Komplexe Automaten. Versuch 3 im Informationselektronischen Praktikum. Studiengang Elektrotechnik und Informationstechnik

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Stefan Kaiser
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1 Fakultät für Elektrotechnik un Informationstechnik Institut für Mikro- un Nanoelektronik Fachgebiet Elektronische Schaltungen un Systeme Komplee Automaten Versuch 3 im Informationselektronischen Praktikum Stuiengang Elektrotechnik un Informationstechnik.Stuienschwerpunkt: Mikro-, Nanoelektronik un Elektrotechnologie (BA) Betreuer: Dipl.-Ing. Thomas Rommel Raum H556, Tel Praktikumsraum: H 555

2 Inhaltsvereichnis. VERSUCHSZIEL THEORETISCHE GRUNDLAGEN ALLGEMEINES SCHIEBEREGISTER MOORE- UND MEALY-AUTOMATEN ENTWURF KOMPLEXER SCHALTUNGEN AUF DER BASIS VON MOORE- UND MEALY-AUTOMATEN ALLGEMEINE BEDIENUNGSHINWEISE DER GRAFIKEDITOR FEHLERBEHEBUNG AUFGABEN HAUSAUFGABEN VERSUCHSDURCHFÜHRUNG Schieberegister (Aufgabe.ic3) Impulsfolgeerkennung (Aufgabe.ic3) Umwanlung MOORE- in MEALY-Automat (Aufgabe3.ic3) LITERATUR... 9 Komplee Digitale Automaten Verantwortliche Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Rommel, Tel. 7

3 . Versuchsiel. Theoretische Grunlagen.. Allgemeines Die hier argestellten Grunlagen sin ie für iesen Versuch unbeingt erforerlichen. Ausführlichere Erläuterungen u iesen Themen sin im Lehrbuch Synthese un Analyse igitaler Schaltungen von Prof. Dr. Scarbata [] nachuschlagen... Schieberegister In Schieberegistern können mehrere Bits, je nach Anahl er hintereinanergeschalteten Flipflops, gespeichert weren. Schieberegister bestehen aus getakteten Flipflops, ie weistufig (Master-Slave) oer taktflankengetriggert arbeiten. Geeignet afür sin.b. D-Flipflops. Mit jeem Taktimpuls wir ie Information eine Stelle nach rechts oer links weitergeschoben. Schieberegister weren auch als Parallel-Seriell-Wanler bw. Seriell-Parallel-Wanler genutt..3. MOORE- un MEALY-Automaten In en Abbilungen un sin ie Grunstrukturen für MOORE- un MEALY-Automaten argestellt. K f τ K g y K f τ K h y Abb. MOORE-Automat Abb. MEALY-Automat Die Ausgabe y ist beim MOORE-Automaten eine Funktion es Momentanustanes.h. y = g(). Beim MEALY-Automaten ist ie Ausgabe y neben em Momentanustan auch noch von er aktuellen Eingangsbelegung,.h. y = h(,) abhängig. In er Abb. 3 ist ein Beispiel für einen MOORE-Automatengraphen mit 5 Zustänen Z = {,,,3,4}, em Eingangsalphabet X = {,} argestellt un em Ausgangsalphabet Y = {,} argestellt. Abb. 4 enthält agegen ein Beispiel für einen MEALY-Automaten mit 4 Zustänen Z ={,,,3}, em Eingangsalphabet X = {,} un em Ausgangsalphabet Y ={,}. Komplee Digitale Automaten Verantwortliche Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Rommel, Tel. 7 3

4 4 3 µ y µ / / / / / / 3 Abb. 3 Abb. 4 Weitere Informationen au un auch ur Äquivalen bw. Umwanlung von Automatengraphen sin im Lehrbuch [] auf en Seiten 4ff verfügbar..4. Entwurf kompleer Schaltungen auf er Basis von MOORE- un MEALY-Automaten Die Abb. 5 eigt einen Automatengraphen, er eine vorgegebene Folge = (,,,) ientifiiert. Es wir vorausgesett, aß ie Folge mit er linken als führenes Bit un getaktet mit C am Eingang anliegt. Ist ie Folge erkannt, wir am Ausgang y eine ausgegeben, sonst eine µ y 3 4 Abb. 5 Startpunkt im Automatengraphen ist er Knoten. Solange eine am Eingang erscheint, verbleibt ie Erkennungsschaltung im Zustan, er urch charakterisiert ist. Mit er ersten einlaufenen erfolgt er Übergang nach, mit er folgenen erfolgt er Übergang nach usw. Erfolgt in jeoch wieer eine, so verharrt ie Schaltung in. Unterhalb er Knotenpunkte µ ist ie am Eingang er Schaltung mit jeem Takt C eingelaufene Im- Komplee Digitale Automaten Verantwortliche Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Rommel, Tel. 7 4

5 pulsfolge vermerkt. Ermittlung er Ansteuerfunktionen.B. für D-Flipflops, mit enen iese Schaltung realisiert weren soll: µ µ (ε,µ) D D D y Mit er Minimierung im Karnaughplan kommt man ur entsprechenen Eingangsbeschaltung er Flipflops. D = D = + D + = y = Komplee Digitale Automaten Verantwortliche Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Rommel, Tel. 7 5

6 FF FF D Q D Q Q Q FF D Q Q y clk Abb. 6 Schaltung ur Impulsfolgeerkennung (,,,) 3. Allgemeine Beienungshinweise Das Praktikum wir auf em Logic Circuit Trainer CE3 absolviert. Dabei hanelt es sich um eine kombinierte Har- un Softwarelösung. Die Schaltungen weren mit einem Grafikeitor eingegeben un ann in er Harware emuliert! Durch en Emulator weren nur funktionelle Werte wieergegeben. Zeitliche Emulationen sin aher nicht möglich! Es ist aus iesem Grun erfoerlich, aß alle Schaltvorgänge per Han langsam (ca. in Sekunen Abstänen) erfolgen müssen. Die Harware ist vom Praktikumsverantwortlichen bereits vollstänig vorgefertigt. Eine Veränerung er Harware ist nur unter Zustimmung es Verantwortlichen ulässig! Die Praktikumsrechner sin mit em Betriebssystem Winows NT 4. ausgestattet. Login Benutername: prak_st Kennwort: prak_st Arbeitsvereichnis: D:\Praktik\Dst\Komplee Nur in iesem Vereichnis weren Dateien gespeichert! Das Programm für en CE 3 wir automatisch gestartet! Komplee Digitale Automaten Verantwortliche Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Rommel, Tel. 7 6

7 3.. Der Grafikeitor In Abb. sehen Sie en Grafikeitor es CE3. Die Beienung ist logisch aufgebaut un selbsterklären. Alle fürs Praktikum benötigte Bauelemente sin in er Symbolleiste Registerkarte Digital verfügbar. Durch as Anklicken eines Symbols (.B. AND-Gatter) wir as entsprechene Bauelement aktiviert un urch einen weiteren Klick läßt es sich auf er Arbeitsfläche platieren. Run Taktgenerator Abb : Arbeitsbilschirm Mit em Klick er rechten Maustaste auf einem Symbol lassen sich ie Eigenschaften (Properties) veränern bw. as Bauelement spiegeln (Reverse) un Löschen (Delete). Verschoben wir es urch Drag un Drop. In Abb. wir ein Dialogfenster für ie Eigenschaften an Han eines OR-Gatters geeigt. Daurch lassen sich auch OR, NAND, Eclusive OR (Antivalen) un Eclusive NOR (Äquivalen) -Gatter realisieren. Die Anahl er Eingänge ist auf 3 begrent. Unter er Registerkarte Custom IC s sin auch Gatter mit mehreren Eingängen verfügbar. Abb. : Properties er Symbole Komplee Digitale Automaten Verantwortliche Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Rommel, Tel. 7 7

8 Für ie meisten Aufgaben ist ie eterne Beschaltung schon vorgegeben. Beachten Sie ie Anweisungen in en einelnen Aufgaben bei er Versuchsurchführung! Die Verrahtung erfolgt einfach urch anklicken un iehen er Inputs oer Outputs er Bauelemente. Nur wenn ie Maus ie Form eines Lötkolbens annimmt, läßt sich eine Verrahtung realisieren. Nach fertiger Eingabe kann über ie Taste RUN ie Schaltung in er Harware emuliert weren. 3.. Fehlerbehebung Klicken Sie bei Auftreten er Fehlermelung Daten Overrun ie Fehlermelung weg un starten Sie RUN erneut! Bei allen aneren Fehlermelungen wenen Sie sich bitte an Ihren Betreuer! 4. Aufgaben 4.. Hausaufgaben Welche Flipflop-Typen eignen sich um Aufbau von Schieberegistern? Worin unterscheien sich MEALY- un MOORE-Automaten? Wie wanelt man einen MEALY- in einen äquivalenten MOORE-Automaten? 4.. Versuchsurchführung Allgemeine Hinweise: Zu jeer Aufgabe gibt es ein File (Aufgaben.ic3 ; n = Aufgabennummer), in em eine gewisse Vorverrahtung bereits implementiert ist. Öffnen Sie iese Datei un speichern Sie sie nach Eingabe ihrer Schaltungen un Überprüfung im CE3 unter em gleichen Namen wieer ab! 4... Schieberegister (Aufgabe.ic3) Entwerfen Sie ein 8-Bit-Schieberegister mit D-FF un überprüfen Sie ie Schaltung im CE3! Änern Sie ie Schaltung so, aß kontinuierlich immer abwechseln eine un eine urchgeschoben weren! Komplee Digitale Automaten Verantwortliche Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Rommel, Tel. 7 8

9 4... Impulsfolgeerkennung (Aufgabe.ic3) Entwerfen Sie eine Schaltung mit einem Moore-Automaten, ie aus einer beliebigen Bitmuster ie Impulsfolge {,,,,, } erkennen soll un bei Erkennung ein Highsignal ausgibt. Ermitteln Sie ie minimierte Schaltfunktion für JK-Flipflops. Testen Sie ie Schaltung im CE3! Umwanlung MOORE- in MEALY-Automat (Aufgabe3.ic3) Waneln Sie en getesteten Moore-Automaten in einen äquivalenten Mealy-Automaten, entwerfen Sie ie erforerliche Schaltung mit JK-FF un testen Sie ie Schaltung im CE3! 5. Literatur [] Scarbata, Ger Symthese un Analyse igitaler Schaltungen, Olenbourg Verlag, 996 Hinweis: Dieses Praktikum wir im Raum H555 urchgeführt! Komplee Digitale Automaten Verantwortliche Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Rommel, Tel. 7 9

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