Микропрограммный автомат на постоянном запоминающем устройстве для кодирования манчестерского кода

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УКРАИНЫ

"КИЕВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ"

КАФЕДРА КЭВА

Курсовая работа

по курсу: "Аналоговая и цифровая электроника"

"Микропрограммный автомат на ПЗУ для кодирования манчестерского кода"

Выполнил:

студент группы ДК-71

Феськов Д.А.

Проверил:

ст. пр. Собченко В.В.

Киев – 2010

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Теоретические сведения

1.1 Триггеры и Регистры

1.2 Мультиплексоры

1.3 ПЗУ

1.4 Микропрограммный автомат на ПЗУ

1.5 Код Манчестер-II

1.6 Протокол передачи данных

2. Структурная схема устройства

3. Симуляция схемы в САПР Altera Quartus II

Выводы

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

К настоящему времени наиболее совершенные принципы и средства взаимодействия человека с окружающим миром (технологии взаимодействия) обеспечила цифровая техника. Ее наименее избыточный алфавит – двухуровневые символы, которыми оказалось возможным представлять (кодировать) любую информация – привел к создания чрезвычайно точных, надежных, малогабаритных и функционально-наращиваемых устройств. Использование в цифровой технике двухсимвольного алфавита привело к созданию новых, исключительно эффективных методов передачи, хранения и преобразования сигналов, к новым средствам обработки информации – информационным технологиям (под этим словосочетанием понимают технологию обработки информации с использованием современных средств цифровой техники и ее вершины – вычислительной техники). Так родились основанные на новых принципах современные информационные технологии: связи (цифровая связь и цифровое телевидение), обнаружения (цифровая радиолокация и цифровая навигация), вычислений и автоматического управления (электронно-вычислительная техника), техники измерений и т.д.

Цифровая техника стоит на трех "китах". Первый "кит" - теорема о дискретизации. В этой теореме теоретически обоснована возможность получения цифрового эквивалента (цифрового образа) аналогового сигнала, хранить предавать и обрабатывать который оказалось значительно проще и точнее, чем осуществлять аналогичные действия над аналоговым сигналом. Второй "кит" - алгебра логики (булева алгебра). Алгебра логики позволила поставить анализ и синтез цифровых схем на прочных математический фундамент. Третий "кит" - импульсная техника, из которой цифровая техника заимствовала многие принципы, элементы и устройства.

Цифровые устройства обладают рядом преимуществ перед аналоговыми: огромная степень интеграции, составляющая сотни миллионов транзисторов в одной микросхеме, чрезвычайно низкая погрешность, малая зависимость от параметров окружающей среды.

Области применения цифровой техники поистине безграничны. К сказанному ранее можно добавить, что в настоящее время до 90 % всех разрабатываемых устройств – цифровые.

В данной работе предлагается к рассмотрению способ передачи данных на большие расстояния

Код Манчестер-II широко используется при передаче сигналов на большие расстояния, в частности, в локальных сетях.

1.                ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1 Триггеры и регистры

Триггеры и регистры являются простейшими представителями цифровых микросхем, имеющих внутреннюю память. Если выходные сигналы логических элементов и комбинационных микросхем однозначно определяются их текущими входными сигналами, то выходные сигналы микросхем с внутренней памятью зависят также еще и от того, какие входные сигналы и в какой последовательности поступали на них в прошлом, то есть они помнят предысторию поведения схемы. Именно поэтому их применение позволяет строить гораздо более сложные и интеллектуальные цифровые устройства, чем в случае простейших микросхем без памяти. Микросхемы с внутренней памятью называются еще последовательными или последовательностными, в отличие от комбинационных микросхем.

Триггеры и регистры сохраняют свою память только до тех пор, пока на них подается напряжение питания. Иначе говоря, их память относится к типу оперативной (в отличие от постоянной памяти и перепрограммируемой постоянной памяти, которым отключение питания не мешает сохранять информацию). После выключения питания и его последующего включения триггеры и регистры переходят в случайное состояние, то есть их выходные сигналы могут устанавливаться как в уровень логической единицы, так и в уровень логического нуля. Это необходимо учитывать при проектировании схем.

Большим преимуществом триггеров и регистров перед другими типами микросхем с памятью является их максимально высокое быстродействие (то есть минимальные времена задержек срабатывания и максимально высокая допустимая рабочая частота). Именно поэтому триггеры и регистры иногда называют также сверхоперативной памятью. Однако недостаток триггеров и регистров в том, что объем их внутренней памяти очень мал, они могут хранить только отдельные сигналы, биты (триггеры) или отдельные коды, байты, слова (регистры).

Триггер можно рассматривать как одноразрядную, а регистр — как многоразрядную ячейку памяти, которая состоит из нескольких триггеров, соединенных параллельно (обычный, параллельный регистр) или последовательно (сдвиговый регистр или, что то же самое, регистр сдвига).

В основе любого триггера (англ. — "тrigger" или "flip-flop") лежит схема из двух логических элементов, которые охвачены положительными обратными связями (то есть сигналы с выходов подаются на входы). В результате подобного включения схема может находиться в одном из двух устойчивых состояний, причем находиться сколь угодно долго, пока на нее подано напряжение питания.

Пример такой схемы (так называемой триггерной ячейки) на двух двухвходовых элементах И-НЕ представлен на рисунке 1.1.1. У схемы есть два инверсных входа: –R — сброс (от английского Reset), и –S — установка (от английского Set), а также два выхода: прямой выход Q и инверсный выход –Q.

Рисунок 1.1.1 – Схема триггерной ячейки

Для правильной работы схемы отрицательные импульсы должны поступать на ее входы не одновременно. Приход импульса на вход -R переводит выход -Q в состояние единицы, а так как сигнал -S при этом единичный, выход Q становится нулевым. Этот же сигнал Q поступает по цепи обратной связи на вход нижнего элемента. Поэтому даже после окончания импульса на входе -R состояние схемы не изменяется (на Q остается нуль, на -Q остается единица). Точно так же при приходе импульса на вход -S выход Q в единицу, а выход -Q — в нуль. Оба эти устойчивых состояния триггерной ячейки могут сохраняться сколь угодно долго, пока не придет очередной входной импульс, — иными словами, схема обладает памятью.

Если оба входных импульса придут строго одновременно, то в момент действия этих импульсов на обоих выходах будут единичные сигналы, а после окончания входных импульсов выходы случайным образом попадут в одно из двух устойчивых состояний. Точно так же случайным образом будет выбрано одно из двух устойчивых состояний триггерной ячейки при включении питания. Временная диаграмма работы триггерной ячейки показана на рисунке 1.1.1.

В стандартные серии цифровых микросхем входит несколько типов микросхем триггеров, различающихся методами управления, а также входными и выходными сигналами. На схемах триггеры обозначаются буквой Т. В отечественных сериях микросхем триггеры в зависимости от типа имеют наименование ТР (RS-триггер), ТВ (JK-триггер) и ТМ (D-триггер).

Самый распространенный D-триггер занимает, можно сказать, промежуточное положение между RS-триггером и JK-триггером. Помимо общих для всех триггеров входов установки и сброса –S и –R, он имеет один информационный вход D (вход данных) и один тактовый вход C. Примером может служить показанная на рисунке 1.1.2 микросхема ТМ2, содержащая в одном корпусе два D-триггера с прямыми и инверсными выходами. Таблица истинности D-триггера ТМ2 приведена в таблице 1.1.1.

Рисунок 1.1.2 – УГО и временные диаграммы D-триггера

Таблица 1.1.1 – Таблица истинности D-триггера

-S	-R	C	D		-
0	1	Ф	Ф	1	0
1	0	Ф	Ф	0	1
0	0	Ф	Ф	Ф	Ф
1	1		1	1	0
1	1		0	0	1
1	1	0	Ф	Q	Q
1	1	1	Ф	Q	Q
1	1	1→0	Ф	Q	Q

Тактируется триггер (то есть меняет свое состояние) по положительному фронту сигнала С (по его переходу из нуля в единицу) в зависимости от состояния входа данных D.

Регистры (англ. register) представляют собой, по сути, несколько D-триггеров (обычно от 4 до 16), соединенных между собой тем или иным способом. Поэтому принципиальной разницы между ними и отдельными D-триггерами не существует. Правда, триггеры, входящие в состав регистров, не имеют такого количества разнообразных управляющих входов, как одиночные триггеры.

На схемах регистры обозначаются буквами RG. В отечественных сериях микросхем регистрам соответствуют буквы ИР. Все регистры делятся на две большие группы: параллельные регистры; регистры сдвига (или сдвиговые регистры).

Существуют регистры и других типов, но они применяются гораздо реже, чем параллельные и сдвиговые, так как имеют узкоспециальное назначение.

В параллельных регистрах каждый из триггеров имеет свой независимый информационный вход (D) и свой независимый информационный выход. Тактовые входы (С) всех триггеров соединены между собой. В результате параллельный регистр представляет собой многоразрядный, многовходовый триггер.

В сдвиговых регистрах все триггеры соединены в последовательную цепочку (выход каждого предыдущего триггера соединен со входом D следующего триггера). Тактовые входы всех триггеров (С) объединены между собой. В результате такой триггер может рассматриваться как линия задержки, входной сигнал которой последовательно перезаписывается из триггера в триггер по фронту тактового сигнала С. Информационные входы и выходы триггеров могут быть выведены наружу, а могут и не выводиться - в зависимости от функции, выполняемой регистром.

Параллельные регистры, в свою очередь, делятся на две группы: регистры, срабатывающие по фронту управляющего сигнала С (или тактируемые регистры); регистры, срабатывающие по уровню управляющего сигнала С (или стробируемые регистры).

Чаще всего в цифровых схемах используются регистры, управляемые фронтом (то есть тактируемые), однако и стробируемые регистры имеют свой круг задач, в которых их ничто не может заменить.

Принцип действия регистров, срабатывающих по фронту тактового сигнала, ничем не отличается от принципа действия D-триггера. По положительному фронту тактового сигнала С каждый из выходов регистра устанавливается в тот уровень, который был в этот момент на соответствующем данному выходу входе D, и сохраняется таковым до прихода следующего положительного фронта сигнала С. То есть если триггер запоминает один сигнал (один двоичный разряд, один бит), то регистр запоминает сразу несколько (4, 6, 8, 16) сигналов (несколько разрядов, битов).

В стандартные серии входит несколько типов параллельных регистров, срабатывающих по фронту (Рисунок 1.1.3). Различаются они количеством разрядов, наличием или отсутствием инверсных выходов, наличием или отсутствием входа сброса (–R) или разрешения записи (–WE), а также типом выходных каскадов (2С или 3С) и, соответственно, наличием или отсутствием входа разрешения –EZ. Иногда на схемах тактовый вход С обозначается WR - сигнал записи в регистр.

Рисунок 1.1.3 - Параллельные регистры стандартных серий, срабатывающие по фронту

Большинство регистров имеют восемь разрядов, то есть запоминают один байт информации.

Таблицы истинности регистров очень просты и не отличаются принципиально от таблицы истинности D-триггеров. Отличие от триггеров появляется только в случае наличия у регистра дополнительных управляющих входов разрешения записи –WE и разрешения выхода –EZ. В качестве примера в таблице 1.1.3 приведена таблица истинности регистра ИР27.

Таблица 1.1.2 – Таблица истинности параллельного регистра ИР27

-WE	C	D
0		0	0
0		1	1
0	0	Ф	Q
0	1	Ф	Q
0		Ф	Q

Одно из основных применений регистров состоит в хранении требуемого кода в течение нужного времени. Если для работы остальной части схемы необходимо иметь входной код, который можно легко изменять, то для этого как раз подходит регистр.

На рис. 8.3 показана типичная схема включения регистра для хранения кода и временная диаграмма его работы.

Рисунок 1.1.4 - Хранение кода в параллельном регистре

Код на входе регистра может изменяться произвольным образом, но в тот момент, когда этот код принимает необходимое значение, на вход С триггера подается синхросигнал (строб), который записывает код в регистр. Этот код будет храниться в регистре до прихода следующего строба. Причем важно и то, что все разряды выходного кода регистра будут переключаться одновременно даже в том случае, когда разряды входного кода переключаются не одновременно. Главное, чтобы к приходу положительного фронта строба (сигнала С) все разряды входного кода приняли нужное, устойчивое значение.