Проектирование узлов цифровой электронной техники

Проектирование узлов  цифровой электронной техники

П79 Методические указания к выполнению домашних заданий по курсу электротехники и          электроники /И.А. Ломов, В.Н. Ата­манов, А.Б. Красовский и др. — М.: Изд-во МГТУ   им. Н.Э. Баумана, 2002. - 48 с.: ил.

ISBN 5-7038-2062-6

Приведены варианты домашних заданий по проектированию комбина­ционного и последователъностного устройств цифровой электроники, а так­же по проектированию микропроцессорной системы. Представлены правила проектирования, справочные материалы и примеры выполнения заданий.

Для студентов механико-технологических специальностей.

Табл. 3. Ил. 21. Библиогр. 8 назв.

УДК 681.321

 ББК 32.973.2

Рекомендуемые материалы

Игорь Александрович Ломов

Валерий Николаевич Атаманов

Александр Борисович Красовский

Анатолий Владимирович Лукашев

Виктор Семенович Семенов

ПРОЕКТИРОВАНИЕ УЗЛОВ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Редактор О.М. Королева

 Корректор И.Е. Мелентьева

Подписано в печать 5.06.02. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печ. л. 3,0.

 Усл. печ. л. 2,79. Уч.-изд. л. 2,65. Тираж 1000 экз. Изд. № 61. Заказ 180т

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.

107005, Москва, 2-я Бауманская, 5.

ISBN 5-7038-2062-6.                                                                                              МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшим средством построения автоматов, управляющих различными техническими и технологическими процессами, яв­ляется электронная техника. Большими возможностями обладает цифровая электронная техника, оперирующая с представлением информации в виде цифровых электрических сигналов.

Основу элементной базы современной цифровой электронной техники составляют интегральные микросхемы (ИС) — типовые узлы, обладающие определенными функциональными свойства­ми. Такая элементная база определяет подход к разработке элект­ронных устройств, как к совокупности отдельных функциональ­ных узлов.

Рассматриваемые в домашних заданиях комбинационное и последовательностное устройства на ИС малой и средней степени интеграции, а также микропроцессорная система являются основ­ными типами объединения микросхем, отвечающих функцио­нальным потребностям автоматов управления процессами.

Цель выполнения домашних заданий — ознакомление на прак­тике с проектированием типовых устройств цифровой электрон­ной техники. В работе представлены данные из каталогов для цифровых микросхем, приведены правила выполнения работ по проектированию и основные требования к оформлению конст­рукторской документации.

Третье домашнее задание заключается в проектировании мик­ропроцессорной системы в программной ее части. Система долж­на обладать функциональными свойствами, заданными в первом и втором заданиях.

1. ЗАДАНИЯ

Задание 1. Спроектировать комбинационное устройство цифровой электронной техники для автомата управления техно­логической операцией.

На вход устройства поступают однозарядные сигналы A3, X2, XI от датчиков. На выходе устройства формируется сигнал Р, ис­пользуемый для управления некоторым исполнительным меха­низмом. Значение Р =1 соответствует сочетаниям входных сигна­лов Х3, X2, XI, десятичные коды которых указаны в приложении (таблицы вариантов заданий). Для остальных сочетаний Р = 0.

При выполнении задания необходимо:

1. Изобразить проектируемое устройство как функциональный блок, указать входные и выходные сигналы. Составить таблицу истинности связи сигналов. Записать соответствующее логическое уравнение в совершенной дизъюнктивной нормальной форме (СДНФ).

2. Минимизировать логическое уравнение. Рассчитать по это­му уравнению значение Р для всех сочетаний входных сигналов. Изобразить логическую схему проектируемого устройства.

3. Перевести минимизированное уравнение в базис И—НЕ. На основе этого уравнения построить схему электрическую принци­пиальную.

4. Определить быстродействие проектируемого устройства.

5. Разработать печатную плату и выполнить ее чертеж.

Задание 2. Спроектировать последовательностное устрой­ство цифровой электронной техники для автомата управления технологическим процессом.

Последовательностное устройство — счетчик с произвольным порядком счета. На его вход сначала подается сигнал начальной установки НУ, затем импульсы С, переводящие счетчик в после­дующие состояния. Выходными сигналами устройства являются Q3, Q2 и Q1. Их значения определяют положение (включенное и отключенное) трех органов производственного автомата на каж­дом такте выполнения технологической операции.

Последовательность сочетаний сигналов Q3, Q2, QI как деся­тичных кодов задана в таблицах вариантов заданий. Первое соче­тание должно устанавливаться после сигнала начальной установ­ки.

При выполнении задания необходимо:

1. Изобразить проектируемое устройство как функциональный блок, указать входные и выходные сигналы. Составить таблицу со­стояний проектируемого устройства, в которой будут представле­ны входные и выходные сигналы. Обосновать количество необходимых для построения триггеров JK или D, как указано в таблицах вариантов заданий.

2. Выполнить проектирование, для чего построить таблицу пе­реходов счетчика и таблицу управляющих сигналов триггеров. Осуществить минимизацию для построения комбинационных схем управления триггерами.

3. Записать уравнения функционирования счетчика.

4. Рассчитать по уравнениям и представить в таблице значения входных и выходных сигналив триггеров после сигнала начальной установки и всех заданных импульсов перехода к последующим состояниям. Построить соответствующие графики.

5. Изготовить комплект конструкторской документации на проектируемое устройство как на сборочную единицу: специфи­кация, сборочный чертеж, схема электрическая принципиальная, чертеж платы.

Задание 3.Спроектировать микропроцессорную систему, реализующую функциональные свойства комбинационного и последовательностного устройств, согласно заданиям 1 и 2.

Программу выполнения команд микропроцессором построить по следующему алгоритму. Сигнал НУ принять в качестве сигнала начала выполнения программы. При начальной инициализации в микропроцессорной системе подать на выход исходный сигнал — слово Q. Далее в бесконечном цикле опрашивать входные сигналы X, компиляцией минимизированного логического уравнения вы­рабатывать сигнал Р и подать его на выход.

Прием сигнала С (см. задание 2) осуществить как прием запро­са на прерывание. Если сигнал С установлен, то интерпретацией выдать очередное сочетание сигналов Q по таблице состояний. После выполнения последнего сочетания Q остановить микро­процессор.

При выполнении задания необходимо:

1.  Изобразить условное обозначение микропроцессорной сис­темы как функционального блока, распределив сигналы НУ, С, X. Р и Q по входам в микропроцессор и портам ввода-вывода. Соста­вить таблицу истинности связи Р(Х) и таблицу состояний сигна­лов Q.

Указать необходимую для выполнения задания конфигурацию микропроцессорной системы: какие БИС должны в нее входить.

Записать распределение каналов А, Б и С БИС КР580ВВ55 как портов для ввода или вывода. Указать используемые биты для сиг­налов X, Р, Q.

Записать распределение адресов в микропроцессорной систе­ме для постоянной и оперативной памяти.

Объявить дно стековой области памяти. Указать регистр мик­ропроцессора, в котором будет осуществляться счет состояний выходных сигналов Q.

Все эти принятые решения отразить в алгоритме при инициа­лизации микропроцессорной системы.

2.  Составить алгоритм команд микропроцессора для выполне­ния заданного исходного алгоритма.

3.  Записать программу на языке ассемблера. Выполнить ее трансляцию в коды команд.

4. Рассчитать быстродействие выработки сигнала Р(Х) и выда­чи сигналов Q после приема запроса на прерывание.

5. Начертить схему электрическую принципиальную микро­процессорной системы.

6. Составить таблицу кодирования ППЗУ. Указать объем программы в байтах.

2. ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

Электрические схемы (их несколько видов) определены ГОСТ 2.701—84. Схема электрическая принципиальная включает в себя все применяемые в рассматриваемом устройстве электричес­кие элементы и линии связи между ними. Правила ее выполнения описаны в ГОСТ 2.702-75. Электрические схемы для устройства цифровой электронной техники, кроме того, представлены в ГОСТ 2.751-73.

Выполнение схемы электрической принципиальной завершает этап электротехнического проектирования и служит основой для составления конструкторской документации на проектируемое изделие.

В электрической схеме применяемые изделия указывают в ус­ловных графических обозначениях (УГО). Если они для включен­ного и отключенного состояний различны, то в схеме их указыва­ют для отключенного состояния. Условные графические обозна­чения элементов и их размеры определены стандартами ЕСКД; УГО изделий цифровой электронной техники — ГОСТ 2.743—82. Некоторые из них приведены в табл. 1.

Таблица 1

Условные графические изображения

Допускается все обозначения пропорционально уменьшать или увеличивать, поворачивать на угол 90° или изображать зер­кально повернутым по отношению к изображению, приведенному в стандарте.

Всем элементам схемы присваивают позиционные обозначе­ния по ГОСТ 2.710—81. Например, R — резистор, С — конденсатор, S— ключ, X— разъем, V— полупроводниковый прибор, DA — мик­росхема аналоговая, DD — микросхема цифровая, логическая. По­зиционное обозначение указывает на вид элемента и содержит его порядковый номер в схеме, например DD5.

Порядковые номера присваивают, начиная с единицы, после­довательно для элементов преимущественно слева направо и сверху вниз. Позиционные обозначения проставляют на схеме около условного обозначения элемента над ним или с правой сто­роны.

Линии связи между элементами должны состоять, как прави­ло, из горизонтальных и вертикальных отрезков с расстоянием между ними не менее 3 мм. Количество изломов и пересечений должно быть минимальным. Рекомендуемая толщина линий связи и графических обозначений составляет 0,3 — 0,4 мм.

Рис. 1

Рис. 2

Если линии связи затрудняют чтение схемы, их можно обо­рвать, закончив стрелкой. При этом необходимо указать обозначе­ние или наименование, присвоенное этой линии, или вывода эле­мента.

При изображении схем цифровой электронной техники по ГОСТ 2.751—73 используются линии групповой связи. Они обо­значают группу линий связи, не соединенных между собой элект­рически. Эти линии выполняют вдвое толще одиночных линий

связи. Каждой линии, входящей в линию групповой связи, на обо­их концах, а при разветвлении на всех концах, присваивают оди­наковый номер.

Все линии схемы подразумеваются как входные и выходные. Для схемы в целом входные линии изображают с левой стороны листа или сверху; выходные — на правой стороне или внизу. Для элементов преимущественно входные — слева, выходные — спра­ва.

Условные графические обозначения элементов цифровых электронных устройств и обозначения их выводов приведены в табл. 1. Примеры изображения их по каталогу представлены на рис. 1 и 2.

Все надписи на чертеже схемы, на линиях связи, около услов­ных графических обозначений и внутри них выполняют основным шрифтом по ГОСТ 2.304-81.

Схема электрическая принципиальная должна сопровождаться перечнем элементов по ГОСТ 2.702—75. При большом числе эле­ментов перечень элементов представляет собой текстовый доку­мент. Перечень элементов можно указывать в виде таблицы на са­мом чертеже схемы электрической принципиальной. Часто это де­лают как сопроводительную надпись к чертежу схемы внизу или справа. В перечне элементов указывают позиционное обозначе­ние, номер по каталогу и наименование. Если этих элементов два и более, указывают количество элементов.

3. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА

При проектировании устройств промышленной автоматики наиболее часто применяют микросхемы ТТЛ серии 155. Основные электрические параметры микросхем ТТЛ: высокий уровень сиг­нала — в интервале значений от 2,4 до 5,0 В, низкий — не более 0,4 В. Входной ток низкого уровня составляет +1,6 мА, высоко­го —0,04 мА. Выходной ток низкого уровня до —1,6 мА, высокого уровня — не определен. Коэффициент разветвления по выходу ра­вен 10. Потребляемая мощность Р_потр, микросхемами указана в табл. 2. Напряжение питания составляет 5,0 В ±10 %. Время задер­жки t _зр прохождения фронта сигнала через один элемент соответ­ствующих микросхем также указано в табл. 2.

Таблица 2

Потребляемая мощность и время задержки

 распространения сигнала ИС

Микросхемы серии 155: ЛА1, ЛА2, ЛАЗ, ЛА4, ЛИ1, ЛЛ1, ЛЕ1, ЛЕ4, ЛН2, ЛП5, ЛР1, ЛР4, ТМ2, ТВ1 выполняют в четырнадцати-выводном корпусе 201.14. Выводы ИС нумеруют относительно ключа - выемки в корпусе; на виде сверху - против часовой стрелки. Чертеж корпуса 201.14 приведен на рис. 3.

Рис. 3

Напряжение питания +5 В подключают к выводу 14. Вывод 7 является общим как для минуса напряжения питания, так и для всех напряжений передачи сигналов.

Микросхемы ТМ8 и ТВ 15 выполнены в шестнадцативыводном корпусе 201.16: 16 — вывод +5 В, 8 — общий.

Для электрического соединения элементов, расположенных на печатной плате, с внешними устройствами применяют соедините­ли, которые также являются стандартными элементами.

При выполнении заданий рекомендуется использовать со­единитель РМ-В-вилка, уста­навливаемый на плате. Его внут­ренние выводы располагаются в отверстиях платы под корпусом соединителя. Шаг равен 2,5 мм (рис. 4).

4. ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА

Основным конструкцион­ным узлом электронных прибо­ров и устройств является плата. Термины по печатным платам определены ГОСТ 20406-75. Общие технические условия описаны в ГОСТ 23752-79. Пе­чатная плата как конструкция — это пластина с установленными на ней микросхемами, резисто­рами, соединителями и др. Их

выводы соединяются между собой проводниковыми дорожками в соответствии со схемой электрической принципиальной.

Печатная плата как деталь — это пластина изолирующего мате­риала с отверстиями под устанавливаемые элементы. Размеры между отверстиями кратные шагу выводов микросхем. Отверстия располагаются в центре контактных площадок, которые, как пра­вило, имеют круглую форму. На обеих сторонах платы располага­ются удерживающиеся на клею медные проводниковые дорожки. Они соединяют эти контактные площадки между собой по элект­рической схеме.

Технологически процесс изготовления печатной платы — дета­ли заключается в обработке исходной изоляционной пластины с нанесенными по обеим сторонам сплошными медными листами. Машинным способом на медные поверхности по конфигурации площадок и дорожек наносится защитный слой краски. Далее пластина проходит травление в растворе кислоты. При этом вся медь, кроме защищенной краской, переходит в раствор. В даль­нейшем краска удаляется и сверлением выполняются отверстия.

Существуют и другие конструкции и технологии изготовления плат. Сборочная операция изготовления платы-конструкции заключается в установке элементов, установке проводников в пере­ходные отверстия с одной стороны на другую и соединении пай­кой их выводов с контактными площадками.

5. КОНСТРУКТОРСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ

Комплект конструкторской документации на плату как сбо­рочную единицу должен отвечать требованиям ЕСКД.

На стадии разработки рабочей документации обязательными по ГОСТ 2.102.68 являются документы: чертежи деталей, сбороч­ный чертеж и спецификация. Чертеж схемы электрической прин­ципиальной включают в комплект при проектировании устройств, имеющих электрическую часть, как это предусмотрено заданиями.

Основные правила выполнения чертежей печатных плат опре­делены ГОСТ 2.417-78.

Размеры каждой стороны печатной платы по ГОСТ 10317—79 должны быть кратными: 2,5 мм при длине до 100 мм; 5 мм при длине до 350 мм; 10 мм при длине до 470 мм. Соотношение разме­ров сторон печатной платы должно быть не более 3:1. Допуски на линейные размеры предусматривают по ГОСТ 25346—82 и ГОСТ 25347—82. Соединитель может находиться на длинной или корот­кой стороне.

Чертеж рекомендуется выполнять в масштабе 2:1. Для двухсто­ронних плат указывают две проекции. Одну из них помечают как сторону расположения элементов соответствующей надписью над изображением. Для указания размещений отверстий и проводни­ковых дорожек поле печатной платы на каждой из проекций по­крывают тонкими линиями прямоугольной координатной сетки. Шаг равен 2,5 мм. Линии нумеруют от левого нижнего угла сторо­ны расположения элементов.

Отверстия располагают только в узлах координатной сетки. Ориентировка микросхем горизонтальная или вертикальная.

На оборотной стороне контактную площадку первого вывода микросхемы выполняют, например, прямоугольной формы, в от­личие от остальных, которые имеют круглую форму.

Около расположения микросхем указывают их наименования по схеме электрической принципиальной. Надписи наносят крас­кой, как и дорожки при изготовлении платы.

Проводниковые дорожки в основном располагаются на обо­ротной стороне, преимущественно по линиям координатной сет­ки на свободном поле или под корпусами микросхем. Дорожки не могут пересекаться, но могут переходить с одной стороны на дру- гую. Для этого выполняется переходное отверстие с контактными площадками на обеих сторонах. Следует иметь в виду, что боль­шинство соединителей имеет конструкцию, допускающую пайку только с обратной стороны корпуса. Для микросхем такого огра­ничения нет.

Чертеж печатной платы сопровождается записью технических требований:

1. Шаг координатной сетки.

2. Диаметр и количество отверстий. Если отверстия разных диаметров, то и на чертеже и при записи в технических требованиях их указывают в условном обозначении — частичным затушевыва­нием.

3. Способы выполнения надписей на плате по ГОСТ 2.417—78.
Примечание. Чертеж печатной платы по заданию 1 указан на рис. 9, задания 2 - на рис. 17, а и 17, б.

Сборочный чертеж на плату отражает взаимное расположение микросхем, соединителя и других возможных элементов. В изоб­ражениях микросхем указывают расположение ключа. Все эле­менты и печатная плата, как деталь, должны иметь указания пози­ций, наносимых вне поля изделия. Около элементов микросхем указывают их позиционные обозначения по схеме электрической принципиальной, предусмотренные в чертеже платы-детали.

На чертеже проставляют габаритные размеры.

Примечание. Сборочный чертеж по расчетам, приведенным в задании 2, пока­зан на рис. 16.

Спецификация, как один из документов конструкторской до­кументации, определена ГОСТ 2.108—68.

В графу "Поз" вносят позиции элементов и деталей сборочно­го чертежа.

В графу "Обозначение" вносят обозначения изделий и соот­ветствующих им чертежей по ГОСТ 2.201—80. Они имеют буквен­но-цифровой код с разделительными точками. Допустимо обозна­чение: ФН7.2. 000000.001, отражающее индекс кафедры "Электро­техника и промышленная электроника", индекс читаемого курса и первый порядковый регистрационный номер. Обозначению сборочного чертежа присваивают индекс СБ, схемы электричес­кой принципиальной — ЭЗ, спецификации — СП.

В графе "Примечания" указывают дополнительную информа­цию, в частности, позиционные обозначения по схеме электри­ческой принципиальной.

Примечание. Пример выполнения спецификации по заданию 2 указан на рис.15.

6. ПРИМЕРЫ ОФОРМЛЕНИЯ ЗАДАНИЙ 1 и 2

Отчет по заданию должен быть выполнен в виде расчетно-пояснительной записки с этапами проектирования и содержать чер­тежи схем, конструкторскую документацию.

В записке необходимо указать текст задания, условно изобра­зить проектируемое устройство как функциональный блок с ука­занием входных и выходных сигналов. Записать таблицу связи этих сигналов. Далее следует представить описание этапов выпол­нения работы.

Задание 1. Спроектировать комбинационное устройство цифровой электронной техники для автомата управления техно­логической операцией.

На входы комбинационного устройства поступают входные сигналы от трех датчиков. На выходе формируется выходной сиг­нал Р, равный 1 при десятичных кодах входных величин 0, 2, 3, 7. При остальных кодах Р = 0.

1. Представление проектируемого устройства как функцио­нального блока. Проектируемое комбинационное устройство как функциональный блок с указанием входных и выходных сигналов и таблица истинности их связи указаны на рис. 5.

                   

                     Таблица

                         истинности

Рис. 5

Логическое уравнение, связывающее входные и выходные сиг­налы в СДНФ, имеет вид

 (1)

2.Минимизация логического уравнения. Для выполнения тождественных преобразований, приводящих логическое уравне­ние в СДНФ к минимизированной дизъюнктивной нормальной форме (ДНФ), используют карту Карно — Вейча.

В карте по адресам ее ячеек расставляют нули и единицы из таблицы истинности. Соседние единицы объединяются. Объеди­нения могут охватывать 2, 4 и 8 ячеек. Одна и та же единица может входить в несколько объединений. Чем объединений меньше и чем они крупнее, тем эффективней минимизация.

В минимизированное уравнение вместо элементарных конъюнкций СДНФ записы­ваются конъюнкции адресов объединений и элементарные конъюнкции единиц, объединить которые не удалось.

Карта Карно — Вейча, соответствующая таблице истинности, показана на рис. 6.

Используя' карту, получим минимизи­рованное логическое уравнение, описывав­шее заданную логическую связь между входными и выходными сигналами. Оно оказывается в базисе НЕ, И, ИЛИ:

(2)

             Рис. 6             Логическая схема, реализующая полученное минимизированное    уравнение, приведена на рис. 7, а. Расчет значений вы­ходных сигналов по минимизированному уравнению представлен на рис. 7, б.

Логическая схема                         Расчет Р(Х)

                                                       а                                           б

Рис. 7

3. Построение схемы электрической принципиальной.

Устройство может выполняться на любых приведенных в ката­логах электронной промышленности микросхемах. Желательно, чтобы их количество было минимальным и обеспечивало заданное функционирование устройства. При небольшом числе элементов в логической схеме такой результат дает перевод их в единый ба­зис.

Выполним схему на основе уравнения в базисе И—НЕ.

Преобразуем минимизированное уравнение, вводя двойную инверсию и пользуясь теоремой де Моргана:

(3)

Схема электрическая принципиальная, реализующая преобра­зованное логическое уравнение в базисе И—НЕ, представлена на рис. 8.

Схема электрическая принципиальная

Рис. 8

4. Расчет быстродействия комбинационного устройства. Быст­родействие проектируемого устройства оценивается временем за­держки распространения фронта сигнала от входов до выхода. Оно зависит как от времени задержки сигнала в каждом элементе при­меняемых микросхем, так и от времени переходного процесса за­ряда — разряда емкости проводов связи между элементами. Указанное в табл. 2 время задержки для каждого элемента соответ­ствующих микросхем определяет некоторое их конструктивное расположение на плате (эти значения ориентировочные).

Возможно различное число элементов в разных путях распрос­транения сигнала от входов до выхода. В этом случае время задер­жки устройства оценивают суммой задержек на отдельных эле­ментах по пути с наибольшим их числом. В проектируемом уст­ройстве (см. рис. 8) входной сигнал проходит по линии, включаю­щей в себя три последовательно соединенных логических элемента К155ЛАЗ, следовательно, можно записать

                 (4)

5. Выполнение чертежа печатной платы. Чертеж печатной пла­ты, реализующей схему электрическую принципиальную, пред­ставлен на рис. 9.

Задание 2. Спроектировать последовательностное устрой­ство — счетчик с произвольным порядком счета для использова­ния в автомате управления технологическим процессом.

Входные сигналы: НУ — начальная установка и С — переход к очередному состоянию.

Выходные сигналы: Q3, Q2, Q1. Десятичные коды последова­тельности выходных сигналов Q равны: 1,0,3,2,6,7,5. Первый код указывает исходное состояние выходов.

Счетчик должен осуществлять циклический счет в соответ­ствии с заданной последовательностью выходных сигналов.

1. Представление проектируемого устройства как функцио­нального блока. Проектируемое последовательностное устройство как функциональный блок и заданная таблица состояний указаны на рис. 10.

Заданное устройство должно иметь семь состояний. Выбрать два триггера нельзя, так как они обеспечат только четыре состоя­ния. Три триггера обеспечивают до восьми состояний. Выбираем для построения 3 JK триггера.

2. Проектирование с использованием табличного метода. Таб­лицу переходов счетчика строят на основе заданной таблицы со­стояний. В ней каждому состоянию сигналов Q3, Q2 и Q1в строку записывают их переходы к последующему состоянию.

Для заданной таблицы состояний (см. рис. 10) таблица перехо­дов указана на рис. 11.

Таблица переходов позволяет построить таблицу управляющих сигналов, применяемых в проектируемом устройстве триггеров.

Сторона расположения элементов

Рис. 9

                                                 Таблица состояний

              

Рис. 10

Таблица переходов

Характ.табл. JK-mpuггepa      Характ.табл. D-триггера

                  

Таблица управляющих сигналов триггеров

Рис. 11

Для этого используют характеристические таблицы триггеров JK или D (см, рис. 11). Эти таблицы описывают свойства управляемо­сти триггеров: какие необходимо подать управляющие сигналы, чтобы обеспечить необходимый переход. Звездочкой помечены сигналы 0 или 1, в любом случае обеспечивающие переход.

Таблица управляющих сигналов триггеров проектируемого счетчика также указана на рис. И. В ней вместо переходов табли­цы записаны соответствующие управляющие сигналы, обеспечи­вающие эти переходы. Таблица управляющих сигналов является таблицей истинности комбинационных схем выработки сигналов J и К для каждого из триггеров по сигналам Q (см. рис. 11).

Для трех входных сигналов таблица истинности, а соответ­ственно и карта Карно — Вейча должны иметь восемь строк и во­семь ячеек. Не используемое в управлении автоматом состояние в картах для минимизации, в данном случае сочетание 100, также помечено звездочкой. Никогда не возникающее состояние можно записать как 1 и использовать его для более эффективной мини­мизации. Соответствующие карты указаны на рис. 12.

3. Представление уравнений функционирования счетчика:

Выбираем микросхемы триггеров К155ТВ15 — два, JK тригге­ра. По результатам минимизации строим схему электрическую принципиальную (рис. 13). Так как она входит в комплект конст­рукторской документации, ее необходимо соответствующим обра­зом оформить.

4. Расчет значений входных и выходных сигналов. Значения сигналов Q, J и К после сигнала начальной установки и по сигналам перехода к последующим состояниям рассчитаны по уравне­ниям функционирования счетчика. Результаты расчета сведены в таблицу и представлены на рис. 14. Соответствующие графики изображены на том же рисунке.

Быстродействие счетчика как время задержки от поступления на вход соответствующего фронта сигнала С до установления сиг­нала Q может быть рассчитано по данным табл. 2 и по схеме элект­рической принципиальной.

Рис. 12

Рис. 13

Сигнала Q,J,K no тактам

Рис. 14

В данном задании предполагается, что такты поступления сиг­нала С перехода к новому состоянию определяются интервалами времени, необходимыми для выполнения технологических опера­ций в установке, т.е. составляют порядка единиц или десятков се­кунд. Они несоизмеримо больше времени задержки прохождения сигнала в электронном устройстве. Поэтому в графиках (см. рис. 14) время задержки принято равным нулю.

5.Комплект конструкторской документации включает в себя: спецификацию, сборочный чертеж, схему электрическую принци­пиальную и чертеж печатной платы. Спецификация для разрабо­танного последовательностного устройства приведена на рис. 15; сборочный чертеж - на рис. 16; чертеж печатной платы — на рис. 17.

Рис. 15

Рис. 16

Сторона расположения элементов

Рис. 17, а

Рис. 17, б

7. УКАЗАНИЕ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАДАНИЯ 3

Микропроцессорная система, выполняющая обработку сигна­лов, согласно заданиям 1 и 2, в целом как функциональный блок представлена на рис. 18. Таблица истинности Р(Х) определяет со­ответствующее минимизированное уравнение (2). Таблица после­довательности состояний сигналов Q представлена на рис. 10.

                                                                                                Таблица             Таблица

                                                                             истинности         состояний

Рис. 18

Задание 3 состоит в проектировании микропроцессорной сис­темы в программной ее части. Составить программу — это запи­сать последовательность команд для действий микропроцессора.

Нужно ввести через один из портов установленные внешними устройствами сигналы. Применяя пересылки, сдвиговые и логи­ческие операции выполнить в младшем разряде действия согласно уравнению (2). Полученный результат выдать через другой порт на выход. Такой подход к составлению программы называют компи­ляцией.

Можно в некоторую область памяти заранее записать таблицу выходных сигналов для всех сочетаний входных. Программу дей­ствия составить как нахождение необходимой строки этой табли­цы по входному сигналу. Такой подход называют интерпретацией. Выяснить, какой подход лучше, можно по критериям быстродей­ствия и объема программы.

Бесконечный цикл выполнения для микропроцессорных про­грамм является основным. При этом можно ввести цикл ожида­ния прихода сигнала, разрешающего выполнить некоторые дей­ствия.

Перед написанием программы необходимо составить ее алго­ритм. Вначале следует изобразить исходный алгоритм, в котором записать блоки задания — что нужно сделать. Далее его детализи­руют до уровня отдельных команд. Такой алгоритм уже указывает последовательность команд — как выполнить задание.

На основе алгоритма написать программу. Оптимальный вари­ант для данного задания — написать программу на языке ассемб­лера. Затем она транслируется в коды — байты команд.

Для расчета быстродействия при написании программы необ­ходимо ввести графу, в которую нужно записывать количество тактов, необходимых микропроцессору на выполнение каждой команды.

С точки зрения программирующего, микропроцессор — это набор регистров и счетчиков. Для микропроцессора КРБ80ВМ80 — это восьмиразрядные регистры A, F, В, С, D, E, H, L, a PC — про­граммный счетчик и SP — указатель стека являются шестнадцати­разрядными счетчиками (рис. 19). Действия над их содержимым определяются командами.

В списке команд этого микропроцессора их 244. Почти все действия выполняются в арифметико-логическом устройстве (АЛ У). Всеми операциями управляет первичный управляющий автомат (ПУА) в непрерывающемся переходе от выполнения од­ной команды к следующей. Составленную программу как после­довательность байтов следует записывать в память. Если она неиз­менная, то ее байты записывают в постоянную память, выполнен­ную на БИС ППЗУ. Такие микропроцессорные системы называют контроллерами.

После импульсного сигнала СБР программный счетчик обну­ляется, т.е. PC = 0000H Начинается выполнение программы. Со­держание PC появляется на магистрали адресов и сопровождается соответствующим сигналом чтения памяти от системного кон­троллера (рис. 20). Первый байт передается из БИС памяти в мик­ропроцессор и выполняется.

В процессе выполнения команд при обработке каждого их байта кроме основных действий происходит увеличение содержа­ния программного счетчика на единицу. Так подготовляется адрес для выборки следующего байта в двух- или трехбайтных командах или байта следующей команды. Выполняется линейный алгоритм построения программы.

Существуют команды занесения в PC адреса, указываемого в составе самой команды. Она оказывается в этом случае трехбайтной. По этим командам выполняются заданные алгоритмом пере­ходы по программе, в частности организуются циклы.

Фиксированные, заранее известные адреса можно занести в PC командами RSTN, где N от 0 до 7. Эти команды однобайтовые. Их удобно использовать при прерываниях.

Прерывания инициируются внешним устройством, подающим на микропроцессор сигнал запроса прерывания (ЗПР). Приняв запрос на прерывание, микропроцессор после завершения выпол­нения текущей команды должен получить код команды RSTN. Выполняя ее, он перейдет к реализации фрагмента программы, обслуживающего это прерывание, который записан с соответству­ющего адреса памяти.

Необходимая команда RSTN подготовляется аппаратно. В ал­горитме программы ее нет. В состав микропроцессорной системы вводится регистр прерывания, в котором записывается код этой команды. Приняв сигнал ЗПР, микропроцессор через системный контроллер сигналом подтверждения прерывания (ППР) выводит выход этого регистра из высокоомного состояния. Содержащийся в нем код поступает по магистрали данных в микропроцессор и команда выполняется.

Программа обслуживания прерываний завершается командой RET, возвращающей микропроцессор к выполнению прерванной программы.

После сигнала СБР и приема сигнала ЗПР прерывания запре­щены, т.е. не будут восприняты микропроцессором. Существуют команды, разрешающие и запрещающие прерывания.

Условные ветвления в алгоритме программы — это переходы по указываемому в команде адресу в соответствии со значением ДА флага. По значению НЕТ команда условного перехода игнори­руется, т.е. выполняется только PC — PC + 1.

Флагами являются отдельные разряды регистра флагов F. Фла­ги устанавливаются при выполнении команд, влияющих на них. Каждый из флагов фиксирует значение одного из признаков вы­ходного сигнала АЛУ после выполнения команды (см. рис. 19). Например, флаг Zнулевого результата равен единице, если выход­ной сигнал данных нулевой по всем восьми разрядам, и Z= 0, если сигнал не нулевой. Флаг СУ является по существу девятым разря­дом выходного сигнала АЛУ. Его значение СУ = 1 указывает на переполнение разрядной сетки при выполнении операции сумми­рования, либо принимает значение бита, попадающего в него при выполнении сдвиговой операции. Если команда не влияет на фла­ги, то их значения сохраняются.

Рис. 19

Рис. 20, а

Рис. 20, б

Запись данных в оперативную память микропроцессорной си­стемы и их считывание может осуществляться командами с непос­редственным указанием любого из адресов ОЗУ. Для обращения к оперативной памяти также можно использовать стековую ее орга­низацию. Стековая область памяти — это, как правило, последние адреса реально используемых БИС оперативной памяти. Запись и считывание в эту область происходит по текущему содержанию указателя стека SP.

Такое использование оперативной памяти организует доступ к ячейкам памяти при записи и считывании только по очереди. Реа­лизуется принцип: первым вошел при записи, последним вый­дешь при считывании. Это программно более компактно, а при выполнении программы реализуется с большим быстродействием.

Каждая команда характеризуется: кодом команды — 1 байт (первый байт двух- или трехбайтных команд), общим количеством байт в команде, мнемоническим описанием команды, являющим­ся ее названием, описанием выполняемых по этой команде дей­ствий, влиянием на флаги и количеством тактов выполнения ко­манды. При выполнении команды ее код, полученный микропро­цессором по магистрали данных, устанавливается на входе пер­вичного управляющего автомата. По тактам с частотой 2 МГц этот автомат выдает сигналы, управляющие всеми операциями в мик­ропроцессоре. При этом выполняются действия, определенные этой командой.

Схема электрическая принципиальная микропроцессорной системы на основе комплекта БИС КР580 в конфигурации, соот­ветствующей поставленной в задании задаче управления, пред­ставлена на рис. 20.

БИС ГФ24 - генератор, ВМ80 - микропроцессор, ВК38 - сис­темный контроллер образуют процессор управляющей системы. Реальные возможности такого процессора шире требуемых для выполнения задания, поэтому есть неиспользуемые выводы этих БИС. Они на схеме не указаны.

В условных обозначениях всех микросхем не указаны номера выводов.

Память в системе образуется двумя БИС. Постоянная память для записи программ выполнена на БИС КР556РТ17 — ППЗУ с пережигаемыми перемычками, организация 512x8. Оперативная память для записи и считывания промежуточных данных выпол­нена на БИС КР535РУ8 - ОЗУ с организацией 1Кх8. Для ее акти­визации в качестве сигнала ВМ используется бит адресного сигна­ла А9.

 RLC

RAL

RRC

RAR

Рис. 21

Для ввода и вывода данных из микропроцессорной системы используется БИС ВВ55 — интерфейс ввода-вывода. После вклю­чения напряжения питания по сигналу СБР все внутренние регис­тры этой БИС обнуляются. Для начала работы по передаче данных ее каналы А, В и С, обладающие свойствами двунаправленных ре­гистров, необходимо настроить на направление передачи. Занесе­ние в РУС — регистр управляющего слова (порт 03) слова данных 98Я настраивают канал А (порт 00) на ввод, канал В (порт 01) на вывод, младшие четыре бита канала С (порт 02) на вывод, стар­шие — на ввод.

При обращении к ВВ55 по адресному сигналу и соответствую­щим сигналам ЧТВВ или ЗПВВ она активизируется сигналом ВМ, образуемым их конъюнкцией.

В качестве регистра прерывания использован регистр ИР82. На его входе, как указано на рис. 21, образован код команды RST4. В каждом конкретном случае составления программы необходимо выбрать наиболее подходящую команду RSTN и в схеме указать образование ее кода.

Внешний сигнал начальной установки воспринимается как СБРВ — входной сброс, поступающий на генератор. В микропро­цессор он попадает синхронизированным с тактовыми сигналами.

Таблица кодирования ППЗУ — это перечень полученных в ре­зультате трансляции байтов команд с указанием адресов, по кото­рым они располагаются.

Таблица формируется по строкам, указывающим адрес перво­го в строке байта, затем самих байтов, которых в строке 16. Эти ад­реса, так же как и байты, выражаются числами в шестнадцатеричной системе счета: 0000, 0010, 0020, 0030 и т.д.

Объем программы в байтах указывается десятичным числом.

8. КОМАНДЫ МИКРОПРОЦЕССОРА КР580ВМ80

При описании команд используются обозначения (табл. 3):

N(**) — порт ввода или вывода, фактически адресный сигнал, 1 байт;

D8 — операнд двухбайтной команды, записывается програм­мирующим как некоторое число, 1 байт;

D16 — операнд трехбайтной команды, записывается програм­мирующим;

D8CT — старший байт;

D8MJI — младший байт;

ADR — адрес в составе трехбайтной команды, 2 байта;

R — регистр;

RP — регистровая пара ВС, DE, HL;

PSW — слово состояния, фактически регистровая пара AF;

M(RP) — ячейка памяти микропроцессорной системы, адрес которой находится в RP.

Таблица 3

ОПИСАНИЕ КОМАНД

Продолжение табл. 3

Продолжение табл. 3

Продолжение табл. 3

Окончание табл. 3

Приложение

Варианты заданий

Задание 1 на проектирование комбинационного устройства представлено набором цифр. Его выходной сигнал Р равен 1 при подаче на вход сигналов Х3, X1, X1, сочетание которых является двоичным кодом заданных цифр. Для остальных сочетаний вход­ных сигналов Р = 0.

Задание 2 на проектирование последовательностного устрой­ства также задано набором цифр и указанием, на основе какого типа триггера выполнять проектирование. Выходных сигналов ус­тройства три: Q3, Q1, Q1. Цифры задания указывают последова­тельность значений этих сигналов при переходах по сигналам С.

Вариант 1

Вариант 2

Вариант 3

Вариант 4

Вариант 5

Список рекомендуемой литературы

1. Сигорский В.П. Математический аппарат инженера. Киев: Техника, 1975. 766 с.

2. Интегральные микросхемы: Справочник /Б.В. Тарабрин, С.В. Якубовский, Н.А. Барканов и др.; Под ред. Б.В. Тарабрина.М.: Энергоатомиздат, 1985. 528 с.

Ещё посмотрите лекцию "26 Японцы в париже" по этой теме.

3. Зельдин Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в инфор­мационно-измерительной аппаратуре. Л.: Энергоатомиздат, 1986. 280 с.

4. Разработка и оформление конструкторской документации: Справочник РЭА /Э.Т. Романычева, А.К. Иванова, А.С. Куликов и др.; Под ред. Э.Т. Романычевой. М.: Радио и связь, 1989.448 с.

5. Токхейм Р. Основы цифровой электроники: Пер. с англ. М.: Мир, 1988. 392 с.

6. Каган Б.М., Сташин В.В. Основы проектирования микро­процессорных устройств автоматики. М.: Энергоатомиздат, 1987. 304с.

7. Щелкунов Н.Н., Дианов А.П. Микропроцессорные средства и системы. М.: Радио и связь, 1989. 288 с.

      8.ЛевентальЛ., Сейвилл У. Программирование на языке ассем­блера: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1987. 448 с.