Учебное пособие: Методические указания к лабораторным работам по курсу "Схемотехника эвм" Под редакцией Ю. М. Смирнова

МнщюфЗ$ю1ар высшего и среднего специального образования СССР

Московское ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и

ордена Трудового Красного Знамени высшее техническое училище им. Н.Э. Баумана

, Жирков В.Ф., Хартов В.Я.

Утверждены редсоветом МВТУ

ИСДВДСВАВИВ «УВКЦИОНШШХ УЗЛОВ ЭВМ

Методические указания к лабораторным работам по курсу "Схемотехника ЭВМ"

Под редакцией Ю.М. Смирнова

Москва 1985

Данные методические указания

ньг.! nmv. au, Баесмзтреян в одобрены______

тодэтеской комиссией «акиатета Н 19,1 ским управлением 06.02.85 г.

Рецензент к.т.н. доц. А.В. Меньков

© - Московское высшее техническое учтите

имени Н.Э. Баумана

Цель лабораторного практикума - закрепление теоретического материала путем экспериментального макетирования и исследования типовых узлов ЭВИ, а также развитие навыков по их сборке, налад­ке и проверке функционирования с помощью измерительной аппарату­ры. В данных методических указаниях приведены необходимые для выполнения работ теоретические сведения, методика оценки парамет­ров узлов теоретическим :< ?"■ .^лериментальным способами, варианты заданий, a tl же конкретно? указания по порядку выполнения каж­дой работы.

Лабораторным исследованиям предшествует самостоятельная проработка студентами теоретической части методических указаний к данной лабораторной работе. Результаты работ оформляются а ви­де отчетов по установленной форме.

Корректор Л. И.Малютина

Заказ 954. Объем 2,25п.л.(2,25 уч.-изд.л.) Тираж 300 экз.

Бесплатно. Подписано к печати Ю.06.85 г. План 1985 г., # 36. Типография МШУ. 107005, Москва, Б-5, 2-я Бауманская, 5. <

Работа * I. ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕШИФРАТОРОВ

Цель работы - изучение принципов построения и методов син­теза дешифраторов; макетирование и экспериментальное исследова­ние дешифраторов.

В процессе самостоятельной подготовки к работе необходимо ознакомиться с теоретическими сведениям! и подготовить по каздо-му пункту раздела "Задание и порядок выполнения работы" расчет­ные и теоретические материалы, выполнить синтез десятичного де­шифратора и составить схемы исследуемых дешифраторов. Перед на­чалом работы предъявить преподавателю рабочие материалы для про­верки" и обсуждения. После выполнения работы кавдый студент обя­зан представить преподавателю аккуратно офорлленныж отчет.

Продолжительность работы - 4 часа.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Дешифратором называется комбинационный узел, преобразузкцкй каждый набор двоичных входных сигналов в информационный с;:гкал на выходе, соответствующем эточу набору.

Количество выходов дешифратора равно числу разрешенных на­боров входных сигналов. В дешифраторе с п входами и /< выхода­ми Х'$2^п .

Дешифратор, имеющий *?" выходов, называется полным, при меньшем числе выходов - неполным.

Наборам двоичных входных сигналов дешифратора можно поста­вить в соответствие /7 -разрядные двоичные числа. Если выходы дешифратора обозначить буквами h (/' = с,'/, <?,..., к - / = г "- /) , то информационный сигнал появляется на том выходе, у которого значение индекса J (т.е. номер выхода) равно двоичному числу, образованному набором входных сигналов. Таким образом, дешифра­тор"" преобразует поданный на его входы код числа с выдачей .ин­формационного сигнала на один из выходов.

В ЭВМ дешифраторы применяются дал преобразования кодов опе­раций в управляющие сигналы, для преобразования адресов ячеек памяти в сигналы выборки ячеек при записи и считывании информа­ции из них, д^дЯ переключения каналов в многоканальных коммутато­рах электрических сигналов и т.д.

функционирование дешифратора описывается системой логичес-Ех функций:

(I)

где я , ( £ * Qf ,2,..:, n - fj - входные переменные (сигналы;; ¹ / j {/= Qf ,2,..., K "-/ J - внходы дешифратора. Основными параметрами дешифраторов являются:

а) количество входов и выходов;

б ) входные и выходные напряжения и токи 0 и I: Т ^. ,

в} коэффициент разве .^злек:"=г по выходу К/вол \

г) напряжение статической помехи С^_лсГ ;

д) потребляемая мощность Oar (или чя»Тпот );

е) времена задержки распространения сигнала при включении
и выключении, характеризующие быстродействие дешифратора. ■- -

Параметры б, в, г дешифратора определяются аналогичными па­раметрами логических элементов, на которых они строятся.

Быстродействие и потребляемая мощность зависят как от ис­пользуемой элементной база, так и от способа построения схемы дешифратора.

Существуют три основных способа построения дешифраторов: линейный, пирамидальный, ступенчатый.

Линейный дешифратор строится непосредственно s соответствии о системой функций (I) и состоит из «?" конъюнкторов с /7 вхо­дами кавдый..

Для /7 = 3 система функций (I) и таблица истинности деши­фратора (табл. I) имеют следующий вид:

Таблица I

4

Электрическая функциональ­на-: схема и услокгое графичес­кое изображение дешифратора при­ведены соответственно на рис. I и 2. Назначение W -входа будет пояснено ниже. В данном дешифра­торе каждый набор входных сигна­лов преобразуется в сигнал I на соответствующем выходе. При атом на.остальных выходах дейст­вуют сигналы 0. Такой дешифратор называется дешифратором с прямы­ми выходами.

При построении дешифратора ва элементах И-НЕ реализуется система функций:

Такой дешифратор называется де­шифратором с инверсными выходами. Его условное обозначение при­ведено ва рис. 3.

5

Иге . 2 Рис . 3

Время задеряии распространения сигнала в линейной дешифра­ торе равно времени задержки распространения сигнала в цепи после­ довательно р шченных . влся ,:?\.1 п И ( И - НЕ ) и инвертора .

Питакидальный дешифратор строится на основе последователь­ ной ( каскадной ) реализации выходных функций . Сналача реализуются конъюнкцш . двух переменных :

На втором этапе реализуют все конъюнкции трех переменные путем логического умножения каждой ранее полученной , конъюнкции двух переменных на переменную А_г ( Л_г ) :

Далее каядуо из полученных выше конъюнкций трех переменных умно­ жают на /}₃ ( Я *,) в т . д . Таким образом на кавдом следующем этапе получают вдвое больше конъюнкций , чем на предыдущем г , тале .

Пирамидальные дешифраторы независимо от числа чх входов строятся на основе только двухвходовых конышкторов . Величина '*"- коэффициента разветвлении конмшкторов по выходу равна двум .

функциональная схема пирамидального дешифратора для /7 = 3 приведена на рис . 4.

Для построения пирамидального дешифратора на п входов требуется « ? (-2 ^п -2) двухвходовых конъюнкторов . Количество пос­ ледовательно включенных элементов равно ( г >- /) . Так как ' время задержки распространения сигнала в дешифраторе в ( i ~/) раз больше времени задержки распространения сигнала в коньюнкторе , быстродействие такого дешвЦатора оказывается низким при п » / _т Поэтому в настоящее время такие дешяйаторн находят ограничен­ ное примене . ле . 6 ■: ...^: >"■■■■■ , •: ■-.: ..

Й!О. 4

Ступенчатый дешифратор строится на основе двух дешифраторов на т и (п-т) входов и 2^п двухвходовых конъюнкторов. Если п - четное, то /п» ^ ; при нечетном п величины гп и f/7-/^/отличаются на единицу:

Электрическая функции ольная схема двухступенчатого дешиф­ратора приведена на рис. 5.

При большом числе входов /7 ступенчатые дешифраторы имеют существенно меньшие аппаратурные затраты, чем линейные и пира­мидальные.

7

I

Устранение гонок в дешифтатотах

Вследствие переходных процессов и временных задержек сигна­лов в цепях логических элементов могут возникнуть так называемые гонки (состязания), приводящие к появлению ложных сигналов на выходах схемы.

Основным средством, позволяющим исключить гонки, является стробирование. Стробирование - это выделение из информационного сигнала той части, которая свободна от искажений, вызываемых гонками. На рис. I, 2, 3, 4 показан стробируодий вход W . Стро-61.7ВДИЙ сигнал на'этом входе не должен действовать во время пе­реходных процессов в дешифраторе, функционирование дешифратора соотробированием определяется.системой логических функций;

(4)

Дешифраторы различных серий интегральных микросхем (ИМС), как правило, имеют несколько входов стробирования; сигналы на этих входах внутри схемы объединены логической функцией. Например, в ИМС К155ВДЗ два входа объединены коныоктивно:

Стробируиций вход используется также для наращивания деши­фратора. На рис. 6 приведена схема ступенчатого дешифратора с четырьмя А-входами, построенная на дешифраторах с двумя А-входа-ми. При этом один стробирующий вход используется для наращивания дешифратора, а второй - собственно для стробирования выходной ступени. При увеличении числа входов на единицу получим схему, показанную на рис. 7.

ИМС К155ВДЗ - сдвоег"нй дешифратор с общими адресными вхо­дами А_о , А / . Первый дешифратор имеет прямой 2> и инверсный S , стробируицие входы,, второй - два инверсных входа 5 и S ? . При наращивании дешифратора объединенные входы 2 и £ являют­ся адресным входом А ₂ , а объединенные стробирующие входы 5) и S ₂ - входом стробирования С (рис. 8)

9

ДешиФготортдемгаьтаплексор Стробируемый дешифратор может выполнять функции дат/льтнплекснро-вания, т.е. передавать сигналы, по­ступающие на стробирующий вход, на

выход, ноивр которого задается входными сигналами А_г . Поэтому

■^ снгвалн я входы, ю которые они поступают, нваивяются также ад­ресными.

Рве. 8

Дешифраторы двоичво - десятичннг кодов

Функционирование дешифратора двоично - десятичного кода ( Д - ко - да ) с весами 8-4-2-1 определяется системо ! логических функций ? Ю

(5)

Ъ-*6**А,А_О . Ъ*Я_л АгА,А_о

*'+****• ' Ь-А_Л А_Л 4~Х.

t^jA**' **A,AZ*A.

мешщ / рвтотр имеет 4 входа и 10 выходов , т . е . является яепол - ннм . Неисшльэуаше , т . е . запрешенвые набор» входных сигналов исиольвуются для минимизации системы фуакций (5). В качестве примера ва рве . 9 и 10 приведены карги Зейча , на которые соофвот - ствевво нанесены функции %- и /% . Знакаки " х " отмечены клетки неиспользуемых наборов переменных А_о , /}, , ^_? , А ₃ . Мвни - мвзяруя функции / у в % с учетом нексяользуемых наборов пере - мевннх , получим : ^,4^4, ^-^4"

(6)

Каждый пд Дни»» имеет своя жшаюх&гуеше жйеуи входных

II

переменных. Кодирование десятичных цифр в различных Д-кодах пояс­няет табл. 2.

Таблица 2

Задание и порядок выполнения работы

I. Исследование линейного двухвходового дешифратора с инвер­сными выходами:

а) собрать линейный стробируемый дешифратор на элементах ЗИ-НВ; наборы входных сигналов А_о , А, задать с выходов Q_o , Q_f четырехразрядного счетчика на С/К - триггерах (рис. II); подключить светоше индикаторы к выходам триггеров и дешифратора;

: в) подать на вход счетчика сигнал с выхода генератора ;^0дийбч. имп."; изменяя состояние счетчика, составить таблипу ;»япрннос*в щваг1!О<^&юто жвшш1Ш&тора, (т.е. при V «V-)-.^; '

в) подать га вход счетчика сигналы СИ-I "л." я снять вре-
мешне диаграммы сигналов дешифратора;

г) определить амплитуду помех, вызванных гонками, на выхо­
дах дешкйшора;

д) снять временные диаграмм сигналов стробируеного дешвфра-
тота; з качестве стробирующето сигнала использовать сигнал СИ-1

" * ' ", задерганный линией задеркки лабораторного макета 711-11;

в) определить время задержки, необходимое для исключения по-ме'х иг . выходах дешифратора, вызванных гонками.

2. Исследование дешифратора двоично-десятичного кода:

а) составить таблицу истинности дешифратора Д-вода, номер
которого в табл. 2 задается преподавателем;

б) проВч ,ти синтез д^г- _ _t агора Д-кода;

в) собрать линейный д>-шу*-' р Д-кода на элементах И-ЯВ;
входные свггалы A_L и А_с задать с вводов Q_c и G_c четырехраз­
рядного счетчика на УХ -триггерах (см. рис. П);

г) подать на вход счетчика сигналы СИ-1 " Л.";

д) снять временные диаграммы сигналов дешифратора;

е) используя временные диаграммы входных и выходных сигна­
лов, проверить соответствие работы дешифратора его тыишце истин­
ности.

3. Исследование дешифраторов ДОС К155ИД4 (см. ряс. 8): '

а) снять временгше диаграммы сигналов двухвходового дешиф­
ратора, подавая на его адресные входы сигналы Q_o я О / с выхо­
дов счетчика (см. рве. II), а на стробирупцие входы £ ж «£, -
импульсы СИ-1 " _П_", задержанные линией задержки макете;

б) определить время.задержки стробируюиего еггаала, необхо^
димое для исключения помех на выходах дешифратора;

в) собрать схему трехвходового дешифратора на основе двииф-^:
ратора К155ИД4 (см. рис. 8), задавая входные сигналы А_{о t} A_{t t}

А_г с выходов О_о , Q , , G_i счетчика (см. рис. II); «вять временные диаграммы сигналовдешифратора % составить по вей таб-лшцу истинности.

4. Исследовать работоспособность дешифраторов ДОС 533ИД7,
(рис. К):

а) собрать стробируемый дешифратор на 4 входа на основе
двух ШС 533ИД7;

б) снять временные диаграмм» сигналов дешифратора, подавая
на его адресные входы сигналы О_о , G , , 6? _г , Q_s с выходов

счетчика (см. рис. II), а на стробирую-щий вход - импульсы СИ-1 " Л_ "', за­держанные линией задержки макета. 5. Составить отчет.

Требования к отчету

Отчет должен содержать электриче­ские функциональные схемы, таблицы ис­тинности, временные диаграммы сигналов исследуемых дешифраторов, результаты из-

мерений параметров выходных сигналов дешифраторов.

Контрольные вопросы

1. Что называется дешифратором?

2. Какой дешифратор называется полным (неполна.:)?

3. Определите закон функционирования дешифратора аналити­
чески и таблично. - - <»

4. Поясните основные способы построения дешифраторов.

5. Что называется гонками и как они устраняются?

6. Каковы способы наращивания дешифраторов по количеству
входов и выходов и как они реализуются схемотехнически?

7. Объясните схему включения дешийратора-демультпплексора.

8. Поясните методику синтеза неполных дешифраторов.

Работа » 2. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕГИСТРОВ СДВИГА

Цель работы - изучение принципов построения регистров сдви­га, способе преобразования параллельного кода в последователь­ный и обратно, пакетирование регистров сдвига и их эксперимен­тальное исследование.

В процессе самостоятельной подготовки к работе необходимо ознакомиться с теоретическими сведениями и подготовить по каждо­му пункту раздела "Задание и порядок выполнения работы" расчет­ные и теоретические материалы, электрические функциональные схе­мы исследуемых регистров и'временные диаграммы сигналов регистра сдвига. Перед началом рабе л предъявить преподавателю рабочие материалы для проверки и обсуждения. После выполнения работы каждый студент обязан представить преподавателю аккуратно офор­мленный отчет.

Продолжительность работы - 4 часа.

15

Теоретические сведения

Регистром называется операционный узел ЦВМ, предназначенный
для ввода, хранения, преобразования и вывода двоичного слова
или его частл. Регистр состоит из запоминающих элементов (триг­
геров) и логически элементов, обеспечивающих выполнение следую- .
щих операций: прием слова из другого регистра, сумматора, счетчи­
ка и т.п., передача слова в другой регистр, сумматор, счетчик и
т.п., преобразование прямого кода в обратный и наоборот, сдвиг
слова влево или вправо на требуемое число разрядов, преобразова­
ние последовательного кода в параллельный и обратно, поразряд­
ное логические операции (уг- „:.:енив, сложение, сложение по модулю
2). '

По сг.зеобу ввода и вывода информации различают регистры па­
раллельные (регистры памяти), последовательные (регистры сдвига)
и параллельно-последовательные. В параллельных регистрах ввод и
вывод слова выполняется параллельным способом, т.е. все разряды
слова передаются одновременно, каждый разряд по своей цепи. В
регистрах сдвига разряды слова передаются последовательно во вре­
мени, один разряд за другим, как при вводе, так Н"Щя* выводе ин­
формации. В параллельно-последовательных регистрах ввод слова
осуществляется параллельным способом, а вывод - последовательным
или наоборот. * . ;.

Рассмотрим схемы регистров- различного назначения.

Параллельный регистр (рис. 13) обеспечивает прием, хранение и передачу слова. Схема построена на триггерах £ S -типа и логи­ческих элементах И, И-ИДИ. Входные логические элементы обеспечи­вают прием слова в момент прихода управляющего сигнала записи ("Зап."), выходные - передачу слова из регистра в прямом или об-ратном коде в зависимости от управлявшего сигнала. Регистр имеет N информационных входов ^х / , ^х г > •••» «^v # ^ выходов^ , U , .... j^j/ и четыре входа для управляющих сигналов.

С помощью управлятщего сигнала установки нуля ("Уст.О")-,- по­
ступающего на /?-входы триггеров, все триггеры устанавливают в
нулевое состояние. Это состояние Q , Q ₂ .. . &# - СО ... Q сохраняет­
ся до тех пор, пока на входах регистре че появятся сигналы ^ ,
jCj ..... х # и управляющий" сигнал записи. При «Д£ = / с при­
ходом управляющего сигнала 'записи происходит переключение триг­
гера L -го разряда в единичное состояние, при < ж_г ' О _ триггер
остается в гулевом состоянии. Одновременное действие сигналов уо-
16

тановки нуля и записи недопустимо, так как комбинация ,? = /? ■ =

= I на входах & S -триггера является запрещенной. Считывание ин-' формации из регистра осуществляется в прш,:ом или обратном коде по сигналу выдачи прямого (ВПК) или обратного (ВОК) кода. Оче­видно,, что одновременное действие сигналов'ЕПК и ВОК запрещено. В каждом разряде рассматриваемого.регистра прием и выдача инфор­мации осуществляются по одному каналу. Период работы такого ре­гистра

^т Л^е (^ за ./>. с /> А , л ~ среднее время задержки распространения сигнала в логическом элементе И;

(£ зэ о ) _Г а ~ ^в Р^емя задержки распространения с г нала в тригге­ре, в качестве которого можно принять большее из времен задержек

- *&/> • ■<*£> ^ гге ^; Ёсц — время считывания информации из регистра.

Рис. 13

Примечание . Если учитывать время перехода t ', t ' элемен­та из одного состояния в другое, то период следует увеличить на большую из величин t^c -' , t^iO '

17

В регистре , изображен­ном на рис . 14, для записи ис­ пользуется парафазный код сло­ ва , т . е . одновременно прямой и обратный коды . Прием инфор­мации в регистр в этом случав осуществляется без предвари­тельной установки его в нуле­вое состояние , т . е . за один

такт . По сигналу записи триггер с - го разряда регистра устанав­ливается в состояние , соответствующее значению х - , независимо от предшествующего состояния триггера . Выдача информации из ре­ гистра происходит также в парафазном коде по двум каналам при по­ступлении сигнала считыва ^- . ля , или выдачи кода ( ВК ). Период рабо­ ты регистра с приемом информации в n - рафазном коде

Выдача кода из регистра часто совмещается с записью кода на другой регистр . При этом схему передающего регист­ ра ' можно упростить , исключив из нее схемы выдачи кода я соединив непосредственно вы­ ходы триггеров Q ' , Q ' пере­ дающего регистра с информа­ ционными входами принимающего регистра ( рис . 15).

Операция сдвига заключается в перемещении содержимого всех разрядов регистра влево иди вправо на определенное число разря­дов . Для сдвига кода используются регистры сдвига , которые в за­висимости от направления сдвига делятся на регистры со сдвигом информации вправо ( в сторону младших разрядов ); регистры со сдви­ гом информации влево ( в сторону старших разрядов ); реверсивные регистры , обеспечивающие сдвиг информп . ш вправо или влево в за­ висимости от управляющего сигнала .

Регистры сдвига находит широкое применение в цифровой техни­ ке . Они могут использоваться в устройствах управления в качестве распределителей импульсов , для построения кольцевых считчиков ,

18

для преобразования параллельного кода в последовательный и обрат­
но . .

Для построения регистров сдвига могут быть использованы триггеры разных типов : « Z ¹ , QS , C ? Af , 2> V . В регистре на потенциаль­ ных элементах сдвиг информации осуществляется обычно по двухтак­тной схеме . В этом случае каждый разряд регистра сдвига состоит из двух триггеров : ооновного и вспомогательного . На рис . 16 при­ведена схема регистра для сдвига информация вправо , выполненная на тактируемых # S - триггерах . Основные и вспомогательные триг­ геры образуют два регистра : основной (>?<?/) я вспомогательный

(#<?<?).

Сдвиг информации в схеме осуществляется за два такта , сна­чала по сигналу C_f содержимое основного регистра переписывается во вспомогательный , а ватем по сигналу c_s информация из вспомо­гательного регистра возвращается в основной регистр со сдвигом на один разряд вправо . Направление сдвига и количество разрядов , на которое проводится сдвиг , определяется коммутацией выходов одного . и входов другого регистра . .

Регистр , изображенный на рис .16, за одну посылку управ­ ляющих импульсов С / , С ₂ обеспечивает сдвиг информации на один разряд вправо . Для сдвига на т разрядов требует­ ся т таких посылок . Две по­ следовательности управляющих сигналов С , , С _£ . можно ва - менить одной С , , соединяв шину C_f с шиной С_ж через ин­ вертор .

Пря использования интег­ ральных триггеров о двухступен­ чатым запоминанием информации или триггеров о динамическим управлением записью схемы ре­ гистров еда - тов приобретав» более простой вид ( рис . Г 7). Выходы одних триггеров непо­средственно соединяются о вхо-

дами других , а сигналы сдвига подаются на общую линию , соединен -

19

ную с синхровходами с триггеров . Сдвиг кода здесь осуществляется каждым управляющим импульсом , поэтому такие схемы навивают регистрами о однотактным сдвигом .

Рис . 17

В случае применения триггеров , с пряным динамическим управле­ нием ( рис 176) состояние регистра изменяется от положительного фронта сигнала сдвига , как показано пунктиром на рис . 17 г , в дру­гих случаях - от отрицательного фронта .

20 ' .

Задание и порядок проведения работы

1. Пользуясь исходными данными , приведенными в табл . 3, на­
чертить функциональную схему четырехразрядного регистра сдвига ,
имеющего обратную связь с инверсного выхода 4- го разряда на вход
1- го . При сдвиге числа вправо разряды регистра следует нумеровать
слева направо , а при . сдвиге влево - справа налево . На схеме ука­
зать две входные линии : для подачи одиночного ^ игнала установки
начального состояния регистра по входам Л ? и S триггеров и для
подачи сигналов сдвига .

2. Ознакомиться с лицевой панелью учебного макета . Собрать
схему регистра сдвига из элементов макета .

- Примечание . При сборке схемы на макете можно рассматривать незадёисТгвованннй вход как вход , на который подан сигнал логиче­ ской единицы .

Таблица 3

Проверить цепь установки начального состояния , для этого на линию сигналов сдвига подать нулевой потенциал . Выход генератора импульсов соединить с гнездом " Синхр ." формирователя одиночного импульса . Одиночный импульс отрицательной полярности , формируе­мый на выходе формирователя при наиатии кнопки , подать на линию установки начального состояния . Для контроля состояния регистра х выходу каждого разряда подключить световой индикатор .

Пользуясь схемой , приведенной на рис . 18, собрать узел фор­мирования управляющих сигналов начальной установки в сдвига С , . Соединить источники управляющих сигналов с соответствующими вхо­ дами регистра сдвига . Для запуска регистра нажать кнопку форми -

.21

рователя одиночного импульса . С помощью осциллографа просмотреть сигналы на выходе каждого разряда регистра . Проверить работу . схемы , сравнив наблюдаемые осциллограммы с диаграммами , построен­ ными при самостоятельной подготовке .

Рис . 18

3. Определить минимальную длительность импульса сдвига .
Пользуясь схемой на рис . 18, собрать увел формирования импульсов
сдвига С / . Для формирования импульсов короткой длительности в
качестве линии задержки I можно использовать цепь последователь­
но включенных логических элементов ( например , И - НЕ ). При этом
полярность сигналов на входе и выходе линии задержки должна быть
одинаковой . Изменяя длину цепи , сформировать импульс С / мини­
мальной длительности , обеспечивающий устойчивую работу регистра
сдвига . Измерить параметры импульса сдвига .

По функциональной схеме триггера , приведенной в приложении , рассчитать длительность переходного процесса , обусловленного действием сигнала ' с ,' . Задержку переключения одного базового элемента триггера считать равной 15 не . Сравнить результаты тео­ретической оценки и экспериментальных измерений .

4. Определить максимальную рабочую частоту регистра сдвига .
Пользуясь схемой на рис . 18, собрать узел формирования импульсов
сдвига С ," . Изменяя значение задержка 2, установить минимальный
интервал следования импульсов сдвига с /, при котором сдвиговый -
регистр функционирует устойчиво . С помощью осциллографа измерить
период следования . сдвиговых импульсов и рассчитать максимальную
22

рабочую частоту . Результаты измерений сравнять с расчетной оцен­ кой ,

5. Составить отчет .

Требования к отчету

Отчет должен содержать электрическую функциональную схему регистра сдвига , временные диаграммы сигналов регистра сдвига с указанием параметров управляющих сигналов , расчетные и экспери­ментальные данные для оценка быстродействия регистра .

КОНТРО """"* ВОПРОСЫ

1. Что называется регистром ? Какие функции выполняют регист­
ры ?

2. Как классифицируются регистры по способу ввода - вывода
информации ?

3. Как работает параллельный регистр с однофазным и пара -
фазным приемом информации ?

4. Какие типы триггеров применяются в регистрах сдвига ?

5. Как работает двухтактный регистр сдвига на GS - тригге­
рах ?

6. Как работает регистр сдвига , выполненный на триггерах о
двухступенчатым запоминанием информации ?

7. Как работает регистр сдвига на триггерах о динамически ,
управлением записью ?

Работа < 3 . ИССЛЕДОВАНИЕ СЧЕТЧИКОВ .

Цель работы - изучение принципов поотроення счетчиков , ов­ ладение методом синтеза синхронных счетчиков , экспериментальная оценка динамических параметров очетчиков . -

Во время самостоятельной подготовки х работе необходимо оз­ накомиться о теоретическими ев денжями , изучить метод синтеза синхронных счетчиков , синтезировать двовчно - десятг лнй счетчик с заданными состояниями , подготовить по каждому пункту раздела " Задание х порядок выполнения работы " расчетные х теоретические материалы , электрические функциональные схемы исследуемых счет­чиков я временные диаграммы сигналов синтезированного двоично - десятичного счетчика . Перед началом работы предъявить преподава­ телю рабочие материалы для проверки и обсуждения . После выпол­ нения работы студенты обязаны представать преподаватели аккурат­но оформленный отчет .

23

Экспериментальная часть работы проводится на . базе учебного пакета . Вначале проводится сборка счетчика из элементов макета , затем исследование его характеристик с помощью осциллографа .

Продолжительность работы - 4 часа .

Теоретические сведения

Счетчиком называется узел , предназначенный для подсчета ко­ личества импульсов , поступивших га его вход , а также для формиро­вания и хранения двоичного " ода , соответствующего этому количест­ ву . Счетчик , содержащий А / триггеров , может иметь М ^ З * устой­ чивых состояний . Число М , характеризующее предельное число устойчивых состояний счетчика , называется модулем счета ( или коэффициентом пересчета ). После поступления на вход счетчика Л ? импульсов в счетчике устанавливается первоначальное состояние .

По назначению различают суммирующие , вычитающие и реверсив­
ные счетчики . Суммирующие счетчики выполняют микрооперацию счета
вида Cw .: = &/+/ _f вычитающие счетчики - микрооперацию счета ви­
да £ V . « Cv -/ . Реверсивные счетчики реализуют оба указанных
вида счета . .

По способу переключения триггеров во время счета счетчики разделяются на асинхронные и синхронные . В асинхронных каждый триггер срабатывает сразу после поступления на его входы управ - - ляпцих сигналов . В синхронных переключение триггеров происходит в момент прихода синхронизирующего сигнала . При этом переход триггеров из одного состояния в другое зависит от значений сигна -. лов на управляющих входах . Таким образом , при изменении состояние асинхронного счетчика переключение триггеров происходит , последо­ вательно во времени / в синхронном очетчнке этот процесс протека­ ет одновременно во всех разрядах .

По опособу организации переноса различают счетчики о после­ довательным , охвознну параллельным и групповым переносами .

Для построения счетчиков могут быть использованы интеграль­ ные триггеры рваных типов : Т . 2>. 2 V , с / к с внутренней „задер­ жкой , имеющие двухступенчатую структуру , а также 2) , 2> V , c //< о прямым и инверсным динамическим управлением . В счетчиках , по­строенных на двухступенчатых триггерах , изменение состояний про зходит по окончании счетного импульса . В счетчиках , построен­ ных на триггерах о прямым динамическим управлением , изменение состояний происходит от положительного фронта счетного импульса ;

24

если использованы триггеры с инверсным динамическим управлением - от отрицательного фронта .

. Быстродействие счетчика характеризуется следующими парамет­ рами : временем задержки распространения сигнала в счетчике t &% су (*&./*£ максимальной ^^ и рабочей ^^ чаототами . сигналов , поступающих на счетный вход счетчика .

Время задержки распространения £ $^ _v { £ j § ./>. evJ сигнала в счетчике - интервал времени между входным и выходными сигнала­ ми при переходе напряжения на выходе счетчика от С / ° к U ' ( или от и ' к £/"), измеренный на уровне 0,5 логического перепада входного и выходного сигналов .

Разрешающее время t_p счетчика - наименьший интервал време­ ни между входными импульсами минимальной длительности , при кото­ром сохраняется нормальная работа счетчика .

где max [£*\ £*"}- максимальное из времен £ * ^f , i^w перехо­ дов выходного логического элемента триггера из состояния " О " в состояние " I " или обратно . *

Так как в процессе работы требуется анализировать состояние счетчика и проводить съем и передачу выходного кода счетчика в другие узлы , то период Т работы счетчика должен включать в себя время ic_v считывания кода .

Обычно время перехода t ^ч ' ( или ■£''") значительно меньше Азд . р . сч , поэтому г ^ о ~ ^ ав ,^>. с </ •

Время задержки распространения сигнала в счетчиках , пост­роенных на двухступенчатых триггера , отсчитывается с момента окончания входного сигнала . В случае применения триггеров с ди­ намическим управлением время задержки отсчитывается от того фрон­та входного сигнала , который вызывает переключение триггеров .

Рассмотрим принципы построения счетчиков разных типов .

Асинхронные двоичные счетчики с последователУ ³ " переносом . При построении асинхронных двоичных счетчиков используются счет­ные триггера , соединенные между собой цепями переносов . В каждом разряде счетчика , представленного на рис . 19 а , в качестве Т - триг - гера использован 2>- тригтер с прямым динамическим синхронизиру ^ з - щии входом , обеспечивающий сложение двоичных сигналов по модулю "2~

25

благодаря обратно! овяэж с инверсного выхода на вход 2> . При переходе триггера аз единичного состояния в нулевое на вввероаон выходе фопшрувтся «ш-нпл переноса р , псступащий по лшши связи в следующий сшриий разряд. Сигнал переноса перекатает тржггчр этого разряда в противоположное состояние. Следует отме­тить, что перенос в згой схеме обсуловлен положительным перепа­дом сигнала m инверсном выходе триггера, при отрицательном пе­репаде в случае перехода триггера в единичное состояние перенос в слвдулций разряд отсутствуем (рис. 196). Начальная установка нулевого состояния проводится сигналом "Уст. "О", длительность которого должна быть больно, чем время распространения сигнала переноса. При «том исключается влияние ложное переносов, возни­кавших при установке нулевого кода. Под действием входных сигна­лов счетчик последовательно переходит ив одного состояния в дру­гое в соответствии с табл. 4. Переход в новое состояние происхо-

дит с задержкой, обуслов­ленной задержкой пере-жлгашвя триггеров. В счетчике о последователь— ним распространением пе­реноса время задержки распространения сигнала определяется соотноие-

где л/ — чи^иу разрядов счетчша; 4»ал.»»~ врежв

задерней рахд»уяд^»%1И11иц сипила в триггере.

В счетчике (рис 20а), востроешом ва двухступеячатвх Т -триггерах, сигнал вереноса в саадухший разряд снянается о прямо­го внхода триггера. Это внзваво тем, что иереклинешю второй ступени дв/хстувоячатого тркггара ирошеходит в тот movsht, ког­да на входя ого появляется отривательввй иеревад. Тогда, если триггер преднцяиосо разряда очетчжха пирнинимцц в нулевое сос­тояние, ва прямом внходе формируется оцмицидииД веревад* що~ торв» обеспечивает нервное в следушвмЖ разряд счетчика (рио. 206). Маясиналшвк частота рабохи счетчика овредаляется макевмальво допустимой частотой иермишнаши тщтера микдоето разряда, сле­довательно,

26

_тав / _ минимальная длительность входного импульса , равная времени переключения первой ступени триггера ; Цай / » -??⁶ '" время задержки распространения сигнала в триггере ( в его второй отупен-

ии ).

Этим параметром характеривуется ввотродеиотви» сче тика , исполь­ зуемого в качестве делителя частотн . Вов в процессе счета тре­ буется выдача двоичных ходов в другие увлв ЦВМ , х выходам всех разрядов подкшчавкя схемы опроса , ущввяяемне сигналом выдачи кода ( НС ). Считывание хода со счетчика проводится после заверие - ши переходных процвооов , связанных о переключением триггеров . В этом случае период раоотн счетчика определяется соотношением

где zL / - длительность сигнала считывания .

' 27

ЙЮ. 20

Чаотота входных сигналов счетчика равна 4- * —. Синхронные счетчики о ускоренным пеявнпмшг

Для повышения быстродействия очетчиха необходимо ввести в схему цепи, уокоряицие распространение переноса. В синхронном счетчике оо сквозным - реяосом (рис. 21) счетный сигнал поступа­ет одновтчменно на сиахровходв всех триггеров. Переносы из раз­ ряда в разряд осуществляются по цепи сквозного переноса, состав­ ленной из элементов И. Перенос из I -го разряда вырабатывается о псионы» элемента И в соответствии с выражением Р-&, О_г При этом /> принимается равным единице. Переход счетчика из од! нрп состояния в другое протекает следующим образом. Во время паузы между входными оигналаии в цепи перенооов формируются оиг- наш Р , поступающие на управляющие Т-входы триггеров: 28 •

Рис . 21

После окончания переходных процессов в цепи перенооов на синхро - входы триггеров подается счетный сигнал . Если Л ., • / , то £- й триггер переключается в противоположное состояние ,, а если ^^ = «с 0, то триггер сохраняет свое прежнее состояние . Таким образом ,, переключение разрядов счетчика происходит одновременно в зависи­мости от сигналов на управляющих входах . После перехода счетчика в новое состояние в пели перенооов ^ чрабатнвавтся вовне управляю­ щие сигналы . Пах как этот процесс обеспечивает передачу перено­сов между разрядами , то задержка распространения переносов от - считывается о момента переключения счетчика и равн .. суммарной задержке переключения , элементов И . Время уотановки хода в счет­ чике , измеряемое с момента окончания счетного импульса , равно времени переключения второй ступени триггеров : i ^. _T * t ^.^. r /" Период рабо ""> счетчика оо оквозвнм переносом определяется соот -

29

ТО * 4 х ?./>.. л > - ЧРвмя вадерюя распространения сигнала логичес­кого элемента в цепи сквозного переноса .

В оч тчиках о параллельным переносом управляющие сигналы формируется независимо друг от друга . Перенос из с - го разря­ да определяется логическим произведением

Рис . 22

В параллельном счетчике с возрастанием номера разряда увели­ чивается число входов элементов И . Так хах реальные элементы имеют конечное число входов и ограниченную нагрузочную способ­ность , разрядность счетчиков о параллельным переносом обычно не­велика . В тех случаях , когда допустимое число входов элементов И меньше числа разрядов очетчика , последний разбивается на груп­пы . Внутри каждой группы веревоо осуществляется параллельным опоообом . перенос между группами реализуется последовательно или по опоообу сквозного перенооа .

При построении цветовых устройств часто требуются счетчики по модуле М * 2 ^п ( недвоичные счетчики ). Среди них широкое ' применение находят двоично - десятичные счетчики с модулем счета М * 10. Принципы построения синхронных очетчиков с произвольным коэффициентом счета рассмотрим на примере синтеза десятичного счетчика на УА ¹ - триггерах , работающего в коде 8-4-2-1. Функцио - внро - дние счетчика описывает таблица ооотояний ( табл . 5). Преоб­разуем таблицу состояний очетчика к виду , удобному для определе­ ния функций возбуждения каждого триггера . Для этого вместо сос­ тояний триггеров укажем в таблице типы переходов каждого тригге -

30 ; . ■

ра при последовательной смене состояний счетчика . Так как триг­ гер может иметь два устойчивых состояния (0 и I ), то возможны ■ четыре типа переходов из текущего состояния Q * \ в последующее состояние Q^ir '': 0-0, 0-1, 1-0, I - I » Сравнивая по табл . 5 сос­ тояния триггеров Q_f , Q_z , &₃ , Q ^ до и после перехода счет­ чика в новое состояние , определяем типы переходов каждого триг­гера и заносим их в табл . 6. Далее для определения сигналов на входах триггеров • £ , /£ (<," •» I , 2, 3, 4) воспользуемся мат­рицей переходов Ж - триггера ( табл . 7). В каждой строке этой матрицы указаны значения сигналов на входах С ? и Л " , обеспечи­вающие тот или иной переход триггера . При этом буквой « ; обоз­ начен сигнал , который может иметь произвольное значение (0 или I ). . В каждой строке табл . 6 отмечаются значения сигналов на вхо­ дах триггеров , при которых обеспечивается требуемое переключение счетчика . Табл . 6 позволяет определить функция возбуждения управ­ ляющих входов У и К всех триггеров :

о целью упрощения функций заполним карты Вейча ( ряс . 23), отме­тив на них запрещенные состояния счетчика крестиком .

Таблица б

Минимизация функций возбуждения сводятся к минимизации не­полностью определенных логических функций , так как функции воз­ буждения для запрещенных состояний счетчика не определены . Дооп­ ределяя функции , можно упро стить искомые выражения . После упро­щений функции возбуждения имеют вид

31

32

Рис. 23

S3

Задание и порядок проведения работы

1. Собрать четырехразрядный суммирующий счетчик с последова­
тельным переносом , используя для этого 2) - триггеры с прямым
динамическим синхронизирующим входом . Проверить работу счетчика
от о . яночных импульсов , подключав к прямому выходу каддого раз­
ряда световые Ендикаторы . Подать на вход счетчика импульсы с вы­
хода генератора . Просмотреть на экране осциллографа диаграммы сиг­
налов на входе и выходах счетчика , зарисовать их и измерить их
параметры . Измерить максимальнее время установления счетчика .

Примечшше . Чтобы измерить длительность переходного процес­са , протекающего в определенном рабочем такте , необходимо осуще­ствить запуск развертки осциллографа сигналом , который вырабаты­вается непосредственно перед началом исследуемого процесса . Тре­ буемый сигнал можно выделить из последовательности входных . сигна­ лов , используя для этого элемент И , возбужденный от сигналами • предшествующего состояния счетчика .

2. Собрать счетчик с последовательным переносом на ^- триг­
герах . Проверить ' его работу и построить временные диаграммы . Из­
мерить максимальное время установления счетчика .

3. Синтезировать двоично - десятичный счетчик с заданной пос­
ледовательностью состояний . Последовательность состояний счетчи­
ка для каждого . варианта работы приведена в табл . 2; десятичными
номерами обозначены двоичные наборы , характеризующие состояние
очетчика . Начертить схему счетчика на элементах интегрального ба­
зиса ( И - НЕ , И - ШШ - НЕ ), синхронных Ж - триггерах , у которых дей -
отвующие значения сигналов С / и К определяются логическими
произведениями С ^ ^к У , У_Л У _£ и К , - Л > л ^ Aj .

4. Собрать десятичный очетчик , используя элементную базу
учебного макета . Установить счетчик в начальное состояние , подав
на установочные входы /? , S нулевой потенциал . Проверить ра­
боту счетчика от одиночных импульсов . Подать на вход счетчика
импульон о выхода генератора . С помощью осциллографа просмотреть
диаграммы сигналов на i . ходах очетчика и зарисовать их . Показать
преподава '. лю работу отлаженной схемы на экране осциллографа .
Намерить время установления синхронного счетчика .

5. Составить отчет .

Требования к отчету

лчет должен содержать электрические функциональные схемы
исследуемых счетчиков, временные диаграммы сигналов счетчиков,
материалы по синтезу двоично-десятичного счетчика, результаты
измерений.
34 ' .

Контрольные вопросы

1. Что называется счетчиком ?

2. Что называется коэффициентом пересчета ?

3. Перечислить основные классификационные признаки счетчи-

ков .

4. Указать основные параметры счетчиков .

5. Что такое время установки кода счетчика ?

6. Объяснять работу асинхронного счетчика о последователь - .
ним переносом , оценить его быстродействие .

7. Объяснять работу счетчика оо ckboshhm переносом , оценить
его быстродействие .

8. Объяснить работу синхронного очетчика с параллельным пе­
реносом , оценить его быстродействие .

9. Объяснить методику синтеза синхронных счетчиков на двух­
ступенчатых ^- триггерах .

ЛИТЕРАТУРА

1. Соловьев Г . Н ., Кальнин Б . И ., Рыбаков А . А . и др . Цифровые
вычислительные машины ( элементы , узлы , устройства ). - Ы„ : Атоы -
издат , 1977.

2. Букреев И . Н ., Мансуров Б . М ., Горячев В . Ы . Микроэлектрон -
ные схемы цифровых устройств . - Ы .: Сов . радио , 1976.

3. Алексенко А . Г ., Шагурин И . И . Микросхемотехнюса . - М .:
Радио и связь ,/1982.

Работа К» I Исследование дешифраторов ................................................. 3

ft бота № 2. Исследование регистров сдвига ............................................. 15

Ваботс № 3. Исследование счетчиков .................................................. 23

Литература .................................................................................................... 35

Приложение ................................................................................................... 36