Киров 2011

Публикуется в редакции автора

ЛР № 020648 от 16 декабря 1997 г.

Подписано в печать 27.12.2004 г. Формат 60х84/16. Бумага для множительных аппаратов. Печать ризографная. Гарнитура «Times New Roman». Усл. печ. л. 1. Уч.-изд. л. 0,8. Тираж 150 экз. Заказ № 167.

Издательство АГАУ

656099, г. Барнаул, пр. Красноармейский, 98

62-84-26

Применение САПР Quartus для синтеза абстрактных и структурных автоматов

Учебное пособие

Киров 2011

УДК 681.332

Мельцов В.Ю. Применение САПР Quartus для синтеза абстрактных и структурных автоматов. –Киров: ГОУ ВПО ВятГУ, 2011, 86 с.

В учебном пособии даются пояснения по выполнению основных этапов синтеза абстрактных и структурных автоматов, реализующих вычислительные алгоритмы для ЭВМ: выбору функциональной схемы операционного автомата, разработке и разметке содержательной ГСА, построению графа автомата и структурной таблицы переходов и выходов, выбору функциональной схемы управляющего автомата, кодированию состояний управляющего автомата, формированию логических выражений для функций возбуждения и функций выходов, построению логической схемы микропрограммного управляющего автомата, реализации операционного и управляющего автомата в САПР Quartus.

Основной целью учебного пособия является помощь в приобретении практических навыков синтеза операционного и управляющего микропрограммных автоматов с жесткой логикой на основе разработки машинных алгоритмов одной из заданных арифметических операций.

Предлагаемое учебное пособие может быть рекомендовано студентам, бакалаврам и магистрам направления 230101 – Информатика и вычислительная техника (профиль «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети») для выполнения лабораторных работ, курсовых проектов и самостоятельной работы по дисциплинам, связанным с проектирование цифровых устройств вычислительной техники («Теория автоматов», «Схемотехника», «Микропроцессорные системы» и т.д.), а также студентам других направлений, занимающихся разработкой микропрограммных технических устройств и микроконтроллерных систем.

ã В.Ю. Мельцов, 2011

Содержание

1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ СИНТЕЗА УПРАВЛЯЮЩИХ АВТОМАТОВ.. 4

1.1. Функциональная схема операционного автомата. 6

1.2 Разработка содержательной граф-схемы алгоритма. 15

1.3 Разметка содержательной граф-схемы алгоритма. 16

1.4. Построение графа автомата и структурной таблицы переходов и выходов. 18

1.5 Выбор и обоснование структурной схемы управляющего автомата. 19

1.6. Кодирование состояний управляющего автомата. 22

1.7. Формирование логических выражений для функций возбуждения и функций выходов 25

1.8. Построение функциональной схемы управляющего МПА.. 26

2. СИНТЕЗ АБСТРАКТНЫХ АВТОМАТОВ.. 27

2.1 Описание алгоритма умножения чисел с ПЗ. 28

2.2 Численный пример. 29

2.3 Разработка функциональной схемы операционного автомата. 31

2.4 Разработка содержательной ГСА.. 33

2.5 Построение отмеченной граф-схемы алгоритма. 37

2.6 Построение графа автомата. 40

2.7 Кодирование состояний автомата, выбор элементов памяти. 41

3. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ ОПЕРАЦИОННОГО АВТОМАТА В САПР QUARTUS 46

3.1 Построение блока входных данных. 48

3.2 Построение блока выполнения операции. 54

3.3 Блок выдачи результата. 58

3.4 Построение управляющего автомата. 63

4 СИНТЕЗ УПРАВЛЯЮЩЕГО АВТОМАТА В САПР QUARTUS. 68

5. ПОСТРОЕНИЕ ОБЪЕДИНЁННОЙ СХЕМЫ ОПЕРАЦИОННОГО И УПРАВЛЯЮЩЕГО АВТОМАТА 79

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.. 84

7. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА.. 85

1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ СИНТЕЗА УПРАВЛЯЮЩИХ АВТОМАТОВ

Любое вычислительное устройство может быть представлено композицией взаимодействующих пар автоматов - операционного автомата и управляющего автомата (рис.1).

Рис. 1. Структура цифрового вычислительного устройства

Операционный автомат (ОА) содержит операционные устройства - регистры, сумматоры, счётчики, дешифраторы, мультиплексоры и др., на которых выполняется преобразование информации. В операционный автомат из других устройств ЭВМ поступают операнды по входной шине (ШИВх), а после выполнения предписанной операции результат по выходной шине (ШИВых) передается в другие устройства ЭВМ.

Управляющий автомат (УА) в соответствии с кодом операции (КОП) и внешними сигналами (пуск, синхронизация) вырабатывает множество управ-ляющих сигналов, которые поступают в операционный автомат и изменяют состояние операционных устройств в соответствии с реализуемой микропрограммой. Порядок следования управляющих сигналов определяется специальными осведомительными сигналами, называемыми логическими условиями (ЛУ), которые формируются на устройствах операционного автомата и значения которых проверяются в каждом такте работы управляющего автомата. После завершения выполнения операции управляющий автомат посылает на ШИВых сигнал останова.

Далее следует четко определить несколько понятий, которые широко используются при синтезе вычислительных устройств.

Микрооперация (МО) - это элементарный акт обработки информации в операционном автомате на одном устройстве за один такт машинного времени под воздействием одного управляющего сигнала.

Микрокоманда (МК) - это совокупность микроопераций, выполняемых на нескольких устройствах одновременно за один такт машинного времени под воздействием нескольких управляющих сигналов.

Микропрограмма - это совокупность микрокоманд и функций перехода (зависящих от логических условий) реализуемая за несколько тактов машинного времени.

Управляющий автомат, реализующий микропрограмму работы дискретного устройства, называется микропрограммным автоматом (МПА). Существует несколько способов проектирования управляющего МПА, среди которых наиболее известны:

- управляющие автоматы с "жесткой" или схемной логикой;

- управляющие автоматы с хранимой в памяти или программируемой логикой;

- управляющие автоматы на программируемых БИС с матричной структурой.

При проектировании управляющего микропрограммного автомата с жесткой логикой можно выделить следующие основные этапы:

1. Выбор функциональной схемы ОА, определение списка микроопераций и логических условий.

2. Разработка содержательной граф-схемы алгоритма (ГСА) в соответствии со словесным описанием алгоритма заданной операции и выбранной структурой ОА.

3. Разметка содержательной ГСА и формирование отмеченной ГСА для модели Мили и (или) модели Мура.

4. Построение графа автомата и структурной таблицы переходов и выходов.

5. Выбор и обоснование функциональной схемы УА.

6. Выбор способа кодирования внутренних состояний УА, типа элементов памяти (ЭП) и завершение формирования структурной таблицы.

7. Запись логических выражений для функции возбуждения ЭП, функций выходов и их совместная минимизация.

8. Построение логической (принципиальной) схемы управляющего МПА, цепей начальной установки, синхронизации и запуска.

Ниже будут даны некоторые рекомендации по реализации перечисленных этапов синтеза МПА.