Міністерство транспорту та зв’язку України

Українська державна академія залізничного транспорту

Кафедра СКС

СИНТЕЗ ДИСКРЕТНИХ ПРИСТРОЇВ

Пояснювальна записка і розрахунки

до курсового проекту з дисципліни

“Електроніка та мікросхемотехніка”

КПА 024.00.00

Перевірив ст. викл.

_______Л.В.Бушевська

Розробив студент

групи________________

спеціальність_________

_______

2008

УКРАЇНСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ ЗАЛІЗНИЧНОГО ТРАНСПОРТУ

Кафедра “Спеціалізовані комп’ютерні системи”

Завдання _____

до курсового проекту з “Електроніки та мікросхемотехніки”

(розділ “Теорія дискретних пристроїв”)

студент___________________________________________________

група_____________________________________________________

дата отримання завдання____________________________________

термін виконання завдання__________________________________

Тема проекту

__________________________________________________________

Початкові дані:

1. Комбінаційні схеми

1.1._______________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

1.2. Базиси: І-НІ; АБО-НІ; І-АБО-НІ;

комутатори : К₄-1, К₈-1, К₁₆-1,

шифратори та дешифратори.

2. Автомати із пам'яттю

2.1._______________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.2. Тригери: D, RS, , JK

додаткові елементи: І, АБО, НІ, І-НІ, АБО-НІ;

шифратори та дешифратори.

3. Індикація: світлодіоди, семисегментний індикатор;

адреса та зміст індикаційних повідомлень:

Зміст

Вступ…………………………………………………………………4

1. Синтез комбінаційних схем……………………………………..6

   1. Синтез комбінаційних схем в базисі Шефера…………………6

   2. Синтез комбінаційних схем на мультиплексорах…………….10

   3. Комбінаційні схеми……………………………………………. 14

   4. Індикація…………………………………………………………21

2. Автомати з пам’ттю……………………………………………...22

   1. АП 2 регістр зрушення вправо………………………………… 23

   2. АП 1 - двійковий лічильник по модулю 12…………………… 27

3. Опис структурної схеми пристрою, що розробляється………. 30

Висновок…………………………………………………………….. 31

Список використаної літератури……………………………………32

Додаток А

Вступ

У останні десятиліття минулого століття напрям розвитку комп'ютерної техніки визначався цілком однозначно. З моменту створення напівпровідникових інтегральних схем фактичні всі наукові дослідження цієї сфери були направлені на якісне поліпшення параметрів мікропроцесорної техніки і в першу чергу на збільшення щільності розміщення транзисторів, що є їх основним елементом. Але на рубежі століть технології виготовлення кремнієвих схем підійшли до принципового рубежу, за яким фізика макросвіту змінилася іншими закономірностями, оскільки розміри окремих елементів вже можна було порівнювати з величиною окремих атомів і молекул.

Один з варіантів розвитку комп'ютерів майбутнього - перехід до молекулярної обчислювальної техніки, окремі елементи якої повинні бути в десятки і навіть сотні разів менше нинішніх кремнієвих аналогів.

Молекулярний комп'ютер повинен успадкувати фундаментальні принципи побудови від нинішніх ПК. Для створення нового покоління обчислювальної техніки потрібно ще розробити нанорозмірні обчислювальні пристрої (фактично це молекулярні транзистори), пристрої пам'яті, сполучні провідники і технології склеювання всього цього в єдину систему. Кожна з цих проблем вже знайшла пропозиції по своєму рішенню, які в основному не годяться для вирішення прикладних завдань по створенню реальних обчислювальних машин. Життєздатні прототипи створені лише в рамках технології FMD ROM, яка, можливо, буде покладена в основу ПЗП молекулярного рівня.

Головним елементом, поява комерційної версії якого і розбудить початок нової ери комп'ютерної техніки, є молекулярний транзистор. У ідеалі цей прилад повинен складатися всього з однієї молекули, але навіть якщо транзистор виявиться немаленьким за розмірами, він все-таки дозволить збільшити щільність розміщення дискретних елементів на декілька порядків. Наприклад, навіть якщо розмір транзистора буде 10 нм (для порівняння: розмір атома 0,2-0,3 нм), то щільність розміщення зросте приблизно в сто разів в порівнянні з нинішніми мікропроцесорами. Якщо вірити найоптимістичнішим заявам учених, розмір транзистора може скласти і 1 нм, що в принципі допоможе виграти в щільності упаковки десять тисяч разів.

Поки найефективніші молекулярні транзистори реалізовані на основі фотохромних з'єднань, які можуть ізомеризуватися (змінювати свою структуру) в результаті електрохімічного окислення. Головне достоїнство такого перемикача - його фантастично висока стійкість (за мірками молекулярних комп'ютерних разів без помітного руйнування супрамолекулярной системи.

Ще один важливий орган комп'ютера нового покоління - пристрій, що запам'ятовує, місткість якого в тисячі і мільйони разів повинна бути вище за об'єми нинішніх аналогів. Передбачається, що роль окремого елементу гратиме одна або декілька молекул, які могли б знаходитися в одному з двох метастабільних станів (ось і визначаються 0 і 1). Переводити молекули з одного стану в інше можна, наприклад, за допомогою лазерного світла, електричного імпульсу, теплової або хімічної дії.

На думку експертів, і у молекулярного комп'ютера пам'ять ділитиметься на оперативну і постійну пам'ять, тому що вже запропоновані технології не можуть забезпечити одночасно тривале збереження інформації і короткий час відгуку. Відповідно, аналогом сучасною ОЗУ будуть молекулярні пристрої, які дозволять за найкоротший час записувати і прочитувати інформацію.

У наше прогресивне століття багато технологій по створенню окремих елементів молекулярних комп'ютерів - транзисторів або модулів пам'яті - можна вважати цілком успішними: кожний з них виконує поставлені завдання, тобто проводить логічні операції або зберігає записану інформацію.

Спецвипуск: Журнал Хакер, номер #055, стор. 055-064-6

1 Синтез комбінаційних схем

У пристроях залізничної автоматики і телемеханіки, зокрема мікропроцесорах, багато схем є комбінаційними. Під комбінаційними схемами розуміють логічні схеми, сигнал на виході яких в кожен момент часу однозначно визначається комбінацією вхідних сигналів в той же момент часу.

Методи аналізу і синтезу всіх к ласів дискретних автоматів будують на базі алгебри логіків. Функцію f(X₁, X₂ ..., Х_n) називають функцією алгебри логіки (ФАЛ), якщо вона, як і її змінні, може приймати тільки два значення: 0 і 1.

Реальні дискретні автомати мають кінцеве число входів, отже, число змінних у відповідних ФАЛ також звичайно. Оскільки змінні ФАЛ можуть приймати тільки два значення, область визначення будь-який ФАЛ кінцева.

1. Синтез комбінаційних схем в базисі Шефера

Функція, яку необхідно синтезувати в курсовій роботі, задана числовим способом і має вигляд:

F46 = {0,1, 4,8,14,15,16,17,20,21,22} х_1, х_2, x_3, х_4, х₅

Складання таблиці істинності для ФАЛ, що описує роботу проектованої логічної схеми.

Т

Таблиця 1

аблицю, в якій для всіх наборів змінних приводяться значення ФАЛ, називають таблицею істинності. По цьому пункту для початкової функції, заданої числовим способом побудуємо таблицю істинності, яка приведена в табл. 1.

№	Х1	Х2	Х3	Х4	Х5	F
0	0	0	0	0	0	1
1	0	0	0	0	1	1
2	0	0	0	1	0	0
3	0	0	0	1	1	0
4	0	0	1	0	0	1

№	Х1	Х2	Х3	Х4	Х5	F
5	0	0	1	0	1	0
6	0	0	1	1	0	0
7	0	0	1	1	1	0
8	0	1	0	0	0	1
9	0	1	0	0	1	0

№	Х1	Х2	Х3	Х4	Х5	F
10	0	1	0	1	0	0
11	0	1	0	1	1	0
12	0	1	1	0	0	0
13	0	1	1	0	1	0
14	0	1	1	1	0	1

№	Х1	Х2	Х3	Х4	Х5	F
21	1	0	1	0	1	1
22	1	0	1	1	0	1
23	1	0	1	1	1	0
24	1	1	0	0	0	0
25	1	1	0	0	1	0
26	1	1	0	1	0	0
27	1	1	0	1	1	0
28	1	1	1	0	0	0
29	1	1	1	0	1	0
30	1	1	1	1	0	0
31	1	1	1	1	1	0

15	0	1	1	1	1	1
16	1	0	0	0	0	1
17	1	0	0	0	1	1
18	1	0	0	1	0	0
19	1	0	0	1	1	0
20	1	0	1	0	0	1

С кладання математичної формули для ФАЛ, що описує роботу схеми, що синтезується. По таблиці істинності складемо СДН Ф, що є диз'юнкцією елементарних кон'юнкцій. Для цього випишемо з таблиці істинності ті рядки, на яких функція рівна “1”, причому змінна, що входить в набір записується в кон'юнкцію в прямій формі, якщо вона приймає значення 1 і в інверсній, якщо приймає значення “0”.

П о тій же таблиці істинності складемо СКНФ, що є кон'юнкцією елементарних диз'юнкцій для всіх рядків таблиці істинності, на яких функція рівна “0”. У елементарну диз'юнкцію змінна записується в прямій формі, якщо в даному наборі вона представлена як “0”, і в інверсній формі, якщо змінна представлена як “1”.

C метою побудови різних варіантів її математичного виразу і знаходження якнайкращого з них відповідно до того або іншого критерію, на цьому етапі проводиться мінімізація ФАЛ.

Мінімізацією називається процес скорочення числа операцій і змінних, що входять в аналітичний вираз для ФАЛ. У основі цього методу лежить операція склеювання. В результаті отримуємо мінімальну диз'юнктивну нормальну форму (МДНФ) або мінімальну кон'юнктивну нормальну форму (МКНФ). Щоб отримати МДНФ, необхідно по СДНФ заповнити карту Карно, і в підкуби об'єднувати “1”. Карта Карно, заповнена одиницями, приведена на рис 1.

Мінімізація ФАЛ проводиться у декілька етапів.

1). Для кліток карти Карно, що мають одного сусіда необхідно утворити 2-х клітинні підкуби. Підкубом називається сукупність 2i (i=1, 2, 3, 4 ...) сполучених кліток карти Карно. Підкуби можуть містити 1, 2, 3, 8, 16... кліток карти Карно.

2). З тих, що залишилися незадіяних “1” утворити непересічні підкуби максимально можливої розмірності. Розмірністю підкуба називається число вхідних в нього кліток.

3). Утворити пересічні підкуби максимально можливої розмірності.

4). Для окремих одиничних кліток, не задіяних в інші підкуби, утворити одноклітинні підкуби.

Рисунок 1 – Карта Карно з підкубами по одиницях

Аналітичний вираз для ФАЛ записується у вигляді диз'юнкції всіх внесків підкубів.

Fмднф=

Для того, щоб отримати МКНФ, необхідно по СКНФ заповнити карту Карно, і в підкуби об'єднувати по “0”. Заповнена карта Карно приведена на рисунок 2.

Рисунок 2 – Карта Карно з підкубами по нулях

Таким чином аналітичний вираз для ФАЛ записується у вигляді кон'юнкції всіх внесків підкубів і має такий вигляд:

Fмкнф = ( )( )( )( )( )

Для цього необхідно функцію МДНФ привести до базису Шефера. Щоб привести її до заданого базису скористаємося законом інверсії або інакше кажучи правилом Де Моргана.

( )( )( )( )

( )=x₄x₅x₁x₃x₁x₃x₅x₂x₃x₄x₁x₂x₃x₂x₃x₄x₅ (26ел. )

=

= (33ел. )

Побудуємо функцію МКНФ в базисі Шефера, тобто в базисі І-НІ, функціональна схема пристрою виконано на 2х вхідних елементах І-НІ.

Електрична схема містить мікросхем типу 555ЛА3 що містить 26 елементу І - НІ приведена на рис. 3

Рисунок 3