Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

В.а. большаков, В.А. МИКЛУШ

цифровая Схемотехника

Лабораторный практикум

(1-е издание)

Санкт-Петербург

2010

УДК 681.3

Большаков В.А., Миклуш В.А. Цифровая схемотехника. Лабораторный практикум. СПб.: Изд. РГГМУ, 2010. − с.

Рецензент: д.т.н., проф. ГЭТУ (ЛЭТИ)

В лабораторный практикум по цифровой схемотехнике включены лабораторные работы, выполняемые студентами гидрометеорологического университета, обучающимися по специальностям «Морские информационные системы и оборудование» и «Информационная безопасность телекоммуникационных систем.

Полный курс включает ______ лабораторных работ, в которых моделируются с помощью САПР ALTERA MAX+PLUS II и исследуются логические элементы, последовательностные и комбинационные логические устройства. Каждая работа содержит теоретическую часть, со сведениями, необходимыми для понимания изучаемого материала, подробную инструкцию по выполнению заданий и требования к содержанию отчета. Подробное описание работ позволяет использовать практикум для самостоятельного обучения основам моделирования цифровых устройств.

Большаков В.А., Миклуш В.А., 2010

Российский государственный гидрометеорологический университет (РГГМУ), 2010

Предисловие

Цифровая техника – наиболее прогрессивная и быстро развивающаяся отрасль современной электроники. Практически все современные автоматизированные устройства и системы содержат в себе элементы цифровой техники. Особенно важно знать эти средства специалистам в области информационной техники, основная элементная база которой цифровые интегральные микросхемы. Поэтому в курсе схемотехники студенты изучают теоретические основы цифровой электроники, общие принципы работы цифровых устройств и методы их проектирования.

Лабораторный практикум предназначен в первую очередь для закрепления знаний, получаемых в теоретической части курса и приобретения навыков исследования цифровых устройств на основе компьютерного моделирования. Он также может быть полезен для самостоятельного осваивания методов автоматизированного проектирования цифровых схем в среде ALTERA MAX+PLUS II.

Практикум ориентирован на последовательное освоение материала, начиная с моделирования простых комбинационных логических схем. Лабораторные работы апробированы в течение ряда лет и задания к ним подобраны с учетом содержания лекционного курса.

В лабораторных работ практикума моделируются и исследуются:

• Логические элементы

• Триггеры

• Регистры и счетчики

• Комбинационные устройства

Каждая работа содержит не менее_______ заданий. Задания подобраны так, чтобы за период прохождения лабораторного цикла были получены практические навыки работы со всеми основными цифровыми устройствами. Допускается также выполнение дополнительных индивидуальных заданий по указанию преподавателя. В начале каждой работы содержатся теоретические сведения и пояснения по ее выполнению.

Порядок выполнения и оформления работы

Выполнение каждой лабораторной работы состоит из нескольких этапов и должно начинаться с изучения задания и ознакомления с теоретическими сведениями, приведенными в описании работы. При выполнении каждого задания целесообразно составить алгоритм, включающий последовательность действий, необходимых для реализации проекта.

Лабораторные работы выполняются на компьютере и отчеты по ним представляются в электронном виде. Требования к содержанию отчетов указаны в текстах лабораторных работ. Отчет должен быть оформлен с соблюдением ГОСТ и иметь титульный лист. Материалы отчетов могут также распечатываться для их защиты при наличии принтера и расходных материалов к нему.

В верхней части титульного листа указывается название университета и кафедры. Затем название и номер лабораторной работы, номер группы и фамилии выполнивших ее студентов. В конце отчета следует привести перечень литературы, использованной при подготовке к лабораторной работе, ее выполнении и оформлении отчета.

Лабораторная работа № 1

Изучение системы логических элементов в ALTERA MAX+PLUS II.

Цель работы: получение навыков работы в системе автоматизированного проектирования цифровых устройств, среда ALTERA MAX+PLUS II; изучение работы логических элементов.

1. Основные положения

Архитектура цифровых устройств базируется на многократном повторении относительно простых базовых логических элементов. Связи между этими элементами строятся на основе формальных методов булевой алгебры (названой так по имени автора – английского математика Джорджа Буля, 1815 – 1864гг.) или алгебры логики. Эти методы достаточно просты и легко поддаются автоматизации при проектировании устройств.

В отличии от обычной алгебры булева алгебра оперирует с логическими переменными, которые могут иметь только два значения: логический нуль «0» и логическая единица «1».

В алгебре логики существуют три простейших операции (функции) над логическими переменными:

1. Логическое отрицание, или инверсия – изменяет значение логической переменной на противоположное значение. В булевых выражениях обозначается чертой над переменной: . В схемотехнике устройство, реализующее операцию отрицания, обозначается словом «NOT», в отечественном варианте «НЕТ». В таблице 1 приведены все возможные значения логического отрицания;

Таблица 1. Таблица истинности операции логического отрицания (инверсии).

Х	Y
0	1
1	0

2. Логическое умножение или конъюнкция. Выражение записывается следующим образом или или . Все возможные варианты логического умножения двух переменных приведены в таблице 2.

Таблица 2. Таблица истинности операции логического умножения (конъюнкции).

Х1	Х2	Y1
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

3. Логическое сложение или дизъюнкция. Выражение записывается следующим образом или . Все возможные варианты логического сложения двух переменных приведены в таблице 3.

Таблица 3. Таблица истинности операции логического сложения (дизъюнкции).

Х1	Х2	Y1
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

По существу рассмотренные переменные являются булевыми функциями. Первая от одной переменной, последние от двух переменных. Функции, так же как и переменные могут принимать только два значения – «1» и «0».

Не трудно убедиться путем перебора комбинаций, что для двух переменных существуют 16 функций таблица 4.

Таблица 4. Булевы функции двух переменных

Функция	Значение функции при:				Обозначение функции	Название функции
	Х1=0	Х1=0	Х1=1	Х1=1
	Х2=0	Х2=1	Х2=0	Х2=1
Y0	0	0	0	0	0	Константа 0
Y1	0	0	0	1	Х1Х2	Конъюнкция
Y2	0	0	1	0	Х1Х2	Запрет по Х2
Y3	0	0	1	1	Х1	Переменная Х1
Y4	0	1	0	0	Х2Х1	Запрет по Х1
Y5	0	1	0	1	Х2	Переменная Х2
Y6	0	1	1	0	Х1Х2	Исключающее ИЛИ
Y7	0	1	1	1	Х1+Х2	Дизъюнкция
Y8	1	0	0	0	Х1Х2	Стрелка Пирса
Y9	1	0	0	1	Х1 Х2	Эквивалентность
Y10	1	0	1	0		Отрицание Х2
Y11	1	0	1	1	Х2Х1	Импликация от Х2 к Х1
Y12	1	1	0	0		Отрицание Х1
Y13	1	1	0	1	Х1Х2	Импликация от Х1 к Х2
Y14	1	1	1	0	Х1/Х2	Штрих Шеффера
Y15	1	1	1	1	1	Константа 1

Для решения конкретных задач могут быть сконструированы новые булевы функции из других булевых функций с помощью суперпозиции. Она состоит в подстановке вместо аргументов других булевых функций. Такая подстановка возможна, так как булевы функции, как и переменные, могут принимать только значения «1» и «0».

В практике, наибольшее применение находят в первую очередь простейшие, а именно Y₁ – конъюнкция и Y₇ – дизъюнкция, а также еще три, полученные путем суперпозиции простейших:

• - исключающее ИЛИ(«сумма по модулю 2»);

• - штрих Шиффера («И-НЕ»);

• - стрелка Пирса («ИЛИ-НЕ»).

В современных условиях, для проектирования цифровых устройств на ПЛИС, разработчику достаточно знать условные обозначения элементов и их функции. Эти данные представлены в таблице 5.

Таблица 5. Схемные элементы, реализующие логические функции.

№ п/п	Название функции	Отечественный вариант		Пакет Quartus II
		Название элемента	Схемное обознчение	Название элемента	Схемное обознчение
	0	Общий корпус		gnd
	1	+5В, и т.п.		vcc
	Х	Повторитель		buf
	Инвертирование Х (НЕ)	НЕ		not
	Умножение (операция И)	2И, 3И, …		and2, and3, …
	Сложение (операция ИЛИ)	2ИЛИ, 3ИЛИ, …		or2, or3, …
	Исключающее ИЛИ			xor
	Умножение и отрицание (И-НЕ)	2И-НЕ, 3И-НЕ, …		nand2, nand3, …
	Сложение и отрицание (ИЛИ-НЕ)	2ИЛИ-НЕ, 3ИЛИ-НЕ, …		nor2, nor3, …

Прежде, чем реализовать требуемую функцию с помощью схемных элементов, логическое выражение, представляющее функцию, необходимо привести к виду с минимальным количеством операций. Для этого исходное выражение подвергают преобразованиям в соответствии с законами булевой алгебры. Эти законы, кроме 4 и 5 имеют две формы: для конъюнкции и дизъюнкции. Законы представлены ниже.

Конъюнкция Дизъюнкция

1. Коммутативный (переместительный) закон:

а) б)

2. Ассоциативный (сочетательный) закон:

а) б)

3. Закон повторения:

а) б)

4. Закон обращения:

Если Х₁=Х₂, то

5. Закон двойной инверсии:

6. Закон нулевого множества:

а) б)

7. Закон универсального множества:

а) б)

8. Закон дополнительности:

а) б)

9. Дистрибутивный (распределительный) закон:

а) б)

10. Закон поглощения:

а) б)

11. Закон склеивания:

а) б)

12. Закон инверсии (закон Де Моргана):\

а) б)

второй вариант:

а) б)

2. Краткое описание САПР MAX+PLUS II (Multiple MatriX Programmeble Logic   User   Systems).

Система автоматизированного проектирования MAX+PLUS II предназначена для автоматизированного проектирования логических и цифровых устройств на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) фирмы ALTERA. Проектирование логических и цифровых устройств включает в себя следующие основные этапы:

1. Описание устройства.

2. Компиляция проекта и логический синтез.

3. Тестирование разработанного устройства.

4. Программирование ПЛИС.

Описание проекта устройства в рамках изучаемой САПР, возможно, многими способами с помощью разнообразных редакторов: графического, символьного, текстового и др. В предлагаемом цикле лабораторных работ мы будем использовать в основном графический редактор. Файл с графическим описанием устройства имеет расширение *.gdf.

Компиляция проекта и логический синтез осуществляются автоматически без участия разработчика. Разработчик имеет возможность выбора из предлагаемого списка метода синтеза логического устройства с необходимой минимизацией его логической функции.

Для проверки функционирования разрабатываемого устройства и его тестирования в САПР MAX+PLUS II предусмотрен специальный редактор Waveform Editor , в котором создается файл тестирования с расширением *.scf.

После проверки на правильность функционирования разработчик имеет возможность записать программу в ПЛИС, используя программатор.

При разработке проекта имеется возможность использования различных типовых логических элементов - от примитивов до сложных функциональных узлов, хранящихся в соответствующих библиотеках.