Московский государственный институт электроники и математики (Технический университет) Курсовая работа ” Разработка блока управления спец. компьютера” по курсу “Схемотехника ЭВМ” Вариант 10 Выполнил: Студент группы С-61 Москва 2010 Содержание … 2 Аннотация … 3 Постановка задачи … 4 Анализ современного состояния интегральных схем … 6
Введение … 9 Разработка принципиальной схемы генератора чисел … 10 Проектирование JK-триггера …. 10 Проектирование счётчика и преобразователя кода … 14 Проектирование схемы памяти … 18 Проектирование регистров … 21 Проектирование схемы сравнения … 21 Проектирование D-триггера … 24 Разработка схемы блокировки … 26 Анализ технических параметров … 28
Выводы по работе …. 29 Список литературы … 30 Аннотация Ключевые слова Схема, блок управления, спец-ЭВМ, схемотехнический базис, логический базис, КМОП, генератор чисел, память, программируемая логическая матрица, регистры, счётчик, преобразователь кода, блокировка, сравнение, задержка, потребляемая мощность, триггер, дизъюнктивная бистабильная ячейка, вентиль, команда, логические цепи, информация. Краткое содержание
В данной курсовой работе осуществляется поэтапное проектирование блока управления спец-ЭВМ. Среди этапов выделены: • проектирование генератора чисел; 1. проектирование выбранного для реализации триггера; 2. проектирование счётчика; 3. проектирование преобразователя кода; • проектирование памяти; • проектирование регистровой части; 1. проектирование схемы сравнения;
2. проектирование схемы блокировки; После каждого из этапов проектирования осуществляется тестирование с помощью программы T-Spice Pro v02. Также с помощью выбранной программы из графиков определяются технические параметры (задержка, потребляемая мощность). После осуществляется анализ технических параметров разработанного блока управления спец-ЭВМ. Постановка задачи. Разработать блок управления спец. компьютером, по алгоритму, который описывается
схемой: Формат команды: Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Y9 Y10 код типа Адрес первого Адрес второго передачи операнда операнда Программа, реализуемая блоком управления, содержит набор команд: А = ( а1,а2 aN ) где: N – число команд в программе, ai – номер команды, хранимой в ПЛМ. В ПЛМ (или другой схеме памяти) на 4 входа и 10 выходов записана следующая информация:
Y1=Mi1(m1i1, m2i1,…………mk1i1) Y2=Mi2(m1i2, m2i2,…………mk2i2) …. …. Y10=Mi10(m1i10, m2i10,…………mk1i10) где: Mij – множество номеров минтермов (m), входящих в j-ю функцию выхода ПЛМ (или другой схемы памяти). Выбранная из ПЛМ команда должна поступать в первый регистр (РГ1). Первые два разряда команды определяют последующую передачу информации: если первые два разряда выбранной
команды Y1, Y2 совпадают с содержимым регистра типа передачи (РГТП) или другой схемы, выполняющей функцию сравнения, то содержащиеся в первом регистре РГ1 адреса двух операндов ( УЗ ÷У10 ) поступают во второй регистр РГ2, в противном случае эта информация подается в третий регистр РГЗ. Массивы минтермов: M1 = (0,2,З,5,7,8,10,12) М2 = (6,7,8,13,14,15) М3 = (0,1,3,5,8,14,15) М4 = (5,9,11,14,15)
М5 = (3,4,6,8,10,12,14) М6 = (2,4,6,8,11,13,15) М7 = (2,4,6,8,10,12,13,14) М8 = (1,7,8,9,10,13,14) М9 = (2,3,4,7,8,9,15) М10 = (1,7,8,9,10,13,15) М11 = (4,7,9,11,12,13,15) М12 = (3,4,6,7,10,11,13,14) М13 = (9,11,13,14,15,) М14 = (0,2,4,7,8,9,13,14) М15 = (2,6,8,10,11,12) М16 = (0,1,3,7,9,11) Последовательность номеров команд:
A = (1,2,3,6,8,4,3,12,13,6,15,13,8,9) Описание ПЛМ: М=(11,6,8,9,12,14,5,4,1,2) № X4 X3 X2 X1 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Y9 Y10 M11 M6 M8 M9 M12 M14 M5 M4 M1 M1 Анализ современного состояния интегральных схем КМОП (К-
МОП; комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник; КМДП[1]; англ. CMOS, Complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor) — технология построения электронных схем. В технологии КМОП используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости. Отличительной особенностью схем КМОП по сравнению с биполярными технологиями (ТТЛ, ЭСЛ и др.) является очень малое энергопотребление в статическом режиме (в большинстве случаев можно
считать, что энергия потребляется только во время переключения состояний). Отличительной особенностью структуры КМОП по сравнению с другими МОП-структурами (N-МОП, P-МОП) является наличие как n так и p-канальных полевых транзисторов; как следствие, КМОП-схемы обладают более высоким быстродействием и меньшим энергопотреблением, однако при этом характеризуются более сложным технологическим процессом изготовления и меньшей плотностью упаковки.
Подавляющее большинство современных логических микросхем, в том числе, процессоров, используют схемотехнику КМОП. Схемы КМОП в 1963 изобрёл Фрэнк Вонлас (Frank Wanlass) из компании Fairchild Semiconductor, первые микросхемы по технологии КМОП были созданы в 1968. Долгое время КМОП рассматривалась как энергосберегающая, но медленная альтернатива ТТЛ, поэтому микросхемы КМОП нашли применение в электронных часах, калькуляторах и других устройствах
с батарейным питанием, где энергопотребление было критичным. К 1990 году с повышением степени интеграции микросхем встала проблема рассеивания энергии на элементах. В результате технология КМОП оказалась в выигрышном положении. Со временем была достигнута скорость переключения и плотность монтажа недостижимые в технологиях, основанных на биполярных транзисторах. Ранние КМОП-схемы были очень уязвимы к электростатическим разрядам.
Сейчас эта проблема в основном решена, но при монтаже КМОП-микросхем рекомендуется принимать меры по снятию электрических зарядов. Для изготовления затворов в КМОП-ячейках на ранних этапах применялся алюминий. Позже, в связи с появлением так называемой самосовмещённой технологии, которая предусматривала использование затвора не только как конструктивного элемента, но одновременно как маски при получении сток-истоковых
областей, в качестве затвора стали применять поликристаллический кремний. Серии логических КМОП-микросхем зарубежного производства • ● На КМОП-транзисторах (CMOS): • 4000 — CMOS с питанием от 3 до 15В, 200 нс; • 4000B — CMOS с питанием от 3 до 15В, 90 нс; • 74C — аналогична серии 4000B; • 74HC — Высокоскоростная CMOS, по скорости аналогична серии
LS, 12 нс; • 74HCT — Высокоскоростная, совместимая по выходам с биполярными сериями; • 74AC — Улучшенная CMOS, скорость в целом между сериями S и F; • 74ACT — Улучшенная CMOS, совместимая по выходам с биполярными сериями; • 74AHC — Улучшенная высокоскоростная CMOS, втрое быстрее HC; • 74AHCT — Улучшенная высокоскоростная CMOS, совместимая по выходам с биполярными сериями; • 74ALVC — с низким
напряжением питания (1,65 — 3,3В), время срабатывания 2 нс; • 74AUC — с низким напряжением питания (0.8 — 2,7В), время срабатывания
Vпит=3,3V,
5В-совместимые входы; • BiCMOS • 74BCT — BiCMOS, TTL-совместимые входы, используется для буферов; • 74ABT — Улучшенная BiCMOS, TTL-совместимые входы, быстрее ACT и BCT; Серии логических КМОП-микросхем отечественного производства • ● На КМОП-транзисторах (CMOS): • 164, 176 соответствуют серии 4000, но у 164 и 176 cерий напряжение питания 5 12 В (номинальное значение 9 В); • 561 и 564 — серии 4000A; • 1554 — серии 74AC; • 1561 — серии 4000B;
• 1564 — серии 74HC; • 1594 — серии 74ACT; • 5564 — серии 74HCT; Введение Специализированная часть реализована следующим образом: Генератор чисел построен на синхронных JK/R триггерах. Память выполнена на ПЛМ. Регистры построены на D триггерах. Разработка принципиальной схемы генератора чисел Проектирование
JK/R – триггера. C R J K Qn Qn+1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 &
#61655; 1 1 1 Полученные графики . Проектирование логической части генератора чисел A = (1,2,3,6,8,4,3,12,13,6,15,13,8,9) J3 K3 J2 K2 x x x x x x x x x x x x 1 1 x x x x x x x 1 x 1 x x x x 1 1 x x x x x
x x x x x x x J1 K1 J0 K0 x x x x x 1 x 1 1 x x x x x x 1 x x 1 x x x x x 1 x 1 1 1 x x 1 x 1 1 x x x x x 1 1 1 1 x x x x 1 1 1 1 x x x x X4 X3 X2 X1 1 x 1 x 1 1 x 1 1 x 1 x 1 x
x 1 x 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 № с.и. № минтерма Q3n Q2n Q1 n Q0 n Q3n+1 Q2 n+1 Q1 n+1 Q0 n+1 F3 J3 K3 F2 J2 K2 F1 J1 K1 F0 J0 K0 X4 X3 X2 X1 A 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 x 0 0 x 0 0 x ∆ 1 x 0 0 0 1 1 2 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0
x 0 0 x ∆ 1 x x 1 0 0 1 0 2 3 2 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 x 0 0 x 1 x 0 ∆ 1 x 0 0 1 1 3 4 3 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 x ∆ 1 x x 1 x 1 0 1 1 0 6 5 4 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 x 1 x 0 0 0 x ∆ 1 x 1 0 0 0 8 6 5 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 x 1 x 0 ∆ 1 x x 1 0 1 0 0 4 7 6 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 x 1 x 0 1 x 0 ∆ 1 x 0 0 1 1 3 8 7 0 1 1 1 1 0 0 0 ∆ 1 x x 1 x 1 x 1 1 1 0 0 12 9 8 1 0 0 0 1 0 0 1 1 x 0 0 0
x 0 0 x ∆ 1 x 1 1 0 1 13 10 9 1 0 0 1 1 0 1 0 1 x 0 0 0 x ∆ 1 x x 1 0 1 1 0 6 11 10 1 0 1 0 1 0 1 1 1 x 0 0 0 x 1 x 0 ∆ 1 x 1 1 1 1 15 12 11 1 0 1 1 1 1 0 0 1 x 0 ∆ 1 x x 1 x 1 1 1 0 1 13 13 12 1 1 0 0 1 1 0 1 1 x 0 1 x 0 0 0 x ∆ 1 x 1 0 0 0 8 14 13 1 1 0 1 0 0 0 0 x 1 x 1 0 0 x x 1 1 0 0 1 9 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x
J3 = K3 = J2 = K2 = J1 = K1 = J0 = 1 K0 = 1 X4 = X3 = X2 = X1 = J3 = K3 = J2 = K2 = J1 = K1 = J0 = 1 K0 = 1 X4 = X3 = X2 = X1 = Проектирование схемы памяти № X4 X3 X2 X1 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Y9 Y10 M11 M6 M8 M9 M12 M14 M5 M4 M1 M2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 3 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 4 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 5 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 6 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 7 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 8 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 9 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 10 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 11 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 12 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 13 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 14 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 15 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1
Y1 Y2 Y3 Y4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 &
#61655; 1 Y5 Y6 Y7 Y8 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Y9 Y10 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 . Проектирование схемы сравнения Y1 Y2 S1 S2 C2 C3 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1 1 1 С2 С3 . Проектирование D – триггера C D Qn Qn+1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 Полученные графики . Проектирование схемы блокировки. C Q F 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Схема блокировки работает следующим образом.
Когда на вход С подается 1, регистр открыт по выходу, когда 0 – закрыт Полученные графики . Функциональная схема регистра со схемой блокировки Анализ технических параметров Общая задержка схемы = задержка на генераторе чисел + схема памяти + схема сравнения + схема регистра со схемой блокировки. Общая потребляемая мощность схемы = мощность генератора чисел + мощность схемы памяти + схема сравнения + схема регистра со схемой блокировки.
Выводы по работе В процессе выполнения курсового проекта были решены следующие основные задачи: 1. Проработан теоретический материал по принципам работы основных устройств ЭВМ и различным САПР. 2. Был выбран схемотехнический базис для реализации устройств с учетом параметров технического задания. 3. Изучен словарный метод синтеза схем. 4. Разработано устройство управления спец-ЭВМ в соответствии с конкретным заданием.
5. Проверенна правильность работы разработанных схем и всего устройства в целом. Список литературы 1. Схемотехника ЭВМ. Методические указания по выполнению лабораторной “Проектирование и моделирование программируемых логических матриц (ПЛМ) с использованием программы TANNER T-SPICE PRO ” по курсу “Схемотехника ЭВМ”. / Моск. гос. ин-т электроники и математики; Сост.: Н.
К. Трубочкина. М 2007, 28с. 2. Схемотехника ЭВМ: Метод. указ. к курсовому проекту / Моск. гос. ин-т электроники и математики; Сост.: В.С. Жданов, Н.К. Трубочкина, Л.Е. Захарова, М 1997. 36с. 3. Трубочкина Н.К. Схемотехника ЭВМ. Учебное пособие – Моск. гос. ин-т электроники и математики. М 2008 257с.
4. Схемотехника ЭВМ. Методические указания по выполнению лабораторной “Моделирование МОП и КМОП схем с помощью программного пакета TANNER T-SPICE PRO” по курсу “Схемотехника ЭВМ”. / Моск. гос. ин-т электроники и математики; Сост.: Н.К. Трубочкина. М 2007, 19с. 5. http://chernykh.net/content/view/646/ 6. http://www.kit-e.ru/articles/circuit/200 7_4_196.php