Лабораторная работа №4. Регистры

Цель работы: изучить временные диаграммы работы регистров, построенных по различным схемам.

Порядок выполнения работы

1 Изучите до начала выполнения лабораторной работы методики синтеза регистров.

2 Соберите схему проверки стандартного регистра, тип которого в зависимости от установленного варианта задания приведен в таблице 8.12.

Таблица 8.12 – Варианты заданий

Номер варианта	Тип регистра
	74174b
	74174b
	74174b

3 Создайте схему для исследования указанного по варианту регистра в САПР Quartus II.

На рисунке 8.13 в качестве примера приведена схема для исследования регистра 74174b.

Рисунок 8.13 – Схема исследования регистра 74174b

4 Исследуйте временные диаграммы работы регистра при произвольных фазовых соотношениях входных сигналов.

На рисунке 8.14 в качестве примера приведены временные диаграммы работы построенного регистра.

Рисунок 8.14 – Временные диаграммы работы регистра построенного на базовой микросхеме 74174b

5 Исследуйте и приведите в отчете назначение всех входов и выходов базовой микросхемы регистра.

6 Синтезируйте схему четырехразрядного регистра с учетом требований, приведенных в таблице 8.13.

Таблица 8.13 – Варианты заданий

№ варианта	Тип регистра	Триггер
	Параллельно-параллельный	dff
	Параллельно-последовательный	tff
	Последовательно-параллельный	jkff
	Последовательно-последовательный	dff
	Параллельно-параллельный	tff
	Параллельно-последовательный	jkff
	Последовательно-параллельный	dff
	Последовательно-последовательный	tff
	Параллельно-параллельный	jkff
	Параллельно-последовательный	dff
	Последовательно-параллельный	dff
	Последовательно-последовательный	tff
Примечание. Базовый триггер обязательно должен входить в состав разрабатываемого регистра. Допускается дополнительно использовать любые типы логических микросхем

7 Создайте схему проверки синтезированного регистра.

На рисунке 8.15 в качестве примера приведена схема проверки трехразрядного параллельно-последовательного регистра построенного на триггерах jkff.

 

 

Рисунок 8.15 – Схема проверки трехразрядного параллельно-последовательного регистра построенного на триггерах jkff

8 Исследуйте временные диаграммы работы построенного регистра при произвольных фазовых соотношениях входных сигналов.

На рисунке 8.16 в качестве примера приведены временные диаграммы работы трехразрядного параллельно-последовательного регистра построенного на триггерах jkff.

Рисунок 8.16 – Временные диаграммы трехразрядного параллельно-последовательного регистра построенного на триггерах jkff

8.5.2 Контрольные вопросы

1 Дайте определение регистра.

2 Принципы построения регистров.

3 Классификация регистров.

4 Основные параметры регистров.

5 Приведите схему и диаграммы работы, а также дайте краткую характеристику (укажите преимущества, недостатки, особенности работы) регистров следующих типов:

a) параллельные регистры на основе RS- триггеров;

b) параллельные регистры на основе D- триггеров. Какие D- триггеры (динамические или статические) рекомендуется использовать и почему?

c) последовательные регистры на основе JK- триггеров. Укажите требования к временным параметрам;

d) последовательные регистры на основе D- триггеров. Укажите требования к временным параметрам;

e) последовательно-параллельные регистры на основе JK- триггеров;

f) последовательно-параллельные регистры на основе D- триггеров;

g) параллельно-последовательные регистры на основе JK- триггеров;

h) параллельно-последовательные регистры на основе D- триггеров.

6 Универсальный регистр.

Лабораторная работа №5. Комбинированные устройства

Цель работы: разработать устройство, состоящее из нескольких компонентов и проверить его работоспособность.

Порядок выполнения работы

1 Изучите до начала выполнения лабораторной работы методики построения цифровых автоматов, комбинационных и последовательных устройств.

2 Изучите методику построения и использования компонентов в САПР Quartus II. Разрабатываемое устройство будет состоять из трех компонентов: конечного автомата, последовательного и комбинационного устройства.

3 Соберите схему первого компонента устройства – комбинационной схемы, в соответствии с вариантом задания, приведенным в таблице 8.14.

Таблица 8.14– Варианты заданий

Номер варианта	Входы	Реализуемая функция
	А, B, C, D	(A or B and C) xor D
	А, B, C, D	(A and B or nC) or D
	А, B, C, D	A xor B and C or D
	А, B, C, D	(A or nB) and (C or D)
	А, B, C, D	nA or (B and C xor D)
	А, B, C, D	(nA or nB or C) and D
	А, B, C, D	A and nB or C and D
	А, B, C, D	A and nB or C and nD
	А, B, C, D	nA and nB xor nC and D
	А, B, C, D	(A or nB) or (nC or D)
	А, B, C, D	nA and (nB and nC xor D)
	А, B, C, D	(A and nB and C) or D

Разработанный компонент должен иметь 4 входа и один выход. Выходная функция должна реализовывать функцию от четырех аргументов в соответствии с вариантом.

4 Исследуйте и приведите в отчете временные диаграммы работы компонента при произвольных фазовых соотношениях входных сигналов.

5 Создайте условное графическое обозначение созданного компонента для применения его в проекте, для чего выполните команду: Create/Update/Create Symbol Files for Current File.

6 Соберите схему второго компонента устройства – конечного автомата
(c наложением) в соответствии с вариантом задания, приведенным в таблице 8.15.

Таблица 8.15 – Варианты заданий

Номер варианта	Вход установки	Метод создания	Тип автомата	Последовательность
	Асинхронный		Мура
	Низкий активный уровень		Мили
	Высокий активный уровень		Мура
	Синхронный		Мили
	Низкий активный уровень		Мура
	Высокий активный уровень		Мили
	Асинхронный		Мура
	Синхронный		Мили
	Высокий активный уровень		Мура
	Асинхронный		Мили
	Синхронный		Мура
	Низкий активный уровень		Мили
Примечание – Методам создания конечного автомата условно присвоены номера: – 1 – создание в графическом редакторе; – 2 – разработка с помощью State Machine Wizard

Автомат должен определять искомую последовательность и выдавать логическую «1» в случае ее обнаружения.

Рассмотрим пример создания в графическом редакторе конечного автомата, который выделяет последовательность 110:

Для создания цифрового автомата в САПР Quartus II с применением графического редактора следует выполнить следующие операции:

– создайте новый проект;

– откройте новый файл State Machine File (вкладка Design Files);

– введите в таблицы входных и выходных контактов необходимые сигналы и их имена (см. рисунок 8.17);

 

Рисунок 8.17 – Таблицы входных и выходных контактов

– определите во вкладке General окна State Table вид синхронизации сигнала установки (res) и его активный уровень (см. рисунок 8.18);

Рисунок 8.18 – Таблица параметров сигнала синхронизации

– укажите состояния цифрового автомата и дуги переходов между ними;

– укажите на дугах переходов выражения, определяющие условия переходов между состояниями цифрового автомата (см. рисунок 8.19);

 

Рисунок 8.19 – Диаграмма состояний цифрового автомата

– определите во вкладках Outputs и Actions окна State Table алгоритм формирования выходного сигнала (см. рисунок 8.20);

Рисунок 8.20 – Таблицы параметров выходного сигнала

– укажите в окне Generate Others Files тип файла для автоматического создания условного графического обозначения цифрового автомата. Для выбора окна щелкните правой кнопкой “мыши” в любом месте графического редактора. Щелкните левой кнопкой “мыши” на кнопке “OK” (см. рисунок 8.21);

Рисунок 8.21 – Окно выбора автоматического создания УГО

– укажите язык VHDL для описания цифрового автомата (см. рисунок 8.22);

Рисунок 8.22 – Таблица выбора языка описания

– выполните автоматическую компиляцию описания цифрового автомата на языке VHDL;

– проверьте и откорректируйте, при необходимости, описание цифрового автомата;

– выполните компиляцию проекта;

– проверьте работоспособность цифрового автомата по результатам анализа временных диаграмм (см. рисунок 8.23).

 

Рисунок 8.23 – Временные диаграммы работы цифрового автомата

 

Для создания цифрового автомата в САПР Quartus II с применением мастера создания цифровых автоматов следует выполнить следующие операции:

– создайте новый проект;

– откройте новый файл State Machine File (вкладка Design Files);

– запустите State Machine Wizard;

– выберите в диалоговом окне «State Machine Wizard» опцию «Create a new state machine design»; (см. рисунок 8.24)

 

Рисунок 8.24 – Таблица выбора создания нового автомата

– выберите на первой странице тип автомата (Synchronous или Asynchronous), активный уровень сигнала Reset и тип выходного контакта (Register) (см. рисунок 8.25);

 

Рисунок 8.25 – Таблица выбора параметров автомата

– укажите в таблице имена состояний цифрового автомата и входных контактов, а также условия переходов между состояниями цифрового автомата (см. рисунок 8.26);

 

Рисунок 8.26 – Таблица выбора сигналов и состояний цифрового автомата

– определите алгоритм формирования выходного сигнала(см. рисунок 8.27);

Рисунок 8.27 – Таблица выбора алгоритм формирования выходного сигнала

 

 

– проконтролируйте правильность ввода имен состояний, а также входных и выходных контактов (см. рисунок 8.28);

 

Рисунок 8.28 – Таблица контроля состояний, входных и выходных
сигналов цифрового автомата

– проконтролируйте диаграмму состояний цифрового автомата (см. рисунок 8.29);

Рисунок 8.29 – Диаграмма состояний цифрового автомата

– укажите тип файла для автоматического создания условного графического обозначения цифрового автомата и язык VHDL для его описания;

– выполните автоматическую компиляцию описания цифрового автомата на языке VHDL;

– проверьте и откорректируйте, при необходимости, описание цифрового автомата;

– выполните компиляцию проекта;

– проверьте работоспособность цифрового автомата по результатам анализа временных диаграмм.

6 Исследуйте и приведите в отчете временные диаграммы работы разработанного автомата при произвольных фазовых соотношениях входных сигналов.

7 Соберите схему счетчика в соответствии с вариантом задания, приведенным в таблице 8.16.

 

Таблица 8.16– Варианты заданий

Номер варианта	Коэффициент пересчета	Тип триггера
		jkff
		dff
		jkff
		dff
		dff
		jkff
		dff
		jkff
		dff
		tff
		dff
		jkff

Разрабатываемый счетчик должен содержать один счетный вход и один выход. Выход счетчика должен сигнализировать о достижении требуемого коэффициента пересчета выдачей сигнала с уровнем логической единицы.

8 Исследуйте и приведите в отчете временные диаграммы работы разработанного счетчика и проверьте правильность его функционирования.

9 Соберите схему из трех созданных компонентов, соединенных в следующей последовательности: комбинационное устройство, конечный автомат, последовательное устройство (см. рисунок 8.30).

Рисунок 8.30 – Схема комбинированного устройства

10 Исследуйте и приведите в отчете временные диаграммы работы разработанного устройства и проверьте правильность его функционирования (см. рисунок 8.31).

Рисунок 8.31 – Временные диаграммы работы комбинированного устройства

8.6.2 Контрольные вопросы

1 Дайте определение автомата.

2 Какие виды автоматов вы знаете?

3 Дайте определение комбинационного устройства. Приведите примеры.

4 Какое устройство называется последовательным? Примеры.

5 Какими способами можно создать условное графическое обозначение компонента в САПР Quartus II?