЛ задана числовым представлением СДНФ.

Заполнив все клетки нужными значениями, получим рабочие карты Карно, показанные на рис.2.

Рис.2. Рабочие караты Карно для функций алгебры логики: а - y₁; б - y₂; в - y₃, г - y₄

При минимизации ФАЛ в формате ДНФ с помощью карт Карно выбираем набор покрытий (прямоугольная область, состоящая из 1, 2, 4, 8 или 16 клеток), которые покрывают все единичные клетки в карте и не покрывают ни одну клетку, содержащую логический «0». Покрытия должны иметь максимальную площадь, они также могут пересекаться. Клетки, отмеченные знаком «×», могут попадать в покрытия, а могут и остаться непокрытыми. Знак «×» находится в тех номерах наборов, в которых разработчику безразлично, какое значение примет функция: «0» или «1». После того как набор покрытий выбран (функция минимизирована), все номера наборов, в которых стоял знак «×», доопределились до конкретных значений логического «0» или логической «1»: если клетка, содержащая «×», попала хотя бы в одно покрытие, её значение стало логической «1», если клетка не попало ни в одно покрытие, то её значение доопределилось до логического «0».

Для минимизации функций алгебры логики выбираем покрытия, показанные на рис.3.

Рис.3. Рабочие караты Карно с покрытиями для: а - y₁; б - y₂; в - y₃, г - y₄

Минимизируя функции, получаем следующие аналитические выражения для ФАЛ y₁, y₂, y₃, y₄:

По полученным ФАЛ составим временные диаграммы работы, которые показаны на рис.4. Временные диаграммы можно составлять как по аналитическим выражениям для y₁, y₂, y₃, y₄, так и по картам Карно. Действительно, «0» или «1» в клетках карты Карно однозначно показывает значение функции в каждом из наборов. А каждая клетка, содержащая «×», доопределилась до логической «1», если попала хотя бы в одно из покрытий, либо до логического «0», если осталась непокрытой.

Рис.4. Временные диаграммы работы функций

Реализация схемы функций в среде Quartus II

1. Запустить Quartus II

Рис. 2.1 Стартовый экран Quartus II

2. Создать новый проект

2.1. Выбрать один из следующих вариантов

- Create a New Project на стартовом экране

Или

- File-> New Project Wizard в основном окне программы

На экране отобразится окно, изображённое на Рис. 2.2.

Рис. 2.2 Мастер создания проекта (часть1)

Нажать кнопку Next

2.2.Задать имя и директорию проекта

Создаём папку на рабочем столе (например, Lab1)

Важно! В пути и имени проекта не должно содержаться русских символов.

Рис. 2.3.

2.3.

Рис. 2.4

Нажать Next

2.4. Выбрать целевое устройство

Рис. 2.5. Выбор целевого устройства

В поле Family выбрать Cyclone II (Важно! Иначе симулятор работать не будет!)

В поле Available devices выбрать EP2C35F672I8

2.5.

Рис. 2.6.

Нажать Next

2.6.

Рис. 2.7.

Нажать Finish

2.8.

Рис. 2.8. Внешний вид программы после создания проекта

3Создать файл для рисования схемы

File->New

Рис 2.9 Окно создания нового файла

В появившемся окне (Рис. 2.9) выбрать пункт Block Diagram/Schematic File и нажать OK.

Рис. 2.10 Новый схематик файл

Нажать File->Save as

Рис. 2.11. Сохранение схематик файла

Задать имя файла (Например Lab1)

Убедиться, что стоит галочка напротив Add file to current project

Нажать Сохранить

Посмотреть и выбрать файлы, включённые в проект, можно в окошке Project Navigator во вкладке Files (См. ниже)

Не волнуйтесь файл *.vwf будет создан позже.

4. Рисование схемы

4.1.

Вызвать окно выбора символа можно двойным кликом мышки по полю вкладки *.bdf или нажав на кнопку

Рис. 2.12 Окно выбора символа

В поле Name нужно ввести имя нужного символа (На Рис. 2.12 изображён процесс выбора двухвходового логического И (Name = and2))

Таблица 1. Изображения компонентов

Имя символа	Изображение в	Изображение	Описание
And2			двух­входо­вый вен­тиль «И»
Or2			двух­входо­вый вен­тиль «ИЛИ»
xor			сумма по модулю 2
Not			«не»
dff			D - триггер
jkff			JK - триггер
Input		Различные варианты	Вход схемы
Output		Различные варианты	Выход схемы

Таблица 2

Имена и названия символов

Имя компонента	Описание
Input	Входной сигнал
Output	Выходной сигнал
Andn	n-входовой вентиль «И», n = 2, 3, …
Orn	n-входовой вентиль «ИЛИ», n = 2, 3,…
Nandn	n-входовой вентиль «И-НЕ», n = 2, 3,…
Norn	n-входовой вентиль «ИЛИ-НЕ», n = 2, 3,…
xor	Двухвходовой вентиль «исключающее или»
xorn	n-входовой вентиль «исключающее или», n = 3, 4, 8
Not	Инвертор
Dff	D-триггер
Jkff	JK-триггер
Wire	Повторитель (позволяет дать цепи другое имя)

4.2

Выбираем нужные символы (согласно заданию и рисуем схему)

- Двойным щелчком мыши по символу можно задать ему другое имя

- Чтобы задать имя цепи нужно выделить её и нажать Shift, после чего можно писать имя (Только латиницей)

- Имена выходов давать в соответствии с номером задания (Например y1, y2, y3, y4)

5. Компиляция проекта

Выбираем Processing->Start compilation

Дожидаемся окончания компиляции и убеждаемся в отсутствии ошибок

(warring игнорируем)

6. Симуляция проекта

6.1.

File->New

Выбираем пункт University Program VWF

6.2. Добавление входов и выходов

Рис. Waveform Editor после вставки входов-выходов

6.3 Настройка отображения значений группы входов, как Беззнаковое десятичное (Для красоты)

Выделить группу входов и нажать правую кнопку мыши

6.4 Задание тестовых воздействий

Нажимаем кнопку Count Value (См рисунок)

6.5. Выбор симулятора

По умолчанию в Quartus, в качестве симулятора, выбран ModelSim, который не установлен в компьютерном классе, поэтому следует выполнить следующие действия для установки штатного средства моделирования.

Simulation->Options

Выбрать Quartus II Simulator и нажать OK

Нажать OK

6.6. Запуск Симуляции

Ждём окончания и проверяем

7 Показать результат преподавателю, получить отлично и пойти в столовую..