3. Задание к выполнению лабораторной работы

1. Изучить основные элементы языка AHDL и правила описания логических схем.

2. Сделать описание электрической схемы заданной в предыдущей работе при помощи текстового редактора САПР MAX+PLUS II.

3. Произвести симуляцию работы схемы. Зарисовать диаграммы работы и по ее результатам заполнить таблицу истинности смоделированной схемы.

4. Сравнить результаты, полученные в ходе выполнения лабораторной работы, с результатами, полученными в работе №2.

5. Оформить отчет о выполненной работе.

4. Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Описание электрической схемы на языке AHDL.

3. Таблица истинности.

4. Временные диаграммы работы синтезированной схемы.

5. Выводы по работе.

5. Контрольные вопросы

1. Дайте определение языка описания аппаратуры. Назовите существующие языки описания аппаратуры, укажите их отличия.

2. Назовите основные элементы языка AHDL, дайте их краткую характеристику.

3. Перечислите способы описания логических элементов в AHDL.

Лабораторная работа № 4

Моделирование цифровых схем с использованием параметрических элементов

1. Цель работы

Приобрести навыки использования параметрических элементов (LPM function) в САПР MAX+PLUS II, экспериментально исследовать счетчики и регистры, построенные на их основе.

2. Основные теоретические сведения

Счетчики и регистры

Регистры и счетчики относятся к разряду цифровых устройств и являются одним из наиболее распространенных элементов вычислительной техники. Они широко используются для построения устройств ввода, вывода и хранения информации, а также для выполнения некоторых арифметических и логических операций.

Для построения счетчиков и регистров используются синхронные триггеры, переключение которых происходит только при наличии синхронизирующего сигнала (синхроимпульса) на входе С. Наиболее часто для построения регистров и счетчиков используется универсальный D-триггер, имеющий специальный информационный вход D, и динамический вход С (рис.4.1).

EMBED Word.Picture.8

Рис. 4.1. D - триггер

Устройство, называемое счетчиком, предназначено для подсчета числа поступающих на вход сигналов (импульсов) в произвольной системе счисления.

Двоичные счетчики строятся на основе триггеров, работающих в счетном режиме (Т-триггер, или счетный триггер).

Счетный триггер может быть получен из универсального D-триггера путем соединения его инверсного выхода Q со входом D.

Счетный триггер и эпюры сигналов, поясняющие его работу, представлены на рис.4.2.

Рис. 4.2. Счетный триггер и его работа

У счетного триггера состояние выхода изменяется на противоположное при поступлении на вход С каждого очередного счетного импульса.

Функциональная схема и условное графическое обозначение двоичного счетчика с коэффициентом пересчета 23 представлена на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Двоичный счетчик

Каждый поступающий на вход счетчика импульс перебрасывает первый триггер в противоположное состояние (рис. 4.4). Сигнал с инверсного выхода предыдущего триггера является входным сигналом для последующего, и, таким образом, комбинация сигналов на выходах Q₁, Q₂, Q₃ будет соответствовать числу поступивших на вход счетчика импульсов, представленному в двоичном коде. Счетчик данного типа называется асинхронным счетчиком.

Рис. 4.4. Диаграммы работы двоичного счетчика

Если на счетный вход каждого последующего триггера счетчика подавать сигнал с прямого выхода предыдущего триггера, то счетчик будет производить операцию вычитания. Счетчики, способные выполнять функции сложения и вычитания, называются реверсивными.

Для построения счетчика с требуемым коэффициентом пересчета Кс, отличным от величины 2N (N – число двоичных разрядов счетчика), используется принудительный сброс счетчика в исходное состояние при достижении счетчиком числа Кс.

Устройство, называемое регистром, служит в основном для хранения чисел в двоичном коде при выполнении над ними различных арифметических и логических операций. С помощью регистров выполняются такие действия над числами, как передача их из одного устройства в другое, арифметический и логический сдвиг в сторону младших или старших разрядов, преобразование кода из последовательного в параллельный и наоборот и т.д.

Функциональная схема и условно-графическое обозначение регистра сдвига представлены на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Регистр сдвига

Последовательный информационный код поступит на вход D регистра.

Импульс команды сдвига С подается одновременно на синхронизирующие входы всех триггеров регистра и переводит каждый триггер в состояние, в котором находился триггер предыдущего разряда. Таким образом, каждый импульс команды сдвига «продвигает» записываемое число на один разряд вправо.

При введении обратной связи в регистр сдвига, последний превращается в замкнутое кольцо, в котором под воздействием тактовых импульсов циркулирует введенная в регистр информация. Такие регистры называют кольцевыми счетчиками. Кодовая единица, введенная в первый вход триггера, циркулирует в течение всего времени существования тактовых импульсов, подаваемых на входы С всех триггеров счетчика. Приходящий тактовый импульс перебрасывает триггер, который был в состоянии 1, в состояние 0. Поскольку выход Q этого триггера связан с входом D следующего триггера, то последний устанавливается в состояние 1 и т.д. Количество состояний такого счетчика равно числу триггеров.

Реализация проекта на параметрических элементах.

Применение параметрических элементов САПР MAX+PLUS II в разработке проектов цифровых схем рассмотрим на примере реализации реверсивного счетчика разрядностью 4.

Создаем новый файл графического редактора и сохраняем его под определенным именем (например lab_5) в предварительно созданном каталоге \max2work\lab_5. Двойным щелчком правой кнопки мыши открываем меню ввода символов (Enter Symbol), выбираем библиотеку mega_lpm и в ней выбираем lpm_counter. После нажатия кнопки OK появляется окно (Edit Ports/Parameters) редактирования параметров и входов/выходов счетчика (рис. 4.6). Выбрав необходимые входы/выходы счетчика в поле Ports и задав разрядность LPM_WIDTH и направление счета LPM_DIRECTION (в данном примере: вычитание) в поле Parameters, нажимаем кнопку OK.

Рис. 4.6. Окно редактирования параметров счетчика

Далее располагаем входные и выходные выводы схемы проекта. Когда схема создана, делаем проверку на предмет наличия ошибок ввода схемы, для чего запускаем компилятор.

Если компиляция прошла успешно, создаем файл симулятора для анализа работы счетчика. В созданном файле задаем входной (in) периодический сигнал с периодом следования импульсов в 20 нc. Сохраняем файл и запускаем симулятор.

Результатом симуляции будут диаграммы работы счетчика, приведенные на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Результат моделирования работы счетчика

Для анализа временных задержек запускаем временной анализатор (Timing Analyzer) и нажимаем кнопку START. Результаты временного анализа представлены на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Таблица временных задержек исследуемого счетчика

Из рис. 4.8 видно, что задержка распространения сигнала от входа до любого из выходов счетчика составляет 6,5 нc. Такие результаты получены при назначении ПЛИС типа EP610ILC-10. Если же выбрать ПЛИС семейства MAX3000A, то временные задержки в работе данного счетчика составят 3 нc.

Описание некоторых параметрических элементов САПР MAX+PLUS II представлено в приложении 2.