МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Вінницький національний технічний університет

Інститут автоматики, електроніки та комп’ютерних систем управління

Факультет автоматики та комп’ютерних систем управління

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до самостійного вивчення курсу

" Основи теорії цифрових автоматів "

для студентів-заочників спеціальності 6.091400

Укладач к.т.н., доц. М.М. Биков

ЗАТВЕРДЖЕНО

на засіданні кафедри комп'ютерних систем управління

Протокол №___ від ____________ р.

Вінниця ВНТУ 2009

ВСТУП.

Електронні цифрові обчислювальні машини (ЕОМ, по іншому комп'ютери) і інші засоби обчислювальної техніки (ОТ) мають особливе значення для систем управління і автоматики, де вони виконують основну частину роботи по збиранню, зберіганню та обробці інформації, необхідної для формування керівних дій в обмежений проміжок часу. В зв'язку з цим сучасні ЕОМ становлять собою базу не тільки для існуючих, але й для перспективних високоефективних автоматичних і автоматизованих систем керування технологічними процесами і виробництвом, систем автоматизації пошуку інформації, наукових досліджень. Цифрові електронні обчислювальні машини є окремим, але найбільш поширеним видом цифрових автоматів. Для успішного вивчення загальних принципів обробки цифрової інформації раціонально відсторонитися від реального апаратного забезпечення комп'ютера і розглядати його як деякий абстрактний цифровий автомат, призначений для обробки інформації, представленої в цифровій формі. Знання теорії таких автоматів необхідні для успішного пошуку нових принципів побудови комп'ютерів, вдосконалення вже відомих алгоритмів обробки цифрової інформації, грамотного застосування обчислювальної техніки в системах управління і автоматики і розробки різноманітного програмного забезпечення для таких систем.

Лабораторний практикум з дисципліни "Основи теорії цифрових автоматів" містить 7 лабораторних робіт, призначених для фронтального виконання на лабораторних стендах типу УМ 11 і входить до складу комплексу навчальної літератури, що забезпечує вивчення даної дисципліни студентами спеціальності "Комп'ютеризовані системи автоматики і управління". Практикум відіграє важливу роль для отримання навиків практичної роботи з цифровими пристроями, що входять до складу електронних обчислювальних машин та інших цифрових автоматів. Лабораторні заняття дають студентам наочне уявлення про роботу окремих логічних елементів і цифрових мікросхем, про їх властивості, характеристики і можливості, розвивають навички синтезу і дослідження комбінаційних схем і цифрових автоматів. Під час занять студенти повинні отримати корисний для їхньої майбутньої роботи досвід використання сучасних електронних елементів і цифрових пристроїв, які на сьогодні широко використовуються в схемотехніці обчислювальних машин та функціональних вузлах систем автоматики і управління. В процесі лабораторних занять здійснюється один з найважливіших моментів навчального процесу - зв'язок теорії з практикою, внаслідок чого студент отримує необхідні знання, уміння та навички в організації та проведенні досліджень з самостійною оцінкою отриманих результатів, а також засвоює технологію синтезу, складання, налагодження та експлуатації електронних схем.

Мета і задачі дисципліни

Метою дисципліни “Основи теорії цифрових автоматів” є теоретична підготовка спеціалістів спеціальності 7.091400 , що включає в себе вивчення студентами арифметичних, логічних і схемотехнічних основ побудови цифрових пристроїв обробки інформації та принципів їх аналізу і синтезу, а також практичних навичок з розробки, створення і використання цифрових автоматів різного призначення та їх окремих вузлів.

Задачі дисципліни формуються, виходячи з того, що по її вивченні студенти повинні

знати:

• роль і місце обчислювальної техніки в системах автоматики і автоматизованого управління;

• інформаційні основи цифрових пристроїв, визначення терміну “Цифровий автомат”;

• арифметичні і логічні основи побудови і роботи цифрових автоматів;

• системотехнічні засади побудови цифрових автоматів;

• принципи контролю роботи цифрових автоматів;

• способи задання цифрових автоматів;

• принципи побудови і алгоритми роботи операційних і управляючих блоків цифрових автоматів;

• основи структурного синтезу цифрових автоматів з жорсткою логікою і мікропрограмним управлінням;

• основні тенденції розвитку цифрових пристроїв на сучасному етапі.

На основі отриманих знань майбутні спеціалісти повинні

вміти:

• розробляти структури систем автоматичного і автоматизованого керування з використанням обчислювальних машин та цифрових автоматів іншого типу;

• вибирати цифровий автомат потрібного типу, а також необхідне програмне забезпечення для реалізації алгоритмів обробки інформації і керування в реальному масштабі часу;

• синтезувати структуру цифрового автомату згідно заданого алгоритму керування.

1. Перелік основних тем теоретичного матеріалу

Вступ

Мета і завдання дисципліни. Коротка історія розвитку ЦА. Інформаційні основи цифрових автоматів. Інформація і загальні принципи її перетворення і опрацювання.

Поняття про цифрові автомати. Роль і місце ЕОМ в системах управління. Апаратні засоби зберігання і обробки інформації. Поняття про ЦА і алгоритм.

Представлення числової інформації в цифрових автоматах .

Системи числення. Алгоритми переведення чисел з однієї системи в іншу. Форми і формати зображення чисел в ЦА. Зображення чисел в прямому, оберненому і доповнювальному кодах.

Арифметичні дії з двійковими числами .

Операції додавання і віднімання чисел з фіксованою і плаваючою комою.

Алгоритми множення і ділення чисел.

Кодування інформації. Поняття про контроль роботи ЦА .

Поняття про кодування і коди. Послідовний і паралельний коди. Код Хеммінга. Контроль за парністю і за модулем.

Логічні основи ЦА .

Основні поняття алгебри логіки. Логічні функції і їх властивості. Основні закони алгебри логіки. Поняття про логічний базис.

Аналіз і синтез комбінаційних схем .

Способи реалізаціїї бульових функцій. Аналогія між логічною функцією і комбінаційною схемою. Представлення функцій в ДДНФ і ДКНФ. Мінімізація логічних функцій.

Системи (серії) логічних елементів .

Базові логічні елементи різних серій, їх принципи побудови та технічні характеристики.

Схемотехніка цифрових автоматів .

Елементарні цифрові автомати: триггери, регістри, лічильники. Базові вузли ЦА на комбінаційних схемах: суматори, дешифратори, шифратори, селектори каналів, генератори синхросигналів.

Способи подання ЦА .

Математична модель ЦА. Автомати Мілі і Мура, способи подання ЦА: табличний і графічний (орграфом). Еквівалентність ЦА. Структурна модель ЦА. Етапи структурного синтезу ЦА.

Синхронізація і забезпечення стійкості цифрового автомата .

Синхронізація роботи ЦА. Структура такту операційного пристрою. Явище “гонок”. Методи забезпечення стійкості ЦА.

Керуючий і операційний блоки автомата .

Принцип декомпозиції В.М. Глушкова. Схема взаємодії між операційним блоком та керуючим автоматом. Мова мікрооперацій.

Структурний синтез ЦА .

Структура і мікропрограма роботи операційного блоку для додавання і віднімання чисел з фіксованою комою. Структурний синтез ЦА з жорсткою логікою. Синтез ЦА з мікропрограмним управлінням.

Проектування систем управління. Експлуатація і ремонт систем управління. Прогнозування економічних процесів. Організація виробництва. Прогнозування соціальних процесів. Управління технологічними процесами.

При підготовці до практичних занять студенти вивчають методичні вказівки до їх виконання, рекомендовану літературу, а також виконують підготовчу роботу у відповідності до теми завдання.

При підготовці до виконання практичних робіт необхідно дати повні відповіді на наведені контрольні запитання. Глибоке вивчення теоретичного матеріалу допоможе студентам успішно виконати роботу.