КОДИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Функционирование КП описывается в виде таблицы, в которой каждому из значений кода A ставится в соответствие m-разрядное значение кода C (рисунок 1).

Рисунок 1 – Преобразователь кода A в код C по произвольному закону

В таблице 1 определена функция преобразователя двоично-десятичного кода 8421 в двоично-десятичный код с избытком 3.

Таблица 1

Функционирование КП

При синтезе схемы КП будем рассматривать преобразователь как систему булевых функций группы аргументов. Например, будем считать, что таблица 1 является таблицей истинности для задания функций C₁, C₂, C₃, C₄:

C₁ = F₁ (A₁, А₂, А₃, А₄);

C₂ = F₂ (A₁, А₂, А₃, А₄);

C₃ = F₃ (A₁, А₂, А₃, А₄);

C₄ = F₄ (A₁, А₂, А₃, А₄).

Простейшим способом построения схемы, отрабатывающей систему функций с m выходами, является синтез обычными методами m независимых одновыходных функций.

Синтез состоит из следующих четырех этапов:

1. По таблице функционирования КП составляются диаграммы Вейча для функций C₁, C₂, ..., C_m.

2. При минимизации системы функций, указанной в п.1, принципиально возможны два пути:

- независимая минимизация каждой из m функций;

- совместная минимизация системы переключательных функций (двух и более функций).

При совместной минимизации результирующая система может оказаться проще, чем совокупность независимо минимизированных функций. Это свойство проявляется при наличии общих для нескольких переключательных функций составляющих.

По заполненным в п.1 диаграммам производится минимизация функций C₁, C₂, ..., C_m первым путем (минимизация проводится по единичным и нулевым значениям функций). Если для нескольких выходных функций имеются общие составляющие, то производится совместная минимизация этих функций.

3. По результатам минимизации выходные функции записываются в минимальной дизъюнктивной нормальной форме (ДНФ).

4. Рассматриваются различные варианты построения функциональной схемы КП по минимальным выражениям для выходных функций, полученным в п.3, с использованием различных логических элементов, приведенных в таблице 2 и элементов Micro-Cap 10. Проводится сравнительный анализ этих вариантов и выбирается тот, который имеет наилучшие качественные характеристики.

Таблица 2

Цифровые микросхемы

Для сравнения различных вариантов схем, реализующих одну и ту же функцию, нужно уметь оценивать их качество.

Сложность схемы определяется по методу Квайна:

1. По построенным диаграммам Вейча проводится минимизация по единичным и нулевым значениям выходных выражений.

2. Вычисляется ранг выражений по количеству входов, определяющих составленную схему.

3. Для компиляции схемы выбираются выражения с наименьшим рангом.

На окончательные показатели качества реального блока, который будет построен на основании некоторой схемы, влияют также и параметры этапа конструкторского проектирования (характер размещения элементов, трассировка связей и т.п.), неизвестные на этапе разработки функциональной схемы. Потому разумной является постановка вопроса не о точном вычислении значения качества, а лишь о приближенной его оценке, позволяющей если не выбрать гарантированно наилучшую функциональную схему, то хотя бы отсеять множество явно неперспективных и выделить небольшой список неразличимых по качеству на данном этапе схем с целью дальнейшего более внимательного изучения.

Наиболее распространенной методикой оценки качества схем является оценка по двум параметрам:

- по внутренней задержке T;

- по аппаратурным затратам (сложности) W.

Если проектирование блока специально ориентировано на достижение еще каких-либо целей (уменьшение потребляемой мощности, повышение надежности и т.п.), то вместо (или вместе с) T и W в процедуру оценки качества схемы можно включить любые актуальные для разработчика параметры. Принципиальных изменений в излагаемом подходе это не вызовет.

При работе на микросхемах внутренняя задержка T схемы достаточно объективно оценивается значением среднего времени задержки распространения входящих в нее элементов. В рамках одной серии обычно целесообразно полагать, что задержки всех логических элементов россыпи (И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ) одинаковы и равны некоторой усредненной для данной серии величине – t.

Для серии микросхем К155 (ТТЛ технология) значение t можно принять равным 20 нс.При подключении одного расширителя типа ЛД1 к расширяемому элементу типа ЛР1 время его переключения увеличится на 5 нс и станет равным 25 нс (1,25t).

Аппаратурные затраты W функционального узла можно оценивать числом корпусов, которые используются при построении схемы. При этом неиспользованные элементы частично занятого корпуса не учитываются в оценке W, они могут быть использованы в других узлах. Подсчеты величины W удобно производить в двенадцатыхдолях, т.к. аппаратурные затраты схемы складываются из аппаратурных затрат входящих в нее элементов, а количество элементов в различных корпусах микросхем неодинаково – 1, 2, 3, 4, 6 (см. таблицу 2).

Построив несколько вариантов схем, необходимо выбрать наилучший из этих вариантов. В данном случае качество схемы оценивается по двум параметрам, задачу выбора наилучшего варианта можно сформулировать следующим образом: необходимо найти схему, для которой аппаратурные затраты и внутренняя задержка были бы наименьшими. Если такой схемы нет, то необходимо выделить список схем, неразличимых по качеству на данном этапе, т.е. выделить схемы, которые являются лучшими по сравнению с другими.

Рассмотрим синтез схем КП двоично-десятичного кода 8421 в двоично-десятичный код с избытком 3, закон функционирования которого представлен в таблице 1.

По таблице 1 составим диаграммы Вейча для выходных функций КП C₁, C₂, C₃, C₄ (рисунок 2).

			A2
				A1
				-	-					-	-					-	-				1	-	-
			-	-	-	-			-	-	-	-			-	-	-	-			-	-	-	-
A4
A3
		С1			С2			С3			С4

Рисунок 2 – Минимизация выходных функций C₁, C₂, C₃, C₄

На рисунке 2 представлена минимизация выходных функций по единичным значениям. Результаты минимизации по единичным и нулевым значениям сведены в таблицу 3.

Таблица 3

ДНФ выходных функций

Функция	«1»	Ранг	«0»	Ранг
C1
C2
C3
C4

По выражениям, приведенным в таблице 3, можно построить несколько различных вариантов схем (рисунок 3).

Схема 1	Схема 2
Схема 3

Рисунок 3 – Варианты построения схемы КП «8421 в ИЗБ3"

Для трех вариантов схем КП, представленных на рисунке 3, в таблице 4 указана следующая информация:

- корпуса микросхем, использованных для построения схемы КП;

- аппаратурные затраты, необходимые для реализации функций C₂, C₃ и C₄ (WС₂, WС₃и WС₄соответственно);

- общие аппаратурные затраты W, которые определяются как сумма аппаратурных затрат отдельных функций;

- внутренняя задержка схемы КП – Т.

Таблица 4

Сравнительный анализ вариантов схем КП (см. рисунок 3)

Для реализации функции C₁ не требуется использование логических элементов, так как входную информацию схемы можно подавать на выход непосредственно в парафазном коде, поэтому WС₁=0.

При желании можно построить еще ряд схем КП «8421 в ИЗБ3" и сравнить их по параметрам W и T с представленными схемами на рисунке 3.

Согласно таблице 4 схема под №3 будет иметь наименьшие аппаратурные затраты (W = 18/12) и наименьшую внутреннюю задержку (T = 1,25 t).

2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Получить вариант задания у преподавателя.

2. Выполнить четыре этапа синтеза КП в соответствии с индивидуальным заданием.

3. Произвести моделирование КП в системе Micro-Cap 10.

4. Проверить работоспособность КП на временных диаграммах. Контроль работоспособности схемы осуществляется по таблице функционирования КП.

5. Результаты работы показать преподавателю.

6. Оформить отчет.

3. ЗАДАНИЕ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Задание к лабораторной работе формируется по таблицам 5 и 6 в соответствии с вариантом, полученным у преподавателя. В таблице 5 приведены разновидности двоично-десятичных кодов, а в таблице 6 указан вид КП, который необходимо синтезировать.

Таблица 5

Двоично-десятичные коды

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет о лабораторной работе должен содержать:

- титульный лист;

- индивидуальное задание на синтез КП;

- таблицу функционирования КП;

- диаграммы Вейча для выходных функций КП;

- ДНФ выходных функций;

- не менее 3-х различных вариантов построения схемы КП;

- временные диаграммы работы КП;

- сравнительный анализ вариантов схем КП по параметрам W и T.

Таблица 6

Индивидуальное задание

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Кодовый преобразователь. Способы реализации КП.

2. Кодовый преобразователь. Этапа синтеза КП.

3. Метод Квайна.

4. Методики оценки качества цифровых схем.

5. Внутренняя задержка. Аппаратурные затраты.