2. Laboratoř: Kombinační logická funkce

2.1. Zadání

Implementujte 7segmentový dekodér pro BCD čísla (tj., 0-9) na vývojovém kitu Basys3.

7segmentový dekodér BCD je kombinační obvod, který převede 4bitové číslo (pouze hodnoty 0-9) na hodnotu zobrazitelnou na 7segmentovém displeji. Pro ostatní vstupní hodnoty (10-15) použijte výstupní hodnoty don’t-care.

Návrh můžete simulovat pro efektivní opravu chyb, ale k odeslání je nutná implementace.

Jednotlivé segmenty jsou pojmenovány A-G dle následujícího obrázku.

Kompletní tabulka zobrazovaných znaků (včetně znaků A-F, které neimplementujte) je k dispozici zde (zdroj).

2.2. Hodnocení

2 body za úspěšné dokončení tohoto úkolu.

2.3. Realizace

Abyste mohli navrhnout dekodér, musíte nejprve navrhnout jeho pravdivostní tabulku (4 vstupy, 7 výstupů) a odvodit minimalizované algebraické výrazy pro 7 výstupů (pomocí 7 Karnaughových map).

Vlastní realizaci pak můžete kreslit ručně pomocí schématu, ale efektivnější cestou je využití generátoru schémat, který je v prostředí Logisim implementován.

2.4. Generátor schémat

V levé horní části okna prostředí Logisim klikněte pravým tlačítkem na název schématu a v menu vyberte volbu Analyze Circuit.

V nově otevřeném okně nejprve zadejte vstupy Input Variables a výstupy Output Variables obvodu (klikněte na řádek Click to add a new variable a zadejte jméno proměnné a opakujte, dokud nezadáte všechny proměnné dle obrázku).

Poté se přepněte na kartu Expression a pro jednotlivé výstupy zadejte logické funkce, které máte připravené z Karnaughových map.

Pro zadání můžete použít:

Syntaxe lze různě kombinovat. Po potvrzení se výraz automaticky přepíše do syntaxe vybrané v poli Notation. Pro jistotu nepředpokládejte priority operátorů. Na obrázku nejsou skutečné rovnice dekodéru - je pouze ilustrativní.

Po zadání všech výrazů vygenerujte zapojení pomocí tlačítka Build Circuit. Poté vyberte projekt a schéma, které se má vyplnit (pokud už by ve schématu nějaké zapojení bylo, tak bude přepsáno).

Po potvrzení se otevře vygenerované schéma. Na obrázku není skutečné schéma dekodéru - je pouze ilustrativní.

2.5. Otestování funkce dekodéru

Pro aktivaci módu pro změnu hodnot použijte ikonu . Vyzkoušejte jednotlivé kombinace dle pravdivostní tabulky uvedené v zadání.

Pro ukončení simulace se nezapomeňte přepnout zpět do módu pro editování schématu (ikona ) - jinak nemůžete pokračovat v editaci.

2.6. Realizace na kitu Basys3

Displej na kitu Basys3 je řízen dvěma sadami signálů:

Katody i anody se na kitu zapínají log. 0, ale Logisim s tímto stavem počítá a během syntézy automaticky hodnoty invertuje. Pro účely tohoto cvičení stačí jedna číslice. Vytvořte tedy nové schéma (např. ssegbasys), vložte do něj dekodér jako blok, připojte jej na vstupy a výstupy a přidejte čtyři nové výstupy AN0-AN3:

2.7. Syntéza a mapování

Při syntéze nezapomeňte vybrat schéma, které obsahuje buzení anod (ssegbasys).

K mapování katod (výstupy sa-sg) slouží oblast levé cifry sedmisegmentového displeje na obrázku vývojového kitu.

Pořadí segmentů je vidět na následujícím obrázku:

K mapování anod (výstupy AN0-AN3) slouží obdélníky nacházející se nad každou cifrou sedmisegmentového displeje. Anody i katody jsou (spolu se vstupy) na následujícím obrázku nepatrně zeleně zvýrazněny.

3.1. Hodnocení

1 bod za úspěšné dokončení tohoto úkolu.

4.1. Bonus 2.1 – sčítačka

K dekodéru připojte čtyřbitovou sčítačku z prvního cvičení, vstupy jsou definovány podle prvního cvičení, výstupy S0-S3 se budou zobrazovat na 7segmentovém displeji a výstup COUT na LD0, celkový návrh otestujte na přípravku.

Sčítačku máte vytvořenou jako schéma v projektu z prvního cvičení. Pokud byla v pořádku, tak schéma importujte do aktuálního projektu pomocí volby File → Merge…​. V novém schématu pak propojte blok adder4 a blok s dekodérem obdobně jako u předchozí úlohy s násobičkou. Nezapomeňte na anody AN0-AN3 zapínající jednotlivé cifry.

Nezapomeňte, že dekodér zobrazuje jenom čísla z rozsahu 0-9, vyšší výsledky nebudou dávat smysl.