ДЕРЖАВНИЙ ЕКОНОМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ТРАНСПОРТУ

Кафедра «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології транспорту»

Л.Ф. Мараховський

МЕТОДИ ПРОЕКТУВАННЯ

ІНФОРМАЦІЙНО-КЕРУЮЧИХ СИСТЕМ

Навчально – методичний посібник

для магістрів спеціальності 8.05020203 «Автоматика та автоматизація на транспорті (залізничний транспорт)» спеціалізація «Комп’ютерно-інформаційні керуючі системи»

Київ – ДЕТУТ – 2016

УДК 681.3

ББК 32.973.26–018.1

М 25

Мараховський Л.Ф.

Методи проектування інформаційно-керуючих систем: навчально-методичний посібник для магістрів спеціальності 8.05020203 «Автоматика та автоматизація на транспорті (залізничний транспорт)» спеціалізація «Комп’ютерно-інформаційні керуючі системи». – К.: ДЕТУТ, 2016. – 269 с.

У навчальному посібнику подано основні відомості про кінцеві автомати, які як пам’ять використовують тригери, багатофункціональні та багаторівневі схеми пам’яті. Значну увагу приділено теорії монофункціональних автоматів 1-го і 2-го роду (автоматів Мілі і Мура), функціонування яких розглядається в автоматному дискретному часі, та теорії багатофункціональних автоматів 1-го, 2-го і 3-го роду (автоматів Мараховського), функціонування яких розглядається в автоматному безперервному часі. Докладно розглянуто традиційний клас автоматів без пам’яті (комбінаційних схем), елементарні схеми тригерів, теорію мікроструктурного синтезу багатофункціональних та багаторівневих елементарних схем пам’яті, методи аналізу і модулювання функціональних схем, методи проектування пристроїв інформаційно-керуючих систем, таких як: регістри, лічильники, пристрої управління, мікроконтролери та комп’ютери, котрі побудовані з пам’яттю на тригерах і на схемах автоматної пам’яті. Основні теоретичні положення курсу уточнюються під час виконання пропонованих лабораторних робіт у середовищі імітаційного моделювання «NI Multisim», а також коротко розглянуті методи проектування САПР «MAX + plus II» для застосування ПЛІС при розробці керуючих пристроїв.

Для студентів магістрів, науковців і практичних працівників.

Рецензенты

В.О. Романов – д-р тех. наук, завідуючий відділом ( Інституту кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України)

В.В. Гавриленко. – д-р ф.-м. наук, завідуючий кафедри інформаційнихі систем і технологій (Національний транспортний університет)

Ю.Г. Савченко – д-р тех. наук, проф. кафедри звукотехніки та реєстрації інформації факультету електроніки (Національний техніческий університет України (КПІ))

 Мараховський Л.Ф., 2016 рік

ДЕТУТ, 2016 рік

ЗМІСТ

Передмова……………………………………………………………………6

Список умовних скорочень………….………………………………….....8

РОЗДІЛ 1………………………………………………………………….…11

Сучасний лабораторний практикум у навчанні……………….…..11

1. Імітаційне моделювання …………………………………………11

2. Віртуальні вимірювальні прилади ………………………………13

3. Місце лабораторного практикуму у навчанні ………………….15

4. Новий напрям у розробці сучасних комп’ютерів …………..… 16

РОЗДІЛ 2…………………………………………………………………....18

Методичні поради щодо використання практикуму …………..…18

1. Послідовність виконання робіт …………………………….…...18

2. Виконання типового завдання індивідуальної практичної

роботи…………………………………………………………………...18

3. Методика проведення лабораторних робіт ………….…..……19

Приклад оформлення титульної сторінки звіту …………………….22

Програма курсу з розподілом навчального часу ………………………23

РОЗДІЛ 3 …………………………………………………………………...25

Практична та лабораторна робота 1 ……………………………..…25

1. Призначення та основні можливості “NІ Multisim 12” ……….25

2. Запуск та налагодження “NІ Multisim 12” ……………………..28

3. Компоненти “NІ Multisim 12” …………………………………..29

4. Інструменти “NІ Multisim 12” …………………………………..31

5. Прийоми роботи у “NІ Multisim 12” ……………………………32

6. Користування приладами “NІ Multisim 12” ………………..….35

3.6.1. Генератор слів (Word Generator)……………………..…..35

3.6.2. Логічний аналізатор (Logic Analyzer)……………………38

3.6.3. Логічний перетворювач (Logic Converter)………….….....41

3.6.3. Індикатори………………………………………………….….…42

7. Знайомство з “NІ Multisim 12”. Ввідне заняття ………….……43

   1. Тема роботи……………………………………….…..43

   2. Мета роботи ……………………………………….….43

   3. Зміст роботи ……………………………………….…44

   4. Хід роботи ……………………………………….……46

   5. Виконання практичної та лабораторної роботи 1 ….47

   6. Відповіді на запитання ….…………………………....49

   7. Висновки ……………………………………………...50

8. Питання, тести для самоконтролю (“NІ Multisim 12”) …….…51

РОЗДІЛ 4 ……………………………………………………………………53

Практична та лабораторна робота 2 ………………………………...53

1. Теоретичні відомості……………………………………………..53

2. Питання до практичної роботи ………………………………….59

3. Приклади виконання лабораторної роботи 2…………………...60

4. Виконання лабораторної роботи на ПК ……………………..…61

5. Відповіді на запитання …………………………………….…….62

6. Висновки………………………………………………………......62

РОЗДІЛ 5 ………………………………………………………………..…...64

Практична та лабораторна робота 3 ……………………….………..64

1. Теоретичні відомості……………………………………………..64

2. Питання до практичної роботи ………………………………….72

3. Приклади виконання лабораторної роботи 3…………………...77

4. Виконання лабораторної роботи на ПК ………………………..78

5. Відповіді на запитання ………………………………………..…79

6. Висновки …………………………………………………………80

РОЗДІЛ 6 …………………………………………………………………...81

Практична та лабораторна робота 4 ……………………….……….81

1. Теоретичні відомості……………………………………………..81

2. Питання до практичної роботи ………………………………….87

3. Приклади виконання лабораторної роботи 4…………………...88

4. Виконання лабораторної роботи на ПК ……………………..…93

5. Відповіді на запитання ………………………………………..…94

6. Висновки …………………………………………………………..95

РОЗДІЛ 7.………………………………………………………………….…96

Практична та лабораторна робота 5 …………………………….…..96

1. Теоретичні відомості……………………………………..… . …..96

2. Питання до практичної роботи ………………………………...104

3. Приклади виконання лабораторної роботи 5……………….....105

4. Виконання лабораторної роботи на ПК …………………….…109

5. Відповіді на запитання ……………………………………….…109

6. Висновки ………………………………………………………...111

РОЗДІЛ 8 ………………………………………………………………..…111

Практична та лабораторна робота 6 ……………………………....111

1. Теоретичні відомості…………………………………………….111

2. Питання до практичної роботи ………………………………...116

3. Приклади виконання лабораторної роботи 6……………….....118

4. Виконання лабораторної роботи на ПК …………………….…120

8.5. Висновки…………………………………………………………123

РОЗДІЛ 9 …………………………………………………………………..124

Практична та лабораторна робота 7 ………………………………124

1. Теоретичні відомості…………………………………………....124

2. Питання до практичної роботи …………………………….….130

3. Приклади виконання лабораторної роботи 7………………....130

4. Виконання лабораторної роботи на ПК ………………………133

5. Висновки ………………………………………………………..134

РОЗДІЛ 10…………………………………………………………………135

Практична та лабораторна робота 8 ………………………….…..135

1. Теоретичні відомості……………………………………………135

2. Питання до практичної роботи …………………………….….140

3. Приклади виконання лабораторної роботи 8…………….…...141

4. Виконання лабораторної роботи на ПК …………………….…141

5. Висновки …………………………………………………….…..146

РОЗДІЛ 11..…………………………………………………………………147

Практична та лабораторна робота 9 ……………………………...147

1. Теоретичні відомості…………………………………………...147

2. Питання до практичної роботи 9..………………………….….173

3. Приклади виконання лабораторної роботи 9.………………...176

4. Виконання лабораторної роботи на ПК …………………….…177

5. Висновки ……………………………………………………...…178

РОЗДІЛ 12..………………………………………………………..…….…180

Практична та лабораторна робота 10 ……………………………..180

12.1. Теоретичні відомості…………………………………………….180

2. Питання до практичної роботи ……………………………..…191

3. Приклади виконання лабораторної роботи 10…………….….193

4. Виконання лабораторної роботи на ПК ………………….…..194

5. Висновки ……………………………………………………..…196

РОЗДІЛ 13..……………………………………………………………..…197

Практична та лабораторна робота 11 ………………………….…197

1. Теоретичні відомості……………………………………….…..197

2. Питання до практичної роботи …………………………….….209

3. Приклади виконання лабораторної роботи 11…………….…..211

4. Виконання лабораторної роботи на ПК …………………….…212

5. Висновки ………………………………………………………...213

РОЗДІЛ 14..…………………………………………………………………215

Практична та лабораторна робота 12 ………………………….…215

1. Теоретичні відомості…………………………………………...215

2. Питання до практичної роботи ……………………………..…220

3. Приклади виконання лабораторної роботи 12……………..….221

4. Виконання лабораторної роботи …………………………..…..222

5. Висновки ………………………………………………….….…226

РОЗДІЛ 15..…………………………………………………………………227

Практична та лабораторна робота 13 ……………………………..227

1. Теоретичні відомості…………………………………………….227

2. Питання до практичної роботи ………………………………...236

3. Приклади виконання лабораторної роботи 13………………....237

4. Виконання лабораторної роботи на ПК …………………….…253

5. Висновки …………………………………………………………266

Висновки ……………………………………………………………….………267

Рекомендована література……………………………….…………..………….268

ПЕРЕДМОВА

Теорія кінцевих автоматів характеризується широким користуванням в різних областях застосування дискретної техніки. Ця теорія отримала первинний розвиток на базі бульової алгебри і моделі дискретного пристрою у вигляді так званого кінцевого автомата. На ній ґрунтується розвиток методів логічного проектування дискретних пристроїв і методів побудови тестів для перевірки останніх, забезпечення надійності і стійкості їх робіт, вирішення завдань «конструювання» дискретних пристроїв. Виникли окремі відгалуження теорії кінцевих автоматів у вигляді теорії імовірнісних і нечітких автоматів, колективної поведінки автоматів, експериментів тощо. Теорія автоматів являє собою розділ теорії керуючих машин, що вивчає математичні моделі перетворювачів дискретної інформації, які названі автоматами (від грецького аutómatos – самодіючий). З теоретичної точки зору, такими перетворювачами є як реальні пристрої (обчислювальні машини, автомати , живі організми тощо), так і абстрактні системи (математичні машини, аксіоматичні теорії тощо). Характерною особливістю цих перетворювачів є дискретність функціонування та кінцівку областей значень параметрів, що описують їх.

Рівень розвитку сучасної комп'ютерної техніки є основою для підвищення можливостей штучного інтелекту комп'ютерних пристроїв, систем і мереж, що дуже важливо при створенні нових методів побудови інформаційно-керуючих систем.

Практикум з дисципліни «Методи проектування інформаційно-керуючих систем» призначений для поглиблення знань, отриманих на лекційних заняттях, з теоретичних основ і принципів побудови цифрових пристроїв обчислювальних машин на логічних елементах. У практикумі застосовується імітаційне модулювання на ПК. В основу курсу покладені сучасні методи і принципи теорії автоматів та логічного проектування дискретних пристроїв на тригерах та схемах автоматної пам'яті (САП).

У даному практикумі містяться методичні поради щодо вивчення основних понять з дисципліни «Методи проектування інформаційно-керуючих систем», організації самостійної роботи студентів, виконання практичних та лабораторних завдань, порядок та критерії оцінювання знань тощо.

Викладений матеріал практикуму структурований згідно з навчальним планом.

Основні задачі практикуму:

• виконання практичних робіт з творчім підходом до лекційного матеріалу ;

• ознайомлення з можливостями програми імітаційного моделювання в електроніці «NI Multisim 12»;

• набуття навичок побудови логічних пристроїв з використанням можливостей імітаційного моделювання;

• набуття навичок користування інструментами цифрової електроніки «Генератор слів» (Word Generator), «Логічний аналізатор» (Logic Analyzer), «Логічний перетворювач» (Logic Converter), логічними індикаторами на прикладах з побудови логічних пристроїв.

• набуття навичок аналізу роботи функціональних схем пристроїв комп’ютерної техніки;

• розширення кругозору у сучасних технологіях розробки та проектування комп’ютерної техніки.

Автор висловлює подяку викладачу КПІ Воєводіну Сергію Вікторовичу, який свого часу зробив багато по засвоєнню програмного забезпечення у середовищі імітаційного моделювання NI Multisim (при сумісній роботі в КНЕУ), а також аспіранту ДЕТУТ Москвіну Вадиму Віуторовичу, який скорегував рисунки в середовищі імітаційного моделювання «NI Multisim 12» для даного посібника і дипломнику Озерському Євгенію, який за темою диплома «Розробка мікроконтролера на схемах автоматної пам’яті», розглянув типи мікроконтролерів і їх програмне забезпечення.

Список умовних скорочень

Англомовні абревіатури

ANSI – American National Standards Institute, координатор системи стандартів США

C – ємність.

CMOS – (Complementary Metal Oxide Semiconductor) компліментарна структура метал-оксид-напівпровідник, CMOS-технологія виготовлення мікросхем, поєднання p- та n- канальних польових транзисторів на одному кристалі ІС.

HDL – (Hardware Description Language) – програмні мови опису апаратних засобів.

L – індуктивність.

LA – Logic Analyzer, логічний аналізатор.

MOS – (Metal Oxide Semiconductor), MOS-транзистор, польовий транзистор з металевим затвором та оксидом кремнію в якості підзатворного діелектрика.

NI ELVIS – (NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite) навчальна лабораторна платформа програмно-апаратного комплексу NI LabVIEW.

NI LabVIEW – (NI Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) лабораторія віртуальних вимірювальних інструментів.

R – резистор.

TCAD – (Technology Computer Aided Design) – приладо-технологічне моделювання.

Verilog – внутрішня мова симуляції фірми Gateway Design Automaton.

VHDL – (Very high speed integrated circuits Hardware Description Language) – мова для опису проектів різного ступеня складності.

WG – Word Generator, текстовий генератор слів.

Україномовні абревіатури

АЛП – арифметико-логічний пристрій.

БРСП – багаторівнева схема пам’яті.

БФСП – багатофункціональна схема пам’яті.

ВІС –велика інтегральна схема.

ГС – генератор слів.

ЕА – елементарний автомат.

ЕОМ – електронна обчислювальна машина.

ЕП – елемент пам’яті.

ЄСКД – Єдина система конструкторської документації.

ЗП – запам’ятовуючий пристрій.

ДНФ – диз’юнктивна нормальна форма запису логічних функцій.

ІМС – інтегральна мікросхема.

ІС – інтегральна схема (співпадає з англомовним IC – integrated circuit).

КНФ – кон’юктивна нормальна форма запису логічних функцій.

ЛЕ – логічний елемент (БА – базовий автомат)

ЛА – логічний аналізатор.

МС – мікросхема.

МФСП – монофункціональна елементарна схема пам’яті

ПЗ – програмне забезпечення

ПЛІС – програмована логічна інтегральна схема.

ПЛМ – програмована логічна матриця.

ПМЛ – програмована матрична логіка.

ОЗП – оперативний запам’ятовуючий пристрій.

САП – схема автоматної пам’яті.

САПР – система автоматизації проектування.

ЦА – цифровий автомат.

ЦІС – цифрова інтегральна схема.

Назви логічних елементів (англ., укр., рос.)

AND3 – логічний компонент триходовий І (И).

ENOR2 – (eliminate NO-OR) логічний компонент двоходовий виключне АБО-НІ

(исключающее ИЛИ-НЕ).

NAND2 – логічний компонент двоходовий І-НІ (И-НЕ).

NOR2 – логічний компонент двоходовий АБО-НІ (ИЛИ-НЕ).

OR2 – логічний компонент двоходовий АБО (ИЛИ).

Спеціальні терміни

Клік – (click) одноразове натискання лівої клавіші миші.

Правий клік – (right click) одноразове натискання правої клавіші миші.

Подвійний клік – (double click) подвійне натискання лівої клавіші миші з малим інтервалом часу (інтервал налаштовується у середовищі Windows).

Клавіша – елемент комп’ютерної клавіатури.

Кнопка – елемент графічного інтерфейсу користувача GUI (Graphic User Interface), зображення кнопки на панелі керування, яке відгукується на події. Натискається лівим кліком.

Place/Graphics/Ellipse – приклад запису послідовності вкладеності меню (шлях до кінцевої опції).

[Ctrl+T] – приклад запису комбінації натиснення клавіш (утримуючі натиснутою "Ctrl", натиснути "T").

Розділ 1

СУЧАСНИЙ ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ У НАВЧАННІ

1. Імітаційне моделювання

Процес пізнання (як складова наукового методу) та навчальний процес в природничих науках можна умовно поділити на наступні етапи (рис. 1.1):

Рис. 1.1. Процес пізнання та навчальний процес

Дослідження математичних моделей, як складової частини наукових теорій, є важливим етапом як пізнання, так і навчання. Імітаційне моделювання є окремим випадком математичного моделювання і дозволяє досліджувати не само явище, а його модель. Імітаційна модель – це логіко-математичний опис об’єкта, який може бути використаний з метою проектування, аналізу і оцінки функціонування об’єкта. Ефективне застосування імітаційного моделювання стало можливим лише із створенням формалізованих методів аналізу у відділі академіка В.М. Глушкова к.т.н. Л.В. Мацевитим при розробці малої інтегруючої машини (МІМ) у 1962р. Перенесення програмного забезпечення для імітаційного моделювання на комп’ютери вперше було зроблено на ЕОМ М-20 д.т.н., професором Л.Ф. Мараховським на Київському наукво-дослідному інституті мікроприладів (1970 р.). Перенесення програмного забезпечення для імітаційного моделювання на персональні комп’ютери (1985-1994 рр.) відкрило шлях до нього широкому колу науково-інженерних працівників і викладачів. Вдале поєднання графічного програмування, зручного введення даних, швидкісних обчислень, анімації та наочного подання результатів дозволило створювати ілюзію відтворення фізичних процесів (іноді у реальному часі), що отримало назву «simulation», яка відповідає сучасному розумінню поняття «імітаційне моделювання».

На сьогоднішній день вже створена величезна кількість програмних пакетів імітаційного моделювання, які відрізняються за тематичними напрямами, способами побудови, метою подальшого використання. Моделювання складних систем передбачає наявність моделей складових компонентів та алгоритмів їх взаємодії. Моделі компонентів можуть бути як суто аналітичними, так і запозиченими з результатів експериментальних досліджень. В останньому випадку втрачається «прозорість» моделювання, але досягається висока точність відтворення поведінки реального об’єкта.

Імітаційне моделювання в електроніці, започатковане ще у 60-х роках, зараз досягло рівня, який дозволяє провадити величезну частину розробок без втілення у реальні прототипи. Вимоги професійного та освітнього напряму у цій області дещо відрізняються. Професійне використання вимагає наявності величезної бібліотеки електронних компонентів з актуальними оновленнями, а також безпомилкової та швидкісної роботи моделюючої програми. Наприклад, один із світових лідерів – програмний пакет OrCAD-PSPICE з бібліотекою моделей, яка нараховує мільйони компонентів і при оновленні через мережу Інтернет стає практично необмеженою.

Імітаційне моделювання у навчальному процесі більш потребує якісного графічного відображення і наочності системи введення інформації та уявлення процесу її обробки, наявності експертної системи, яка попереджує про помилки та може їх коментувати, а також ретельно відпрацьованої контекстної довідкової системи (один із світових лідерів – програмний пакет Multisim компанії National Instruments, Electronics Workbench Group).

Можна навести приклади програмних пакетів, які добре зарекомендували себе серед фахівців: Micro-Cap, NI Multisim, Design Lab, MatLab, VisSim.