Основы теории микропроцессорной и

ЦИФРОВОЙ ТЕХНИКИ

 

Математические основы ЭВМ

Арифметические основы ЭВМ. Общие сведения и классификация. Представление чисел в ЭВМ. Позиционные системы счисления. Двоичная арифметика.

Логические основы ЭВМ. Понятие о цифровом автомате. Основные понятия и законы алгебры логики. Понятие о логических функциях, функциональная полнота их набора, формы представления. Свойства элементарных функций алгебры логики. Базис. Преобразование булевых выражений, методы их минимизации. Комбинационные схемы (автомат Мили), их анализ и синтез. Понятие о конечном автомате (автомат Мура), его синтез.

 

Логические элементы и узлы ЭВМ

Логические элементы ЭВМ

Физическое представление информации в ЭВМ. Определение и классификация логических элементов (ЛЭ). Логические элементы, реализующие двухместные ФАЛ и их свойства. Схемотехнические виды логики: диодно-резисторная, резисторно-транзисторная, резисторно-конденсаторно-транзисторная логика, транзисторно-транзисторная логика, транзисторная логика с эмиттерными связями. Номенклатура, маркировка и УГО логических ИМС. Характеристики и параметры логических ИМС, методы их определения.

 

Логические узлы ЭВМ

Триггеры и защелки. Назначение классификация и область применения. Функциональные схемы, принцип действия, временные диаграммы и таблицы истинности. Маркировка и УГО. Синтез триггеров. Триггеры в интегральном исполнении, особенности их применения и эксплуатации.

Функциональные узлы ЭВМ

Кодирующие устройства

Общие сведения о функциональных узлах ЭВМ. Дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры и демультиплексоры, их назначение, функциональные схемы, принцип действия, таблицы истинности, маркировка и УГО. Разновидности и область применения. Синтез кодирующих устройств. Кодирующие устройства в интегральном исполнении, особенности их применения и эксплуатации.

Преобразователи кодов

Общие сведения и классификация. Функциональные схемы, принцип действия, таблицы истинности, синтез, маркировка и УГО.

Регистры

Общие сведения и классификация. Функциональные схемы, принцип действия, таблицы истинности, синтез, маркировка и УГО. Передача информации регистрами. Разновидности регистров, их достоинства и недостатки, область применения. Регистры в интегральном исполнении, особенности их применения и эксплуатации.

Сумматоры

Суммирование двоичных чисел. Назначение и классификация сумматоров. Комбинационные и накапливающие сумматоры, их разновидности, назначение, функциональные схемы, таблицы истинности и принцип действия. Синтез, маркировка и УГО. Методы увеличения быстродействия сумматоров. Область применения.

Сумматоры в интегральном исполнении, особенности их применения и эксплуатации.

Счетчики

Общие сведения о счетчиках и пересчетных схемах. Назначение и классификация счетчиков. Счетчики и пересчетные схемы, их разновидности, назначение, функциональные схемы, таблицы истинности и принцип действия, синтез, маркировка и УГО. Методы увеличения быстродействия. Область применения. Счетчики в интегральном исполнении, особенности их применения и эксплуатации.

 

Методические указания по изучению раздела

ОСНОВЫ ТЕОРИИ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ И

ЦИФРОВОЙ ТЕХНИКИ

При изучении материала этого раздела вначале необходимо изучить арифметические основы ЭВМ. Общие сведения и классификация. Представление чисел в ЭВМ. Позиционные системы счисления. Двоичная арифметика. Представление двоичных чисел в форме с фиксированной и плавающей запятой. Погрешности представления чисел.

Логические основы ЭВМ и микропроцессорной техники. Понятие о цифровом автомате. Основные понятия и законы алгебры логики. Понятие о логических функциях, функциональная полнота их набора, формы представления. Свойства элементарных функций алгебры логики. Базис. Преобразование булевых выражений, методы их минимизации. Комбинационные схемы (автомат Мили), их анализ и синтез. Понятие о конечном автомате (автомат Мура), его синтез.

После этого следует приступить к изучению логических элементов ЭВМ. Особое внимание обратить на физическое представление информации в ЭВМ. Определение и классификацию логических элементов (ЛЭ). Логические элементы, реализующие двухместные ФАЛ и их свойства. Схемотехнические виды логики: диодно-резисторная, резисторно-транзисторная, резисторно-конденсаторно-транзисторная логика, транзисторно-транзисторная логика, транзисторная логика с эмиттерными связями.

Цифровые логические элементы на интегральных микросхемах (ИМС) — это микроэлектронные изделия, предназначенные для преобразования и обработки дискретных сигналов.

Логические элементы вместе с запоминающими элементами составляют основу устройств цифровой (дискретной) обработки информации — вычислительных машин, цифровых измерительных приборов и устройств автоматики Логические элементы выполняют простейшие логические операции над цифровой информацией, а запоминающие элементы служат для ее хранения.

Логическая операция преобразует по определенным правилам входную информацию в выходную. Логические элементы чаще всего строят на базе электрон устройств работающих в ключевом режиме. Поэтому цифровую информацию обычно представляют в двоичной форме, в которой сигналы принимают только значения: «0» (логический нуль) и «1» (логическая единица), соответствующие двум состояниям ключа.

Элементы цифровой техники реализуют операции: логическое сложение И (дизъюнкцию), логическое умножение ИЛИ (конъюнкцию), логическое отрицание НЕ (инверсию). Помимо этих элементов широко применяются комбинированные логические элементы, реализующие две (и более) логических операций, например элементы ИЛИ- НЕ, И-НЕ.

Простейшие логические элементы могут быть построены на основе диодных и транзисторных ключей.

Триггерами называют большой класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух или более устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. В отличие от логических схем, триггеры — это логические устройства с памятью. Их выходные сигналы в общем случае зависят не только от сигналов, приложенных к входам в данный момент времени, но и от сигналов, воздействовавших на них ранее. В зависимости от свойств, числа и назначения входов триггеры можно разделить на несколько видов. Основные типы триггеров в интегральном исполнении получили следующие названия: RS -триггер, T -триггер, D - триггер, JK -триггер.

Преобразователи кодов. Операция изменения кода числа называется его перекодированием. Интегральные микросхемы, выполняющие эти операции, называются преобразователями кодов Преобразователи кодов бывают простые и сложные К простым относятся преобразователи, которые выполняют стандартные операции изменения кода чисел, например, преобразований двоичного кода в одинарный или обратную операцию Сложные преобразователи кодов выполняют нестандартные преобразования кодов и их схемы приходится разрабатывать каждый раз с помощью алгебры логики.

Примерами простейших преобразователей кодов, которые широко применяются в цифровых устройствах, являются шифраторы и дешифраторы.

Шифратором называют кодовый преобразователь, который имеет n входов и k выходов, и при подаче сигнала на один из входов (обязательно только на один) на выходах появляется параллельный двоичный код этого входа.

Дешифраторы — микросхемы, предназначенные для преобразования двоичного кода в напряжение логического уровня, появляющееся на том выходе, десятичный номер которого соответствует входному двоичному коду.

Мультиплексоры. Мультиплексором называют функциональный узел, который обеспечивает передачу цифровой информации, поступающей по нескольким входным линиям связи, на одну выходную линию. Выбор входной линии, информация с которой поступает на выход, осуществляется при помощи сигналов, поступающих на адресные входы.

Демультиплексоры. Демультиплексором называют функциональный узел, который обеспечивает передачу цифровой информации, поступающей по одной линии, на несколько выходных линий. Выбор выходной линии осуществляется при помощи сигналов, поступающих на адресные входы. Таким образом, демультиплексор выполняет преобразование, обратное действию мультиплексора.

Интегральные микросхемы преобразователей кодов выпускаются только для наиболее распространенных операций:

• преобразователи двоично-десятичного кода в двоичный код;

• преобразователи двоичного кода в двоично-десятичный код;

• преобразователи двоичного кода в код Грея;

• преобразователи двоичного кода в код управления сегментными индикаторами;

• преобразователи двоичного или двоично-десятичного кода в код управления шкальными или матричными индикаторами.

Регистры сдвига. Триггерным регистром сдвига называют совокупность триггеров с определенными связями между ними, при которых они действуют как единое устройство. В регистрах сдвига организация этих связей такова, что при подаче тактового импульса, общего для всех триггеров, выходное состояние каждого триггера сдвигается в соседний. В зависимости от организации связей этот сдвиг может происходить влево или вправо.

Счетчиком называют цифровое устройство, предназначенное для подсчета числа импульсов. В процессе работы счетчик последовательно изменяет свое состояние в определенном порядке. Одно из возможных состояний счетчика принимается за начальное. Последовательность внутренних состояний счетчика можно кодировать различными способами Чаще всего используют двоичное (двоичные счетчики) или двоично-десятичное (декадные счетчики) кодирование. Кроме этого находят применение счетчики с одинарным кодированием, когда состояние счетчика представлено местом расположения одной-единственной единицы или одного-единственного нуля (кольцевые счетчики), и унитарное кодирование, когда состояние счетчика представлено числом единиц или нулей (счетчики Джонсона).

Если коды расположены в возрастающем порядке, то счетчик называют суммирующим (Up-counter) Счетчики, у которых коды расположены в убывающем порядке, называют вычитающими (Down-counter), а счетчики, у которых направление перебора кода может изменяться, называют реверсивными (Up/Down counter)

Если для работы счетчика требуется наличие синхросигнала, то такой счетчик называют синхронным. Счетчики, которые работают без синхросигналов, называют асинхронными

Счетчики могут быть с предварительной установкой и без нее Для предварительной установки начального состояния счетчика используются специальные входы предустановки. Установка начального состояния счетчика производится только по специальной команде записи. Во время работы счетчика в счетном режиме входы предустановки блокируются и на работу счетчика не влияют. Счетчики с предварительной установкой называют также программируемыми.

Сумматоры — устройства, осуществляющие основную арифметическую операцию — суммирование чисел в двоичном коде. Простейший случай — суммирование двух одноразрядных чисел 0 + 0 = 0; 1 + 0 = 1; 0 + 1 = 1 и 1 + 1 = 10. В последнем случае выходное число 10 (в десятичной записи это 2) оказалось двоичным двухразрядным. Появившаяся в старшем разряде суммы единица называется единицей переноса.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Что такое дизъюнкция и конъюнкция логических функций? Привести примеры.

2. Что такое инверсия логических функций?

3. Чем различаются полусумматор и сумматор?

4. Сложить два четырехразрядных двоичных числа 0110 и 1101.

5. Сложить два двоичных числа 111011 и 101.

6. На скольких выходных шинах четырехразрядного дешифратора может быть одновременно сигнал?

7. На скольких выходных шинах дешифратора К155ИДЗ может быть одновременно уровень единицы?

8. На скольких выходных шинах дешифратора К155ИДЗ может быть одновременно сигнал нуля?

9. Что такое демультиплексор и как его построить на микросхеме К155ИДЗ?

10. Чем различаются асинхронные и синхронные триггеры?

11. Чем различаются R - и S -триггеры?

12. Почему JK -триггер называется универсальным?

13. Для чего используются входы R и S в микросхеме К155ТМ2 и какую функцию они выполняют?

14. Как реализовать на микросхеме К155ТВ1 T -триггер?

15. Объяснить, как строится временная диаграмма работы триггера.

16. Перечислить основные операции, выполняемые регистром.

17. Чем отличаются регистры на асинхронных и синхронных триггерах и какие отличия в их синтезе?

18. Что такое длина регистра и сколько различных многоразрядных двоичных чисел можно записать в регистр длиной 12?

19. Какую роль в структуре регистра выполняют?

20. Какие регистры называются сдвигающими и в чем состоит сдвиг хранимого в регистре числа?

21. Перечислить типовые микросхемы регистров и их особенности.

22. Как осуществляется наращивание микросхем регистров?

23. Как.определить основные временные характеристики регистров?

24. Составьте таблицу переходов для RS-, JK-, Т-, D -триггеров.

25. Перечислить основные признаки классификации счетчиков.

26. Как можно установить в счетчике исходное состояние?

27. Чем отличается вычитающий счетчик от суммирующего?

28. Сколько триггеров необходимо для счетчика с Ксц = 85?

29. Чем отличается работа счетчика при подсчете числа импульсов и при делении их частоты?

30. Какие основные типы микросхем счетчиков Вы знаете? Перечислить их управляющие и информационные входы, выходы

31. По какому принципу каскадируются микросхемы счетчиков?

32. Сколько корпусов четырехразрядных микросхем двоичных счетчиков надо для Ксц = 875?

33. Чем отличаются двоичные и двоично-десятичные счетчики?

34. Сколько корпусов четырехразрядных двоично-десятичных счетчиков необходимо для записи числа 1283?

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Краткое обобщение изученного материала и выводы. Основные направления и перспективы развития электроники, импульсной схемотехники и микропроцессорной техники в АСУ и в народном хозяйстве. Пути и методы дальнейшего самостоятельного пополнения и углубления знаний по дисциплине.

 

ОСНОВНАЯ И ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

Основная литература

 

1. Алексеенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - М.: Сов. радио, 1980.

2. Банк М.У. Аналоговые интегральные схемы в радиоаппаратуре. М.: Радио и связь, 1981.

3. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Радио и связь, 1988.

4. Белопольский И. И. Источники питания радиоустройств. - М.: Энергия, 1971.

5. Бирюков С.А. Цифровые устройства на МОП-интегральных микросхемах.- М.: Радио и связь, 1990.

6. Браммер Ю.А., Пащук И.Н. Импульсная техника. - М.: Высшая школа, 1985.

7. Выпряжкин В.Ф. Трофимов А.В. Сборник лабораторных работ по ЭСАУ. Севастополь 1990.

8. Гальперин М.В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике.- М.: Энергоатомиздат, 1987.

9. Герасимов В. Г. Основы промышленной электроники. - М.: Высшая школа, 1986.

10. Гершунский В.С. Основы электроники и микроэлектроники. Киев. Высшая школа 1987.

11. Гершунский В.С. Справочник по расчету электронных схем. Киев. Изд. при КГУ. 1987.

12. Говоров В.С. Основы электроники. - ВМФ, 1987.

13. Гольденберг Л.М. Импульсные устройства. - М.: Радио и связь, 1981.

14. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

15. Зубов Г.Ф., Никитин В.В. Логические основы и элементы ЦВМ. Петродворец: ВВМУРЭ им. А.С. Попова, 1986. -266 с., ил.

16. Мальцева Л.А. и др. Основы цифровой техники. М.: Радио и связь, 1986.

17. Мисонжник В.А. Элементы систем автоматического управления и вычислительная техника. Часть 1, Л., ВВМИОЛУ, 1979.

18. Мисонжник В.А. Элементы систем автоматического управления и вычислительная т ехника. Часть 2, Л., ВВМИОЛУ, 1978.

19. Никитин О.П. Прикладная математика. Системы счисления, алгоритмы, элементы математической логики. - С.: СВВМИУ, 1985. -84 с.

20. Основы устройства и применения вычислительной техники/Под общ. ред. В.Я. Суханова. - Петродворец: ВВМУРЭ им. А.С. Попова, 1987. - 600 с., ил.

21. Промышленная электроника / В.С. Руденко и др.- К.: Техника, 1972. (Библ. инженера).

22. Ромаш Э.М. Источники вторичного электропитания РЭА. - М.: Радио и связь, 1991.

23. Скаржепа В. А. Электроника и микросхемотехника: электронные устройства информационной автоматики. - К.: Вища шк., 1989.

24. Скаржепа В. А. Электроника и микросхемотехника: лабораторный практикум. - К.: Вища шк., 1989.

25. Сигорский В.П., Петренко А.И. Основы теории электронных схем. К.: Вища шк., 1971.

26. Тули М. Справочное пособие по цифровой электронике: Пер. с англ., М.: Энергоатомиздат, 1990. - 176 с., ил.

27. Тугов Н.М. и др. Полупроводниковые приборы. Учебник для вузов. М.; Энергоатомиздат, 1990.

28. Усатенко С.Т. и др. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник. - М.: Изд-во стандартов, 1989. - 325 с., ил.

29. Фишер Дж.Э., Гетланд Х.В. Электроника – от теории к практике. М.- Энергия, 1980.

30. Хоровиц И., Хилл У. Искусство схемотехники: В 2-х томах. Пер. с англ. - М.: Мир, 1983.

31. Цыкина А.В. Усилители. М: Связь, 1972.

32. Электронные приборы. Учебник для ВУЗов./Под ред. Г.Г.Шишкина. М.: Энергоатомиздат, 1989.

Дополнительная литература

1. Нестеренко И. В. Цветовые и кодовые обозначения радиоэлементов. Запорожье: Берегиня, 1994.

2. Пантюшин В. С. Общая электротехника. -М.: Высшая школа, 1970.

3. Справочная книга радиолюбителя-конструктора /А.А.Бокуняев и др.- М.: Радио и связь, 1990.

4. Справочник по микропроцессорным устройствам /А.А.Молчанов и др./ К.: Техника, 1987.

5. Терещук Р.М. и др. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя. Киев: Наук.думка, 1989.

6. Фролов В.В. Язык радиосхем. М.: Радио и связь, 1989.

7. Шило В.Л. Функциональные аналоговые интегральные микросхемы. - М.: Радио и связь, 1982.

8. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. -М.: Радио и связь, 1987.

9. Быковский Ю.М. Методическое руководство и справочный материал для курсового и дипломного проектирования по дисциплинам электронной схемотехники. С.: СНИЯЭиП, 2001, 116с.

10. Быковский Ю.М., Скидан А.А. Сборник практических и лабораторных работ по дисциплинам “Микропроцессорная техника”, “Основы электроники”. С.: СНИЯЭ и П, 2001, 94с

11. Скидан А.А. Инструктивно-методические указания по выполнению расчетно-графической работы по дисциплинам «Микропроцессорная техника» и «Основы электроники». С.: СНИЯЭиП, 2002.

12. Петров С.В. Основы электроники. Методические указания по выполнению курсового проекта. С.: СНИЯЭиП, 2002 – 68 с.

13. Быковский Ю. М., Скидан А. А., Петров С. В. Методические указания к выполнению расчетно-графической работы по дисциплинам электронной схемотехники, Графоаналитический расчет полупроводникового усилительного каскада. С: СНИЯЭиП, 2004 – 28с.

14. Быковский Ю. М. Учебная программа и методическое руководство по выполнению практических работ и изучению дисциплины “Элементы и функциональные узлы информационно-измерительных комплексов”. С: СНИЯЭиП, 2002 – 63с.

Приложение А