Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Лабораторная работа № 7

ТЕМА: Принципы синхронизации в цифровых системах.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Получение практических навыков по формированию синхронизирующих последовательностей в системах циклической синхронизации.

ЗАДАНИЕ НА ЛАБОРАТОРНУЮ РАБОТУ: Используя устройство циклической синхронизации лабораторной установки «Схемотехника ЭВМ» (см. раздел 3.3 лабораторной работы №1), сформировать последовательность синхронизирующих сигналов для управления микросхемой К155 ИЕ 7. Условное графическое обозначение микросхемы К155 ИЕ 7 представлено на рис. 7.1.

16 - +5 В; 8 - земля

Рис. 7.1. Условное графическое обозначение микросхемы К155 ИЕ 7

Микросхема К155ИЕ7имеет раздельные тактовые входы для организации прямого счета (+ 1) и обратного счета (-1). При поступлении тактовой последовательности на один из входов, на другом входе должен поддерживаться уровень логической «1». Счетчики являются синхронными — все триггеры переключаются одновременно по положительному перепаду сигнала на входе +1 или -1. По сигналу WR (уровень «0») производится параллельная запись со входов D0...D3. Выходы прямого переноса CR и обратного переноса (заема) BR служат для каскадного соединения счетчиков. Сигнал уровня «0» появляется на выходе CR в режиме прямого счета по тактовому сигналу уровня «0» на входе +1 при достижении счетчиком числа числа 15 (1111). Аналогично сигнал BR появляется в режиме обратного счета при уровне «0» на входе -1 по достижении счетчиком числа 0 (0000). При каскадном соединении входы +1 (-1) каждого последующего счетчика соединяются с выходами CR (BR) предыдущего.

Из представленного описания ясно, что микросхема К155 ИЕ 7 представляет собой синхронный реверсивный 4-х разрядный двоичный счетчик с возможностью предварительной установки в «0» и загрузки начального для счета двоичного кода. Другими словами, данный счетчик способен работать в 5 режимах:

Режим 1 (Р1) – режим начальной установки в «0»;

Режим 2 (Р2) – режим загрузки начальным кодом;

Режим 3 (Р3) – режим прямого счета (+1);

Режим 4 (Р4) – режим обратного счета (-1);

Режим 5 (Р5) – режим хранения результата счета.

Требуется сформировать синхронизирующие сигналы, распределенные в пространстве и времени таким образом, что бы обеспечить циклическую смену режимов работы счетчика Р1,Р2,Р3,Р4,Р5,Р1,Р2…

Подключить микросхему к лабораторному стенду и проверить правильность функционирования счетчика с помощью осциллографа.

В таблице представлены комбинации логических уровней сигналов управления счетчиком, необходимые для реализации различных режимов его работы. Режим хранения реализуется тогда, когда не реализуются режимы Р1,Р2,Р3,Р4. В таблице обозначено:

Н – низкий уровень напряжения (лог.0 = 0 вольт);

В – высокий уровень напряжения (лог.1 ≥ +2,4 вольта)

↑ – фронт сигнала (логический перепад с лог.0 в лог.1).

х – безразличная величина сигнала.

Режим

Вход

Выход

-1

D₀

D₁

D₂

D₃

Q₀

Q₁

Q₂

Q₃

Сброс

Параллельная загрузка

Счет на увеличение

↑

Счет на увеличение

Счет на умень- шение

↑

Счет на уменьшение

7.1. Краткие теоретические сведения

В синхронных (тактируемых) устройствах процесс переработки информации упорядочивается во времени с помощью специальных тактовых сигналов, вырабатываемых общим для всего устройства генератором. Прием данных элементами памяти разрешается только в определенные моменты времени, после того как информационные сигналы на их входах приняли установившиеся значения, предусмотренные логикой работы устройства. Синхронизация эффективно решает проблему критических гонок. В синхронных устройствах тактовые сигналы следуют с постоянным периодом, длительность которого достаточна для завершения процессов переключения в соответствующей части устройства даже при максимальных задержках элементов в этой части устройства. Фактически переходные процессы, в подавляющем большинстве элементов заканчиваются раньше, в результате часть длительности такта большинство элементов «простаивает», поскольку «ждет» завершения интервала, рассчитанного на наихудший случай работы элементов с максимальными задержками. Относительная степень недоиспользования быстродействия элементов в синхронных схемах зависит от разброса задержек и определяется отношением максимальной задержки элементов к ее среднему значению.

Параметры синхросигналов

Период тактовых импульсов складывается из длительностей импульса и паузы [4]. Длительность импульса должна быть достаточной для надежной записи информации в триггер, этот параметр задается в паспортных данных триггера. Обозначим его через t_w_с, запишем условие .

Новое состояние триггеры примут по истечении максимальной из задержек и их переключения. Параметры t_wc и зачастую близки, но могут и отличаться в два и более раз. Разность обозначим через .

Рис.7.2. Параметры синхроимпульсов

Для длительности паузы имеем:

Минимальный период тактовых импульсов

T_min=t_и._min+t_п._min, а их частота f_max=1/ T_min.

Схемотехника синхронизирующих устройств.

Любое современное вычислительное устройство содержит устройство синхронизации.

Синхронизация работы вычислительных устройств – это точное временное согласование работы всех частей вычислительного устройства для обеспечения выполнения заданных функций с высокой степенью надежности. Обобщенная структура устройства синхронизации содержит следующие блоки: генератор тактовых импульсов (ГТИ) или, иначе, задающий генератор (ЗГ), формирователь опорных сигналов (ФОС) и размножитель сигналов (РС).

ГТИ – основной узел блока синхронизации. Он формирует периодическую последовательность таковых импульсов определенной длительности и пауз между тактовыми импульсами. Формируемая последовательность характеризуется периодом следования или частотой следования. Соотношение между длительностями импульсов и пауз характеризуется скважностью (Q) или коэффициентом заполнения (k_з).

Рис. 7.3. Параметры генератора тактовых импульсов

При построении устройств синхронизации величина скважности импульсов находится путем анализа синхронизирующих узлов.

Блок ФОС служит для выработки необходимого числа импульсных последовательностей заданной формы в зависимости от фазности системы синхронизации и временных параметров синхросигналов этих последовательностей. Фазность – важный признак системы синхронизации, определяемый числом синхроимпульсов в одном периоде синхронизации. Фазность зависит от типа триггеров, применяемых в устройстве, способа обмена между функциональными узлами, требований к быстродействию и аппаратной сложности устройства.

Самой распространенной моделью цифровых узлов является модель регистровой передачи. В этой модели цифровое устройство представлено в виде совокупности функциональных блоков, реализующих некоторое преобразование N-разрядной информации в k-разрядную выходную. Соотношение между N и k произвольно.

Рис.7.4. Функциональное устройство

Тогда отдельные функциональные устройства на уровне регистровых передач можно представить:

КС – комбинационная схема.

Рис. 7.5. Модель функционального устройства на

уровне регистровых передач

Тогда задачей синхронизирующего устройства является выработка синхросигналов, распределенных в пространстве и во времени и обеспечивающих надежную фиксацию информации в регистрах с учетом инерционности КС.

В то же время определенной инерционностью обладают и элементы памяти (триггеры) из которых строятся входные и выходные регистры.

Инерционность регистров накладывает ограничения на длительность тактовых импульсов, которая должна быть достаточной для надежной фиксации информации.

Величина паузы между сигналами синхронизации практически целиком определяется быстродействием комбинационной схемы, которая непосредственно реализует функциональное преобразование.

В начале проектирования цифрового устройства, временные параметры сигналов синхронизации известны приближенно и могут быть уточнены в ходе проведения испытаний опытного образца изделия.

По фазности различают системы синхронизации однофазную, двухфазную и многофазную (рис.7.6).

Количество фаз синхронизации зависит от сложности устройства.

Подавляющее большинство цифровых устройств строится на основе циклической синхронизации(рис.7.7), когда формируются сигналы синхронизации (СС) и более длительные, распределенные во времени, временные интервалы (ВИ).

В циклических системах синхронизации циклически формируется совокупность СС и сигналов временных интервалов, например, так, как показано на рис. 7.8.

- однофазная;

а)

б)

- двухфазая;

- многофазная

Рис.7.6. Одно и многофазные системы синхронизации

Рис. 7.7. Типовая структура устройства циклической

синхронизации

Рис. 7.8. Примерное распределение во времени и пространстве сигналов синхронизации и более крупных по длительности временных интервалов

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 678 Следующая ⇒