Разработка трехразрядного двоичного счетчика Джонсона

Содержание 

Введение………………………………………………………………………….…3

1. Анализ требований к устройству………………………………….…………..4
2. Разработка алгоритма работы устройства……………………………….……5
3. Оценочный расчет надежности устройства ……………………..………….10
4. Разработка алгоритма и средств тестирования и диагностики…………….12
5. Разработка структурной схемы устройства…………………………………17
6. Разработка функциональной схемы устройства………………………….…18

Заключение……………………………………………………………..……….…19

Список  использованных источников…………………………………..………20 

      Введение

      Темой курсовой работы является разработка трехразрядного двоичного

счетчика  Джонсона.

Целью курсовой работы является создание необходимого устройства на

основании применения схемы контроля ошибок, схемы распространения ошибки в  устройстве. При этом качество контроля разработанной схемы должно удовлетворять качеству, определённому заказчиком.

Современные информационные системы содержат множество 

электронных элементов, которые взаимосвязаны друг с другом определённым образом, – следовательно, взаимозависимы.  Каждый элемент в системе выполняет определённую функцию и качество его  работы  влияет на работу других элементов, следовательно, и на работу всей системы в целом. Необходимо помнить, что любой элемент системы может начать некорректно работать или вовсе выйти из строя.

      Сложность состоит в том, чтобы быстро и  точно обнаружить этот элемент. Для этого, в систему вводится схема контроля возникновения и распространения ошибок. Существуют такие схемы, которые способны не только обнаружить, но и самостоятельно исправить ошибку. Если же исправление возникшей  ошибки невозможно такой  схемой, необходимо сообщить о наличии ошибки работнику, обслуживающему всю систему.

      Работник  определяет неисправный элемент  или блок системы по сигнализирующим элементам (индикаторам), которые становятся активными в случае возникновения ошибки в системе. После точного определения неисправного элемента, работник должен заменить его исправным.

  
 

 

1 Анализ  требований к устройству

      Предлагаемое  к разработке устройство должно удовлетворять  следующим требованиям:

• сохранять функциональность при выходе из строя любого компонента, участвующего в формировании функции устройства;
• обеспечить наработку на отказ не менее 100000 часов;
• обеспечить выработку, прием и распространение сигнала «ошибка».

 

2 Разработка алгоритма работы устройства

     Регистр - это электронное устройство для запоминания (хранения) слова, а также для выполнения над словами некоторых логических операций.

     Регистры выполняют следующие основные операции:

• установка регистра в нулевое состояние (сброс);
• приём  слова из другого регистра;
• передача слова в другой регистр;
• сдвиг  вправо и влево на требуемое число разрядов;
• преобразование последовательного кода в параллельный и

из параллельного в последовательный.

     Регистры, как правило, строятся на D-триггерах, т.к. эти триггеры позволяют производить запись информации однофазным кодом без предварительного "обнуления" по входу D.

     Приём информации в регистр и выдача может осуществляться параллельно и последовательно. В первом случае слово представляется в виде параллельного кода.  При записи и при считывании все разряды кода слова передаются одновременно, каждый разряд по своей кодовой шине.  При последовательной передаче кода слова, все разряды кода слова передаются последовательно во времени один за другим и строго в определенные дискретные моменты времени, совпадающие с управляющими сигналами.

     Различают, сдвигающие регистры, в которых возможен сдвиг хранимого кода и регистры без сдвига с приемом информации параллельным кодом (рисунок 1).

     В сдвигающих регистрах  осуществляется сдвиг слова влево или вправо на заданное число разрядов.  3а один такт происходит сдвиг на один разряд (рисунок 2).  Применяются эти регистры в основном для преобразования параллельного кода в последовательный и наоборот, а также в арифметических устройствах при выполнении операций над специальными кодами.

     Рисунок 1 – Регистр сдвига на D – триггерах 

       
 
 
 
 
 
 
 

     Рисунок 2 – Временная диаграмма регистра сдвига 

     На базе регистров сдвига можно построить кольцевые счетчики - счетчики Джонсона. Основное отличие счетчика Джонсона от обычного счетчика в том, что он имеет коэффициент пересчета, вдвое больший числа составляющих его триггеров. В частности, если счетчик состоит из трех триггеров (m=3), то он будет иметь шесть устойчивых состояний. Счетчик Джонсона используется в системах автоматики в качестве распределителей импульсов и т.д.

     Таблица состояний счетчика Джонсона (таблица 1) содержит 2m (m - количество триггеров в составе регистра) строк и m-столбцов. Количество разрядов счетчика определяется количеством триггеров. Рассмотрим схему трехразрядного счетчика Джонсона, выполненного на базе D-триггеров (регистр сдвига реализован на D-триггерах) (рисунок 3). Для построения кольцевого счетчика достаточно соединить инверсный выход последнего триггера регистра (последнего разряда) с входом “D” (с входом, предназначенным для ввода последовательной информации) первого триггера.  

                     Таблица 1 – Состояния счетчика Джонсона

 
 

     Рисунок 3 – Счетчик Джонсона на D – триггерах

      

     Предположим, что вначале все триггеры находятся в состоянии “0”, т.е. Q₀ = Q₁= Q₂ = 0. При этом на входе “D” первого триггера присутствует уровень “1”. Первым синхроимпульсом в триггер Т1 запишется “1”, вторым - из первого - во второй и т.д. до тех пор, пока на всех выходах регистра не будет “1”. После заполнения регистра единицами, на инверсном выходе триггера Т3 появится  =0 и четвертым синхроимпульсом в Т1 запишется логический “0”.

     После поступления последующих трех синхроимпульсов регистр обнуляется и на его вход “D” снова подается уровень “1”. Таким образом, цикл повторения состояния кольцевого счетчика состоит из шести тактов синхросигнала. Как видим, при работе в начале от первого триггера до последнего триггера распространяется “волна единиц”, а затем “волна нулей”. Код, в котором работает счетчик Джонсона, называют кодом Либау-Крейга.

     Достоинством счетчика Джонсона является то, что состояние 01 или 10 для двух соседних триггеров в течение одного цикла имеет место один раз независимо от длины счетчика, поэтому для организации дешифратора нужны простейшие двухвходовые логические элементы 2И либо 2ИЛИ – НЕ. Второе достоинство счетчика Джонсона вытекает из того, что в ходе счета только один триггер изменяет свое состояние и на выходах поэтому не возникают ложные пики напряжения, обусловленные задержками сигналов в разных разрядах.

     Общий порок кольцевых счетчиков – простых и Джонсона – вероятность сбоев. Если под действием помех произойдет ошибочный переброс отдельных триггеров, то такое состояние, раз возникнув, само не исправиться. Этот недостаток устраняют введением корректирующей логической цепи, следящей за состоянием триггеров. При появлении ложных сигналов на вход подаются импульсы, исправляющие положение в новом цикле.

     На рисунке 4 показан способ коррекции состояния описанного выше счетчика Джонсона. Счетчик в случае сбоя через определенное количество циклов будет приведен в состояние, удовлетворяющее таблице 1.

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 4 – Трехразрядный двоичный счетчик Джонсона с

                автоматической коррекцией

 

3 Оценочный расчет надежности устройства

      Пусть вероятность отказа элементарного  логического элемента Q = 10^-6. Так как трехразрядный двоичный счетчик Джонсона с автоматической коррекцией состоит из 4 элементарных логических элементов, то общая вероятность неисправной работы устройства определяется по формуле:

      P₁ = N_эл. · Q_i = 4·10^-6   1/ч , 

где N_эл. – количество элементов в устройстве.

      Вероятность возникновения двойной ошибки можно  рассчитать по следующей формуле:

      P₂ = N_совп · Q_i = 6 · 10^-12 1/ч ,  

где  N_совп – количество комбинаций элементов.

      Вероятность тройной ошибки будет иметь порядок -18, поэтому ей можно просто пренебречь.

      Таким образом можно определить общую  вероятность возникновения ошибки:

            P_общ = P1 + P2 ≈ 4·10^-6 1/ч 

      Следует учесть, что возникновение ошибки в любом из элементов приводит к отказу всего устройства, так  как получаемая информация на выходе будет недостоверной. Данное устройство не сможет ни обнаружить, ни тем более  исправить ошибку. Поэтому, для удовлетворения предъявленным к устройству требованиям, необходимо разработать средство контроля. Схема контроля возникающих ошибок позволяет также устранить выход из строя всего устройства, в случае возникновения ошибки в одном из его элементов.

     Так как в устройстве может быть неисправным  только один элемент, то разработку схемы  осуществим по методу троирования. Суть метода состоит в том, что в систему вводятся дополнительные элементы для обеспечения свойства отказоустойчивости. В нашем случае вводятся еще два устройства идентичных первому (У1), т.е. еще два трехразрядных двоичных счетчика Джонсона с автоматической коррекцией (У2, У3). Определение результата (выходного сигнала) из разряда устройства происходит по мажоритарному принципу – выбор осуществляется по двум одинаковым сигналам. Например, при поступлении на входы трех счетчиков Джонсона одинаковых сигналов, на выходе получились сигналы 1, 1, 0. Следовательно, принимается решение, что третье устройство работает с ошибкой и правильный сигнал имеет значение 1. Следует заметить, что если произошла двойная ошибка (например отказали 1-й и 2-й счетчики и истинное значение равно 0), то она не будет исправлена, хотя устройство выдаст сигнал, что ошибка есть.