Содержание

Введение……………………………………………………...3

Задание………………………………………………………..4

Теоретическая часть………………………………………….5-10

Практическая часть…………………………………………..

Заключение……………………………………………………11

Список использованной литературы………………………..12

Введение

Внедрение микропроцессорной, и вообще цифровой, техники в устройства управления промышленными объектами требует от специалистов самого различного профиля быстрого освоения этой области знания. В процессе разработки функциональных схем цифровых устройств отчетливо выделяются два характерных этапа. На первом этапе, который можно назвать структурным проектированием, заданный неформально алгоритм разработчик представляет в виде последовательности некоторых операторов, таких, как получение результата, счет, преобразование кода, передача информации. При этом он старается использовать ограниченный набор общепринятых операторов. При использовании этих операторов, как правило, алгоритм можно представить довольно небольшим их числом. Структура алгоритма становится обозримой, понятной, легко читаемой и однозначной. На основе полученной структуры алгоритма формулируются технические требования к схемам, реализующим отдельные операторы. По техническим требованиям в качестве функциональных узлов схемы можно применить либо готовые блоки в интегральном исполнении, либо, если таких микросхем в наличии нет, синтезировать их из более простых элементов. Подобный синтез первоначально производится при помощи алгебры логики, после чего по полученным функциям строится эквивалентная схема. Однако, как правило, синтезированные схемы хуже их аналогов в интегральном исполнении. К этому приводят следующие обстоятельства: большее время задержки, большие габариты, большее потребление энергии. Поэтому результативного проектирования цифровых устройств разработчик должен уметь: выбрать наиболее приемлемый вариант решения поставленной задачи, работать с алгеброй логики, знать основные цифровые элементы и уметь их применять, по возможности знать наиболее простые и распространенные алгоритмы решения основных задач. Знание наиболее распространенных инженерных приемов в проектировании устройств позволит в будущем сразу воспользоваться готовой схемой, не занимаясь бесполезной работой.

Задание.

Спроектировать цифровое устройство на базисе:

1) И-НЕ

2) дешифратора

3) мультиплексора

4) ПЛИСов

Интегральная микросхема - микроминиатюрное электронное устройство, элементы которого неразрывно связаны (объединены) конструктивно, технологически и электрически.

Уровни проектирования

Логический — логическая схема (логические инверторы, элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т. п.).

Схемо- и системотехнический уровень — схемо- и системотехнические схемы (триггеры, компараторы, шифраторы, дешифраторы, АЛУ и т. п.).

Электрический — принципиальная электрическая схема (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т. п.).

Физический — методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле.

Топологический — топологические фотошаблоны для производства.

Программный уровень — позволяет программисту программировать (для ПЛИС, микроконтроллеров и микропроцессоров) разрабатываемую модель используя виртуальную схему.

Для построения устройств автоматики и вычислительной техники широкое применение находят цифровые микросхемы серии К 155, которые изготавливают по стандартной технологии биполярных микросхем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Имеется свыше 100 наименований микросхем серии К 155. При всех своих преимуществах - высоком быстродействии, обширной номенклатуре, хорошей помехоустойчивости - эти микросхемы обладают большой потребляемой мощностью.

В данной курсовой работе рассмотрено проектирование на логическом элементе И-НЕ, дешифраторе, мультиплексоре и ПЛИСе.

Логическим элементом называется минимальная совокупность взаимосвязанных компонентов, выполняющая простые логические операции (действия) над входными сигналами. К таким операциям относятся, например, логическое сложение (элемент ИЛИ), логическое умножение (элемент И), отрицание или инверсия (элемент НЕ) и ряд других. Описать работу логического элемента - это значит выбрать способ задания зависимости его выходного сигнала от входных. А точнее - определить зависимость значений выходного сигнала от значений входных сигналов. Функционирование любой цифровой системы происходит в двоичной системе счисления, оперирующей только двумя цифрами: нуль (0) и единица (1). Принято “истинно” обозначать цифрой 1, “ложно” – цифрой 0.

Простые утверждения, объединенные логическими операциями, образуют сложные утверждения.

В алгебре логики известны три основные логические операции:

1. Логическое умножение (конъюнкция или операция И). Записывается как F = A /\ B, F = A·B, F = AB, читается – A и B. Операция обозначает, что сложное высказывание истинно лишь тогда, когда истинны все простые высказывания.

2. Логическое сложение (дизъюнкция или операция ИЛИ). Записывается как F = A \/ B, F = A+B, читается – F = A или B. Обозначает, что сложное высказывание истинно, если истинно хотя бы одно из простых высказываний, и тем более, если истинны оба.

3. Логическое отрицание (инверсия или операция НЕ). Записывается F = Ā , читается – F = “не” A. Операция обозначает, что сложное высказывание истинно, если простое ложно, и наоборот.

Таким образом, выполнение сколь угодно сложной логической операции может быть сведено к трем вышеперечисленным операциям. Следовательно, имея некоторые технические устройства, реализующие операции И, ИЛИ, НЕ, можно построить сколь угодно сложное цифровое устройство. Такие устройства называются соответственно логическими элементами И, ИЛИ, НЕ (рис. 1) и образуют основной базис или функционально полную систему логических элементов.

Рис. 1. Условное обозначение логических элементов на электрических схемах: И, ИЛИ, НЕ

При реализации цифровых устройств на интегральных микросхемах широко используются базисы И-НЕ или ИЛИ-НЕ. Для этого минимизированные логические функции путем преобразований приводятся к соответствующему виду.

Функция “штрих Шеффера” (другое название функции – логическая связь “И-НЕ”) – это функция двух или большего числа аргументов. Функция равна 1, если равен 0 хотя бы один из ее аргументов, функция равна 0 при равенстве всех аргументов 1.

Используя только ЛЭ “И-НЕ”, можно реализовать любую из логических функций (НЕ, И, ИЛИ), как показано на рис.

Рис.2

Функция “стрелка Пирса” – это функция двух или большего числа аргументов (другое название функции – логическая связь “ИЛИ-НЕ”). Данная функция является инверсией функции “ИЛИ”. ЛЭ “ИЛИ-НЕ” также, как и ЛЭ “И-НЕ” позволяет реализовывать

Рис.3

Дешифраторы. Это комбинационные схемы с несколькими входами и выходами, преобразующие код, подаваемый на входы в сигнал на одном из выходов. На выходе дешифратора появляется логическая единица, на остальных — логические нули, когда на входных шинах устанавливается двоичный код определённого числа или символа, то есть дешифратор расшифровывает число в двоичном, троичном или k-ичном коде, представляя его логической единицей на определённом выходе. Число входов дешифратора равно количеству разрядов поступающих двоичных, троичных или k-ичных чисел. Число выходов равно полному количеству различных двоичных, троичных или k-ичных чисел этой разрядности.

Для n-разрядов на входе, на выходе 2ⁿ, 3ⁿ или kⁿ. Чтобы вычислить, является ли поступившее на вход двоичное, троичное или k-ичное число известным ожидаемым, инвертируются пути в определённых разрядах этого числа. Затем выполняется конъюнкция всех разрядов преобразованного таким образом числа. Если результатом конъюнкции является логическая единица, значит на вход поступило известное ожидаемое число.

Мультиплексор - это устройство, которое осуществляет выборку одного из нескольких входов и подключает его к своему выходу, в зависимости от состояния двоичного кода. Другими словами, мультиплексор - переключатель сигналов, управляемый двоичным кодом и имеющий несколько входов и один выход. К выходу подключается тот вход, чей номер соответствует двоичному коду.

Программи́руемая логи́ческая интегра́льная схе́ма (ПЛИС, англ. programmable logic device, PLD) — электронный компонент, используемый создания цифровых интегральных схем. В отличие от обычных цифровых микросхем, логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задаётся посредством программирования (проектирования). Для программирования используются программаторы и отладочные среды, позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках описания аппаратуры: Verilog, VHDL, AHDL и др. ПЛИС широко используется для построения различных по сложности и по возможностям цифровых устройств. Это приложения, где необходимо большое количество портов ввода-вывода (бывают ПЛИС с более чем 1000 выводов («пинов»))

Программируемые логические матрицы - наиболее традиционный тип ПЛИС, имеющий программируемые матрицы "И" и "ИЛИ". В зарубежной литературе соответствующими этому классу аббревиатурами являются FPLA (Field Programmable Logic Array) и FPLS (Field Programmable Logic Sequensers).

Посторение ПЛМ основано на том, что любая комбинационная функция может быть представлена в виде логической суммы (операция ИЛИ) логических произведений (операций И). Недостаток такой архитектуры - слабое использование ресурсов программируемой матрицы "ИЛИ", поэтому дальнейшее развитие получили микросхемы, построенные по архитектуре программируемой матричной логики (PAL - Programmable Array Logic ) - это ПЛИС, имеющие программируемую матрицу "И" и фиксированную матрицу "ИЛИ". К этому классу относятся большинство современных ПЛИС небольшой степени интеграции.

Следующий традиционный тип ПЛИС - программируемая макрологика. Они содержат единственную программируемую матрицу "И-НЕ" или "ИЛИ-НЕ", но за счёт многочисленных инверсных обратных связей способны формировать сложные логические функции.