Microsoft PowerPoint LC1_14_論理回路シミュレータ.ppt

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1 の期末試験 実施日 : 7/( 金 ) 教室 ( 参照不可, 定規 OK) 成績評価 : 中間 5%, 期末 5%( 試験成績のみ ) ( 第 回 ) 特別講義 : 論理回路シミュレータ. 論理回路の基本 ( 復習 ). シミュレータ (Multiim). 回路シミュレータの概要. 設計実例 : H,F, 簡易電卓など 出題 : 前半 (~6 回 )/, 後半 (8 回 ~)/ 教科書 +( 中間 + 演習 : 講義 HP) を十分復習 中間テストより分量多い 中間までの内容は あたりまえ にできるように!! 例 : 論理式展開, ド モルガン, カルノー図, 論理記号 個別質問 : 試験前日はダメ ( 公平性確保 ) 原則月曜 5 限 ( スチューデントアワー ) 論理回路. 論理回路の基本 ( 復習 ) コンピュータ内の一番細かな情報処理の仕組みです 論理回路は論理演算を行う回路 組合せ回路と順序回路に分けられる 組合せ回路 : 入力順序によらず 入力の組合せで出力が決まる単純処理 順序回路 : 内部にメモリー ( 記憶回路 ) があり 状態を持っている メモリーの内容と入力信号で次の出力が決まる

2 組合せ回路と順序回路 イメージ図入力出力メモリー 順序回路ではメモリがあり状態を持つ 論理演算とは? 値論理変数からなる世界 H/L, 真 (T)/ 偽 (F),/ など 状態を / で表すと 進数の取扱いに便利 進数演算も論理演算と同様に扱われる 例 : 半加算器 (H), 全加算器 (F) 論理演算には ND, OR, NOT などがある 論理演算は 真理値表で表される 入力と出力の関係を と を使った表 ( 真理値表 ) で定義 記号による表現 論理演算は論理式で表現できる 記号により電気回路図のように描ける 記号は論理演算の種類に応じて決められている 線でつないで論理回路を構成する 論理演算素子の種類 ( 第 8 回 ) ND OR NOT = = + = NND NOR XOR = = + = XNOR =

3 真理値表 ( 第 8 回 ) 論理回路の合成 ND OR NND NOR XOR XNOR すべての論理回路は ND, OR, NOT 素子の組合せで合成できる すべての論理回路は NND 素子の組合せで合成できる すべての論理回路は NOR 素子の組合せで合成できる ND OR 変換のまとめ ( 第 回 ) 論理機能, 入出力論理の全てを逆に変換 NND もしくは NOR で統一する場合 : 正論理出力を二重否定して 段目の否定を NOT に変換 負論理入力を NOT に変換 NOT を NND/NOR で構成 NND 素子による合成 ( 第 回 ) NNDゲートだけを使って他のすべての論理素子を構成できる NOT ND OR NOR

4 進数の足し算 ( 第 回 ) 方法 桁ずつ下位の桁から足していく 例 + 桁目 : +を計算し 和が 桁上がりが 桁目 : +で 和が 桁上がりが 以上をまとめると答えは 半加算器 半加算器 Hlf dder H 進数の つの入力 (, ) から加算結果を出力 出力は (um: 和 ) と o (rry: 桁上がり ) H o 全加算器 進加算器 ( 第 回 ) 全加算器 Full dder F 前の桁からの桁上がり i を含む つの入力の和を求める 出力は (um: 和 ) と o (rry: 桁上がり ) ビット 進加算器の例 ビット目 F ビット目 F i F o ビット目 ビット目 F H

5 . 回路シミュレータの概要. シミュレータ (Multiim). 回路シミュレータの概要. 簡易電卓向け論理回路の例 () 半加算器 (H) と全加算器 (F) () 進入力と 7 セグメント表示 () 加算 減算回路と簡易電卓 実回路の動作をコンピュータで模擬できる 回路の動作確認と理解 : 実際の回路を作成する前に仮想の回路をシミュレーションすることで 出力や動作原理を確認 各種パラメータの変更等 : 回路の部品 計測器, 回路定数等を簡単に変更できる Multiim の特徴 PIEベースの回路シミュレータ 直感的な操作による回路図入力 入力信号設定 変更が簡単 アナデジ混在回路でもOK 仮想計測器 : 本物そっくり論理回路のシミュレーション例 P 設計ツールとの統合 仮想計測器 ( オシロスコープ ) の例 *PIE (imultion Progrm with Integrted iruit Emphi, スパイス ): 論理回路 97 年にカリフォルニア大学バークレー校で 主に Ⅰ Iの電子回路設計用に開発された.() 半加算器 (H) ( ) H の真理値表 H o

6 シミュレーション回路 (H) R kω J キー = R kω J キー = U 7L86N U 7L8N < デモ画面 (EX-)> : その桁の和 7L86 (Qud-XOR) : 桁上げ 7L8 (Qud-ND) プルアップ抵抗 +W:, 入力 W-OFF: W-ON: LED: 赤 (), 白 () 全加算器 (F) i o Fの真理値表 i o 論理回路 Ⅰ i i i F i 段 XOR o 多数決 o 入力 OR の代替手段 i 入力 OR ゲートはない 入力 NOR で作成する QUD-NOR (7L) で構成可 R kω R kω R kω U シミュレーション回路 (F) U 7L86N U 7L86N o 7L8N U U5 U5 U5 U5D 7L8N U 7LN 7LN 7LN 7LN ( ) ( ) J J キー = キー = 7L8N J キー = < デモ画面 (EX-)>

7 全加算器 (F) のモジュール化 階層化設計 よく使う回路を 部品 として登録 Multiumでは 階層ブロック と呼ぶ 規模の大きい回路設計の効率アップに有効 実例 ビット加算器 Fモジュール 個で設計する モジュール化の実例 (F) U 7L8N U 7L8N U 7L8N U 7L8N U 7L8N U 7L8N U5 7LN U5 U 7L86N 7LN U5 7LN U 7L86N U5 U 7L86N 7LN U5 7LN U 7L86N U5 7LN U5D 7LN U5D 7LN 入力 / 出力端に H/ コネクタ を接続 配置 コネクタ H/ コネクタ 回路データを保存 別回路での利用 : 保存したモジュールを呼び出して配置 配置 ファイル保存済の階層ブロック モジュールの利用イメージ F モジュール ( 入力 / 出力 ) H モジュール ( 入力 / 出力 ) X Ex-_F_lok X Ex-_H_lok ビット加算器のシミュレーション回路 5 J R XIP kω 5 J R XIP kω < デモ画面 (EX-)> X Ex-_F_lok X Ex-_F_lok X Ex-_F_lok X Ex-_F_lok X X X X X5 プルアップ抵抗 : i ク ルーフ RPK ファミリ XIP スイッチ : i ク ルーフ WITH ファミリ DWPK_

8 .() 進入力と 7 セグメント表示 進数で数値入力する回路 (MI 使用 ) 進数で数値入力 : MIで構成した例 進 D( エンコード ) D 7セグメン表示 ( デコード ) R kω GND キー = キー = J J J 8 R kω U6 DEFG R RPK 7 8 Ω D 7セグメント : 基本ゲートで構成した例 DのビットをWで設定 * MI (Medium le Integrtion): 中規模集積回路 半導体チップ上に ~ 個の素子を集積したもの キー = キー = キー = 5 キー = 6 キー = 7 キー = 8 キー = 9 J J5 J6 J7 J8 J9 J 論理回路キー = Ⅰ U N U 77N D U U UD UE 7N 7N 7N 7N U 7LN U5 78N < デモ画面 (F8.)> D U ~LT ~RI ~I/RO 77N O O O OD OE 9 OF 5 OG 進数を W 入力 Dエンコーダ 77 7セグデコーダ 77 R kω D 7 セグメントデコーダ基本ゲートで構成 ( 第 回演習 ) GND J キー = D キー = キー = キー = D J D J D J D DEFG U6 R RPK 7 8 Ω D (D) 入力 7 セグ (-g) 出力 カルノー図で論理式簡単化 ()~() は don t re <デモ画面 (L_)>.() 加算 減算回路と簡易電卓 -it 加減算回路 78(-it 全加算器 ) を使用 進入力簡易電卓 78(-it LU) を使用 *LU: rithmeti nd Logi Unit( 算術論理演算ユニット ) の略語 加算 減算などの算術演算やND OR NOTといった論理演算 比較演算などを行う機能を備える D LUのシンボル図 R,: 入力 ( オペランド ) R: 演算結果 F F: 制御入力,D: 出力ステータス

9 -it 加減算回路 R kω キー = 7 キー = GND キー = 6 キー = 5 キー = キー = キー = キー = U DD キー = with U 76N U 76N U 76N U 76N U 78N < デモ画面 (F8.5)> (-it 全加算器 ) を使用 +,- の演算切り替え (W-) 減算時は XOR で入力 のビット反転 5 ビット出力 (, -) 減算結果の解釈 : R kω 進入力簡易電卓 GND キー = キー = キー = キー = キー = 5 キー = 6 キー = 7 キー = 8 キー = 9 77( 進 D) 78 (LU: 算術論理演算 ) 加算動作 : 制御入力 -, N, M で設定 入力 出力表示 : D の 7 セグ表示 機能制約 : 加算結果 >9 に未対応 rryあり : を無視してキー = G 77N キー = H ( ) を正の解とするキー = I rryなし : ( ) の <デモ画面 (F8.6)> の補数が負の解になる U 77N キー = キー = キー = キー = D キー = E キー = F D 7N 7N 7N 5 6 U D 7N 7N 7N 7N 7N ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ N M U 78N ~F 9 ~F ~F ~F N 6 EQ ~P 5 ~G 7 まとめ 回路シミュレータ : 実回路の動作をパソコン上で模擬できる 回路の動作確認と理解 : 回路作成前に出力や動作原理を確認できる の知識 + 実際の論理 Iの情報 にて 簡易電卓 ( 簡単なコンピュータ ) まで設計できる!! 各種パラメータの変更等 : 回路部品 計測器, 回路定数等を迅速 簡単に変更可能 電子回路のものづくり 回路の基礎知識 実験 測定シミュレーション