EPUSP PCS 3335 Laboratório Digital A. Um Circuito Digital

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1 Um Circuito Digital Versão 2016 RESUMO Esta experiência tem como objetivo o desenvolvimento de um circuito digital, especificado a partir de um diagrama ASM e um fluxo de dados. A parte prática deve ser planejada para ser executada com uso de componentes discretos no painel de montagens experimentais. OBJETIVOS Após a conclusão desta experiência, os seguintes tópicos devem ser conhecidos pelos alunos: Desenvolvimento modular de circuito digital; Documentação de projetos; Unidade de controle a partir de um diagrama ASM; Componentes de um Fluxo de dados. 1. PARTE EXPERIMENTAL 1.1. Atividades Pré-Laboratório As atividades de preparação da experiência incluem somente o projeto e o planejamento da montagem experimental do circuito digital. a) Especificação do Circuito Digital. O circuito digital a ser implementado executa uma função a ser determinada. Seu funcionamento pode ser especificado a partir do diagrama ASM de sua unidade de controle e dos elementos do seu fluxo de dados. A interface do circuito digital é apresentada na figura 1, onde temos um sinal de entrada iniciar e dois sinais de saída (pronto e valor de 4 bits). Além destes sinais, temos o sinal de e um sinal para reset. iniciar reset Circuito Digital valor pronto Figura 1 Interface de entrada e saída do circuito digital. A figura 2 abaixo apresenta o diagrama ASM que deve ser usado para o projeto da Unidade de controle. O diagrama possui três estados (A, B e C), um sinal de entrada (iniciar) e três sinais de saída (zera, conta e registra). Um Circuito Digital (2016) 1

2 Figura 2 Diagrama ASM da Unidade de Controle. Para que a Unidade de controle inicie sua operação no estado inicial A, o projeto deve considerar um sinal de entrada chamado reset (ativo em nível alto). Assim, basta acionar este sinal para que o circuito mude para o estado inicial. A figura 3 apresenta a interface de sinais da Unidade de controle. reset iniciar Unidade de Controle zera conta registra Figura 3 Interface da Unidade de controle. O Fluxo de dados é responsável pela contagem de pulsos e o armazenamento do resultado final. A figura 4 apresenta a interface externa do fluxo de dados. zera conta carrega Fluxo de Dados D0 D1 D2 D3 Figura 4 Interface do fluxo de dados. Um Circuito Digital (2016) 2

3 O Fluxo de dados é composto por dois elementos de 4 bits: um contador hexadecimal e um registrador. Os principais sinais de controle síncronos são: zera e conta, para o contador hexadecimal, e carrega para o registrador. Notar que todos os sinais são ativos em alto (isto deve ser considerado no projeto de acordo com o respectivo sinal de controle do circuito integrado usado). A figura 5 ilustra o fluxo de dados do circuito a ser projetado. Figura 5 Elementos do fluxo de dados. b) O projeto será dividido em cinco módulos, que devem ser projetados e documentados separadamente (um diagrama esquemático separado deve ser elaborado para cada módulo projetado). Os módulos são os seguintes: Módulo Lógica de próximo estado Memória de estado Lógica de saída Condições de projeto Projeto deve seguir a metodologia de projeto de circuitos sequenciais estudado anteriormente e usar flip-flops tipo D. Usar flip-flops tipo D. O projeto da lógica de saída deve incluir 2 alternativas para os circuitos dos sinais zera, conta e registra: uma usando somente portas NAND e outra usando somente portas NOR. 4 Fluxo de dados contador O projeto deve considerar os sinais de controle ativos em alto e usar 5 Fluxo de dados - registrador componentes MSI da família 74xx de circuitos integrados. DICA: Considere os circuitos integrados 7416x (contadores) e o registrador para o projeto. c) Projete o circuito da experiência. Use a designação de estados abaixo. Incluir na documentação as etapas de projeto executadas e as decisões de projeto tomadas. Designação de estados Estado Q1Q0 A 11 B 01 C 10 d) Elabore o planejamento da experiência. Incluir um plano de montagem modular e um plano de testes com alguns casos a serem usados durante a implementação do circuito. Definir sinais de depuração. DICA: inicialmente, elaborar atividades de montagem e testes de cada módulo em separado. Além de incluir casos de teste específicos, definir sinais de depuração. Depois, definir uma sequência de integração de módulos e casos de teste após cada passo da sequência. E finalmente, definir casos de teste do circuito completo. Realizar simulações de cada módulo e do circuito completo com o Altera Quartus II e incluir resultados no planejamento. Um Circuito Digital (2016) 3

4 e) No planejamento, definir o posicionamento de cada componente no painel de montagens experimentais e a alocação dos principais sinais de entrada, saída e de depuração. Adote: a entrada iniciar deve ser ligada no botão B2 e a saída do registrador deve ser conectada no display D0. ATENÇÃO: para fins de avaliação, o primeiro módulo deve ser alocado na placa A, o segundo módulo na placa B, o terceiro módulo na placa C, e os módulos 4 e 5 na placa D. Para fins de depuração, o sinal pode ser acionado na fase de testes e depuração usando o botão B1. Demais sinais de depuração dos módulos podem ser alocados nos leds e displays restantes do painel de montagens experimentais. Estes sinais de depuração não devem ser desligados depois da montagem do respectivo módulo e integração dos circuitos Montagem dos Módulos do Circuito Digital f) Realize a montagem de cada módulo em separado usando uma estratégia modular adotada no planejamento. A cada passo execute testes de cada módulo e documente os resultados experimentais. DICA: utilize o conjunto de testes definidos no planejamento para cada módulo. Anote os resultados obtidos no relatório junto com qualquer ocorrência (teste e depuração) e mudanças no projeto original. ATENÇÃO: elabore no planejamento uma seção separada para cada módulo de forma a permitir o registro das atividades de cada montagem Integração dos Módulos do Circuito Digital g) Termine a montagem do circuito digital completo, integrando os módulos e depois execute testes do circuito completo para verificar sua funcionalidade. Documente os resultados experimentais no relatório Estudo do Funcionamento do Circuito Digital h) Realize testes da operação do circuito projetado. DICA: Use um sinal de com 1 Hz ou 10 Hz (obtido por um gerador de pulsos) e acione o sinal de entrada iniciar (botão B2). Verifique o resultado apresentado na saída do circuito. Use um osciloscópio digital para visualizar o sinal de entrada iniciar e verificar o resultado. i) Determine a função realizada pelo circuito digital. Comente. j) Apresente uma aplicação prática do circuito Desafio k) Uma modificação será especificada pelo professor. Projete e documente sua implementação. l) Realize a montagem e execute testes de funcionamento. Comente os resultados obtidos Atividades Pós-Laboratório m) Com base nos resultados obtidos, responda as perguntas abaixo. 1. Como o projeto pode ser modificado para permitir uma contagem mais extensa? Explique. 2. O projeto da unidade de controle pode ser refeito com facilidade? Como um novo estado D poderia ser incluído? Explique. 3. No projeto do fluxo de dados, como o registrador poderia ser usado? Descreva como isto pode ser feito. Um Circuito Digital (2016) 4

5 2. BIBLIOGRAFIA Fairchild Semiconductor. TTL Data Book. Mountain View, California, FREGNI, E. e SARAIVA, A. M. Engenharia do Projeto Lógico Digital: Conceitos e Prática. Editora Edgard Blücher Ltda, TOCCI, R. J.; WIDMER, N.S.; MOSS, G.L. Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações. Prentice-Hall, 11 a ed., WAKERLY, John F. Digital Design Principles & Practices. 4 th edition, Prentice Hall, MATERIAL DISPONÍVEL Circuitos Integrados TTL: , 7402, 7404, 7408, 7432, 7486 (portas lógicas) (flip-flop tipo D) , 74161, e (contadores integrados) (registrador de 4 bits) 4. EQUIPAMENTOS NECESSÁRIOS 1 painel de montagens experimentais. 1 fonte de alimentação fixa +5V. 1 osciloscópio digital. 1 multímetro digital. 1 gerador de pulsos. 1 computador com softwares Altera Quartus II e Eagle. Histórico de Revisões E.T.M. / 2013 (versão inicial) E.T.M. / 2014 (revisão) E.T.M. / 2015 (revisão) E.T.M. / 2016 (revisão) Um Circuito Digital (2016) 5