Материал: Цифровые элементы и узлы. лабораторный практикум. Тюрин С.В

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_wс, 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

8. Лабораторная работа № 8

ТЕМА: Привязка асинхронных внешних сигналов к внутреннему тактовому генератору цифрового устройства.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Получение практических навыков по способам ввода асинхронных данных в цифровое устройство.

ЗАДАНИЕ НА ЛАБОРАТОРНУЮ РАБОТУ: Разработать и реализовать на лабораторной установке «Схемотехника ЭВМ» устройство формирования пачки из трех периодов внутреннего тактового генератора по асинхронному внешнему сигналу. В качестве сигналов внутреннего тактового генератора использовать сигналы ТИ1, а в качестве асинхронных внешних сигналов использовать сигналы ТИ2.

Н а уровне «черного ящика» формирователь пачки импульсов представлен на рис.8.1, а на рис. 8.2 представлена временная диаграмма, иллюстрирующая работу формирователя.

Рис.8.1. Формирователь пачки импульсов на уровне

« черного ящика»

Рис. 8.2. Временная диаграмма, поясняющая алгоритм работы формирователя пачки импульсов

8.1. Краткие теоретические сведения

В подавляющем большинстве случаев в цифровых системах используется циклическая синхронизация для надежной организации вычислительных и управляющих процессов. Вместе с этим, для управления собственно цифровой системой используются внешние сигналы, которые могут формироваться пользователем с помощью кнопочных переключателей, а так же другими цифровыми системами, с которыми предусмотрено взаимодействие. Эти внешние сигналы являются асинхронными по отношению к внутренней тактовой частоте цифрового устройства. По сути это означает, что момент воздействия на цифровую систему этих асинхронных сигналов не предсказуем, но адекватная (т.е. правильная) реакция цифровой системы на каждый такой асинхронный входной сигнал возможна только в определенный рабочий временной интервал. Именно в этой связи и возникает задача «привязки» [4] асинхронных внешних сигналов к определенным временным интервалам, формируемых циклической синхронизацией цифровой системы. В частном случае, возникает задача привязки внешних асинхронных сигналов к сигналам внутреннего задающего генератора.

При воздействии асинхронного внешнего сигнала может потребоваться такая его «привязка», в результате которой достаточно сформировать только один внутренний сигнал. Однако не редки и такие ситуации, когда требуется сформировать пачку внутренних сигналов.

Типовая схема привязки одиночного асинхронного сигнала надежно выполняется с использованием двух синхронных D-триггеров. Для формирования заданной пачки по асинхронному сигналу потребуется волнительный фрагмент схемы, включающий счетчик, требуемой разрядности.

Заключение

Содержание лабораторных работ и сопровождающий их теоретический материал направлен на получение практических навыков, минимально необходимых инженерам по специальности 230101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» при разработке, отладке и эксплуатации аппаратного обеспечения средств вычислительной техники.

Параллельное использование при выполнении лабораторных работ натурного и имитационного экспериментов дает возможность практически сравнить их достоинства и недостатки. На этой основе вырабатываются навыки по наиболее адекватному применению различных экспериментальных методов при решении практических задач.

Использование в лабораторном практикуме пакета схемотехнического моделирования Electronics Workbench 5.Х обусловлено не столько возможностью его свободного использования, сколько простотой его практического освоения и наличием виртуальных приборов, обязательно используемых в повседневной практике специалистами по аппаратной части вычислительной техники – вольтметры, амперметры, генераторы сигналов, генераторы двоичных последовательностей, логический анализатор и осциллограф. Такой состав виртуальных измерительных приборов и традиционный вид их лицевых панелей позволяют дополнительно получить практические навыки по их применению и управлению.

Вдумчивое выполнение всех лабораторных работ данного лабораторного практикума подготавливает к выполнению курсового проекта по дисциплине «Схемотехника ЭВМ». Целью курсового проекта является самостоятельная разработка работоспособной схемы электрической принципиальной цифрового устройства на интегральных схемах малой и средней степени интеграции.