Курсовой Проект Электроника и Схемотехника. КП Жучков М.К.. Курсовой проект по дисциплине Электроника и схемотехника на тему Логический синтез комбинационных цифровых устройств преобразования информации с элементами функционального контроля
 Скачать 1.58 Mb.
|
4 Выбор и обоснование применяемого логического базиса. Преобразование булевых функций к выбранному логическому базису4.1 Понятие функционально-полного логического базиса, вид функционально-полных логических базисовЛогические функции могут быть реализованы простейшими логическими элементами. Совокупность логических элементов И, ИЛИ, НЕ, с помощью которых можно воспроизвести и реализовать любую ФАЛ, будем называть полным логическим базисом. Базис И, ИЛИ, НЕ обладает избыточностью и не является минимальным. Из этой совокупности ЛЭ можно исключить логический элемент И (либо ЛЭ ИЛИ), тогда наборы И, НЕ и ИЛИ, НЕ также будут обладать свойством базиса. При проектировании логических схем вычислительной техники самое широкое применение получили базис Шеффера И-НЕ и базис Пирса ИЛИ-НЕ, обладающие свойством логического базиса. Следует отметить, что одну и ту же логическую функцию (операцию) можно реализовать в различных базисах. Покажем это на примерах простых логических операций дизъюнкции и конъюнкции:  (1) (2)Используя законы де Моргана, преобразуем данные логические выражения:  (3) (4)Выражения (3) и (4) отражают принцип двойственности алгебры логики: если в логическом выражении операцию дизъюнкции заменить на операцию конъюнкции (либо наоборот) и проинвертировать все переменные, то результат окажется инверсным прежнему значению. Используя принцип двойственности алгебры логики, реализуем логические выражения (1) и (2) в различных базисах. Покажем, что логическую операцию (функцию) ИЛИ можно выполнить в базисах НЕ, И либо в базисе Шеффера И-НЕ. Структурная схема данного преобразования представлена на рисунке 11.  Рисунок 11 — Структурная схема преобразования функции  Из рисунка 11 следует: если переименовать все входы и выходы логического элемента ЛЭ1 на инверсные значения и заменить ЛЭ1 дизъюнкции на ЛЭ2 конъюнкции, то функции дизъюнкции можно выполнить с помощью элементов НЕ, И (ЛС3) либо базиса Шеффера И-НЕ (ЛС4). Все логические схемы (рисунок 11) выполняют логическую операцию (функцию) ИЛИ, которую можно реализовать на однотипных логических элементах И-НЕ, а при наличии инверсных сигналов в проектируемом устройстве — на одном ЛЭ И-НЕ. На рис.11 ЛС3 и ЛС4 — логические схемы, в состав которых входят несколько логических элементов ЛЭ. Аналогично можно показать, что логическую операцию (функцию) И можно выполнить в базисах НЕ, ИЛИ либо в базисе Пирса ИЛИ-НЕ. Структурная схема данного преобразования представлена на рисунке 12.  Рисунок 12 — Структурная схема преобразования функции  4.2 Методы преобразования булевых функций к заданному логическому базису. Выбор метода преобразованияРазработка функциональной схемы проектируемого устройства основывается на полученных в результате совместной минимизации алгебраических выражениях булевых функций выходов. Далее полученная функциональная схема приводится к выбранному схемотехническому базису логических элементов (И-НЕ, ИЛИ-HE) путем эквивалентных алгебраических преобразований на основании правил де Моргана. В данной работе наиболее удобна реализация проектируемого устройства в функциональном базисе И - НЕ, так же называемым штрихом Шеффера. Для приведения ЛФ из базиса И, ИЛИ, НЕ в базис И-НЕ используют закон двойного отрицания. Затем на основании таких алгебраических выражений строится функциональная схема в заданном базисе логических элементов. С левой стороны функциональной схемы показываются информационные шины прямые и инверсные логических переменных Х4Х3Х2Х1Х0. Затем показываются логические элементы И-НЕ, формирующие соответствующие сомножители, а затем — логические элементы, формирующие соответствующие функции выходов. 4.3 Преобразование булевых функций к выбранному логическому базисуРазработка функциональной схемы проектируемого устройства основывается вначале на полученных в результате совместной минимизации алгебраических выражениях булевых функций выходов. Представим булевы функции выходов кодопреобразователя, полученные в разделе 5.3, в функциональном базисе логических элементов И-НЕ с помощью эквивалентных алгебраических преобразований на основании правил де Моргана. Для краткости записи функции   обозначим cоотвественно.Функция выхода Y3:  Функция выхода Y2:  Функция выхода Y1:  Функция выхода Y0:  5 Компьютерное моделирование спроектированного комбинационного устройства5.1 Разработка и описание функциональной модели комбинационного устройства в среде компьютерного моделирования Electronics Workbench.При реализации функциональной схемы проектируемого цифрового устройства на базе комплекса схемотехнического моделирования Electronics Workbench необходимо ориентироваться на тот функциональный базис логических элементов, на котором и будет реализована принципиальная схема. Так как проектируемая схема реализуется в функционально полном логическом базисе И-НЕ, то из радела Logic Gates необходимо взять элементы И-НЕ для реализации соответствующих сомножителей минимизированной булевой функции. Элементы НЕ используются для формирования инверсных входных логических переменных. На разрабатываемой функциональной схеме целесообразно показать элементы, формирующие входной код. Это реализуется с помощью источника питания и ключевых элементов, управляемых с помощью соответствующих клавиш. Инверсные значения сформированы с помощью использования классического инвертора — элемента НЕ. Для контроля правильности формирования входного кода и правильности преобразования (формирования) выходного кода целесообразно использовать элементы индикации. Замкнутое положение ключа (ключ подключен к источнику напряжения) соответствует значению логической единицы для соответствующей входной переменной. При этом загорается соответствующий элемент индикации. Разомкнутое же положение ключа (ключ подключен к заземлению) соответствует значению логического нуля. 5.2 Результаты моделирования и их анализРезультаты моделирования функциональной модели комбинационного устройства в среде компьютерного моделирования Electronics Workbench приведены в приложениях А1 — А5. В приложениях представлены результаты работы комбинационного устройства при пяти различных входных комбинациях, которые полностью соответствуют таблице входов и выходов, представленной в пункте 3 данного курсового проекта. ЗаключениеВ результате выполнения курсового проекта, были получены теоретические знания и практические навыки логического синтеза комбинационных устройств. Для синтеза комбинационного устройства была произведена минимизация булевых функций — выходов, а также был выбран логический базис, вследствие чего был определен общий вид проектируемого комбинационного устройства и его технические характеристики. Разработанное комбинационное устройство реализует одноключевой шифр простой замены согласно таблице замены индивидуального задания. Реализация комбинационного цифрового устройства предполагает выбор определенных логических элементов из заданного набора и их соединение таким образом, чтобы обеспечивалась зависимость цифровых выходных сигналов от входных с заданными правилами функционирования. При реализации устройства широко используются интегральные комбинационные логические микросхемы, образующие основу элементной базы цифровой электроники. При выборе конкретной микросхемы необходимо руководствоваться видом реализуемой ею логической функции, быстродействием, нагрузочной способностью и возможностью совместимости электрических характеристик входных и выходных сигналов с остальными элементами схемы. Был произведён синтез структурной, функциональной и электрической принципиальной схем разработанного устройства, выбраны и обоснованы критерии подбора интегральных микросхем, рассчитаны объём аппаратурных затрат, быстродействие проектируемого устройства, а также его потребляемая мощность. Список использованной литературыТельнов Г.В., Финько О.А. Логический синтез комбинационных цифровых устройств преобразования информации с элементами функционального контроля. Учебно – методическое пособие. - г. Краснодар.: Мир Кубани, 2013. – 140 с. Шнайер Б. Прикладная криптография. Протоколы, алгоритмы, исходные тексты на языке С. 2-е издание . 30-45 с Шнайер Б. Подстановочные шифры // Прикладная криптография. Протоколы, алгоритмы, исходные тексты на языке Си = Applied Cryptography. Protocols, Algorithms and Source Code in C. — М.: Триумф, 2002. — С. 25—26. — 816 с. — 3000 экз. — ISBN 5-89392-055-4. Алферов А.П., Зубов А.Ю., Кузьмин А.С., Черемушкин А.В. Основы криптографии: Учебное пособие. — 3-е издание, испр. и доп. – М.: Гелиос АРВ, 2005. — 480 c.: ил Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: Учебное пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – СПБ.: БХВ-Петербург, 2007. – 800 с.: ил http://ru.wikipedia.org/wiki/ / Представление функции в виде полинома Жегалкина. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. – 6-е издание, стер. – М: КНОРУС, 2013 – 800 с. Ланских В.Г. Элементарная цифровая схемотехника: Учебное пособие. – Киров: Изд-во ВятГУ, 2009. – 82 с. Приложение А1. Модель функциональной схемы на базе комплекса схемотехнического моделирования Electronics Workbench  Вариант преобразования входного кода {  } = {00010} в выходной код { } = {1110} ⇔ ⟷  Приложение А2. Модель функциональной схемы на базе комплекса схемотехнического моделирования Electronics Workbench  Вариант преобразования входного кода { } = {00111} в выходной код { } = {1010} ⇔  ⟷  Приложение А3. Модель функциональной схемы на базе комплекса схемотехнического моделирования Electronics Workbench  Вариант преобразования входного кода { } = {10000} в выходной код { } = {1011} ⇔  ⟷  Приложение А4. Модель функциональной схемы на базе комплекса схемотехнического моделирования Electronics Workbench  Вариант преобразования входного кода { } = {10111} в выходной код { } = {1111} ⇔  ⟷  Приложение А5. Модель функциональной схемы на базе комплекса схемотехнического моделирования Electronics Workbench  Вариант преобразования входного кода { } = {11010} в выходной код { } = {0001} ⇔  ⟷ Приложение Б1. Модель принципиальной схемы на базе комплекса схемотехнического моделирования Sprint Layout 6.0  Приложение Б2. Модель принципиальной схемы на базе комплекса схемотехнического моделирования Sprint Layout 6.0  Приложение Б3. Модель принципиальной схемы на базе комплекса схемотехнического моделирования Sprint Layout 6.0  Приложение Б4. Модель принципиальной схемы на базе комплекса схемотехнического моделирования Sprint Layout 6.0  |