1630

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»

Микропроцессорная техника

Методические указания для самостоятельной работы студентов

по направлению подготовки

23.03.01 – Технология транспортных процессов

Воронеж 2018

2

УДК 004.384

Микропроцессорная техника [Электронный ресурс]: методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 23.03.01 – Технология транспортных процессов / А.В. Стариков; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2018. – 16 с.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ВГЛТУ

Рецензент: заведующий кафедрой электротехники и автоматики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», доктор технических наук, профессор Афоничев Д.Н.

3

Введение

Учебный план по направлению подготовки бакалавра 23.03.01 – «Технология транспортных процессов» включает изучение дисциплины «Микропроцессорная техника» в течение 5-го семестра в объеме 108 часов, из которых 18 часов отводится для лекционных занятий, 36 часов для лабораторных занятий, 54 часа для самостоятельной работы студентов. Итоговый контроль осуществляется в виде сдачи экзамена.

Рабочая программа дисциплины определяет в качестве основной цели усвоение студентами основ микропроцессорной техники, методов построения и функционирования микропроцессоров, использования и программирования микропроцессорных устройств для создания автоматизированных и автоматических систем регулирования и управления при организации перевозок и безопасности движения.

Для достижения данной цели в ходе изучения дисциплины решаются следующие задачи:

ознакомление с общими вопросами организации микропроцессоров и микропроцессорных систем, систем ввода-вывода информации, основными принципами построения микрокомпьютеров (микро-ЭВМ);

изучение логических, математических и технических основ построения микропроцессоров и микропроцессорных систем;

уяснение логики построения цифровых элементов, а на их основе запоминающих и процессорных устройств, интерфейсов;

усвоение основных принципов представления чисел в различных системах счисления, способов преобразования чисел из одной системы счисления в другую, правил алгебры логики, принципов функционирования комбинационных и последовательностных устройств, элементов программирования микропроцессоров в машинных кодах и на языке ассемблера;

приобретение навыков работы с учебно-лабораторным стендом

«Основы автоматики и вычислительной техники» (ОАВТ).

В результате освоения дисциплины «Микропроцессорная техника» студент должен:

знать: логические, математические и технические основы построения цифровых элементов микропроцессорной техники, микропроцессоров и микро-ЭВМ; архитектуру микропроцессоров и принципы их построения; систему команд и язык программирования микропроцессоров; интерфейсы микропроцессора; основные задачи, решаемые при построении микро-ЭВМ; типы микроконтроллеров, применяемых в системах управления технологическим оборудованием;

уметь: осуществлять перевод чисел из одной системы счисления в другую; выполнять арифметические действия над двоичными числами в прямом и дополнительном кодах; применять законы алгебры логики для формирования логических функций управления, минимизировать

4

логические функции; анализировать работу и строить функциональные схемы цифровых элементов автоматики;

владеть: методикой и практическими приемами выполнения работ с использованием учебно-лабораторного стенда «Основы автоматики и вычислительной техники» (ОАВТ).

1 Содержание учебной дисциплины

В соответствии с рабочей программой освоение дисциплины «Микропроцессорная техника» предусматривает изучение следующих разделов (тем) и вопросов, входящих в их состав:

Раздел 1. Введение. Задачи дисциплины. Понятие и классификация микро-ЭВМ. Современные микро-ЭВМ. Тенденции развития вычислительной техники.

Раздел 2. Представление информации в компьютере, кодирование числовых и символьных данных, арифметические операции с двоичными числами. Понятие системы счисления. Основные свойства позиционных систем счисления. Двоичные, восьмеричные и шестнадцатеричные числа. Двоично-десятичные числа. Прямой, обратный и дополнительный код числа. Двоичная арифметика. Буквенно-цифровое кодирование данных.

Раздел 3. Основы алгебры логики (булевой алгебры). Общие сведения.

Логические переменные и логические функции. Виды логических функций. Аксиомы и основные законы алгебры логики. Понятие конъюнктивной и дизъюнктивной нормальных форм. Минимизация логических функций. Синтез логических устройств.

Раздел 4. Элементы цифровых устройств. Общие сведения о цифровых устройствах. Триггеры: асинхронный и синхронный RS-триггер, D-триггер, T- триггер, JK-триггер. Регистры. Счетчики. Сумматоры. Шифраторы и дешифраторы. Мультиплексоры и демультиплексоры. Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Элементы полупроводниковой памяти.

Раздел 5. Основы построения микропроцессоров и микро-ЭВМ.

Классификация микропроцессоров. Общая структура микропроцессора. Состав команд микропроцессора. Архитектура и функционирование простой микроЭВМ. Организация памяти микро-ЭВМ.

Раздел 6. Принципы функционирования микропроцессоров.

Функциональная схема микропроцессора КР580ИК80А (Intel 8080). Циклы прохождения команд в микропроцессоре КР580ИК80А. Последовательность выполнения команды структурно-логическими элементами микропроцессора. Извлечение кода команды, данных из памяти или внешнего устройства. Работа в режиме захвата шины. Выполнение команды HALT (останов).

Раздел 7. Программирование микропроцессоров. Машинный язык и язык ассемблера. Состав и форматы команд. Режимы (методы) адресации. Программная модель микропроцессорной системы.

Раздел 8. Интерфейсы микропроцессора. Общее понятие интерфейса.

Интерфейс микропроцессора с постоянным запоминающим устройством (ПЗУ)

5

и оперативным запоминающим устройством (ОЗУ). Основные элементы интерфейса микропроцессора с подсистемой ввода-вывода.

Раздел 9. Основные задачи, решаемые при построении микро-ЭВМ.

Временнáя синхронизация процессов в микро-ЭВМ. Структура магистралей микро-ЭВМ. Протоколы обмена информацией. Протоколы арбитража. Режимы работы микро-ЭВМ. Организация прерываний в микро-ЭВМ. Организация обмена информацией с микро-ЭВМ в последовательном коде.

Раздел 10. Применение микропроцессорных систем в управлении технологическими процессами. Применение микропроцессорных систем в информационно-управляющих комплексах технологических процессов и производств. Микропроцессорные сети. Микроконтроллеры.

Назначение лекционных занятий по дисциплине «Микропроцессорная техника» получение теоретических знаний студентами по важнейшим разделам дисциплины, а также формирование общего представления по обзорным темам (вопросам) дисциплины.

Помимо лекционных занятий, обязательным элементом изучения дисциплины «Микропроцессорная техника» является выполнение студентом лабораторного практикума. Согласно Положению о сдаче экзаменов в ФГБОУ ВО ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова студент, не выполнивший лабораторный практикум, не допускается к сдаче экзамена.

В соответствии с рабочей программой дисциплины «Микропроцессорная техника» предусматривается следующая тематика лабораторных работ (в скобках указано нормативное количество времени, отводимое на выполнение и защиту работы):

1.Представление информации в компьютере (4 часа).

2.Основы алгебры логики (булевой алгебры) (4 часа).

3.Знакомство с универсальным стендом для изучения основ автоматики и вычислительной техники (4 часа).

4.Знакомство с логическими элементами и простейшими комбинационными устройствами (4 часа).

5.Исследование триггеров (4 часа).

6.Исследование регистров (4 часа).

Всеми из девяти лабораторных работах предусматривается использование учебно-лабораторного оборудования. При защите отчёта студент должен продемонстрировать знание необходимого теоретического материала по теме практического занятия, аргументировано ответить на вопросы преподавателя, касающиеся практической части работы.

Всоответствии с учебным планом на самостоятельную работу студента предусматривается 50 % общего времени, отводимого на изучение дисциплины. При этом одну часть времени, планируемого для самостоятельной работы, предполагается использовать для самостоятельного изучения отдельных

6

вопросов лекционного курса, другую для доработки отчётов о выполненных практических работах и подготовки к их защите.

2 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы

При осуществлении самостоятельной работы студент должен руководствоваться указаниями преподавателя, данными методическими указаниями, методическими указаниями к практическим работам, материалами конспекта лекций, рекомендованной основной и дополнительной учебной литературой, включая электронные источники информации.

Ниже приведен перечень основной и дополнительной литературы, имеющейся в учебной библиотеке ВГЛТУ.

Основная литература

1.Гуров, В. В. Микропроцессорные системы [Электронный ресурс] : учебник / В. В. Гуров. – М. : ИНФРА, 2018. – 336 с. – ЭБС «Знаниум»; Режим доступа: http://www.znanium.com/bookread2.php?book=930533. – Загл. с экрана.

2.Смирнов, Ю. А. Основы микроэлектроники и микропроцессорной техники [Электронный ресурс] : учеб. пособие / Ю.А. Смирнов, С.В. Соколов, Е.В. Титов. – СПб : Лань, 2013. – 496 с. – ЭБС «Издательство «Лань»; Режим доступа: https://e.lanbook.com/book/12948. – Загл. с экрана.

Дополнительная литература

1.Стариков, А. В. Основы информатики [Текст] : учеб. пособие. В 2 ч. Ч.1. Введение в информатику. Программно-техническая организация персонального компьютера / А. В. Стариков; Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА». – Воронеж, 2007. – 144 с.

2.Стариков, А. В. Микропроцессорная техника [Электронный ресурс] : методические указания к выполнению практических работ для направления подготовки бакалавра 23.03.01 – «Технология транспортных процессов» / А.В. Стариков; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2018. – 84 с. – ЭБС ВГЛТУ.

Для качественного освоения дисциплины, возможно, потребуются следующие ресурсы информационно-телекоммуникационной сети «Интернет»:

ЭБС «Единое окно доступа к образовательным ресурсам»: http://window.edu.ru/;

ЭБС «Знаниум»: http://www.znanium.com/;

ЭБС «Издательство «Лань»: https://e.lanbook.com/;

Интернет-университет информационных технологий: http://www.intuit.ru;

сайт для тех, кто интересуется электроникой, микроконтроллерами,

программированием: http://chipenable.ru;

сайт с обширной подборкой научной, учебной и учебно-методической литературы, представленной в виде библиотеки открытых электронных источников: http://www.twirpx.com.

7

Поскольку лекции читаются не в полном объеме дисциплины, то студентам на самостоятельное изучение выносится ряд тем (табл. 1). Преподаватель сообщает студентам их общее содержание и организует контроль знаний по заявленным темам.

Проверка качества освоения разделов (тем) дисциплины осуществляется посредством текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации студентов. Результаты текущего контроля отражаются в баллах модульнорейтинговой системы оценки знаний.

Контроль результатов самостоятельной работы студентов выполняется преподавателем. При этом для проверки ряда разделов (тем) целесообразно организовать тестовую форму контроля знаний обучающихся. Например, часть тестовых заданий для раздела 2 «Представление информации в компьютере, кодирование числовых и символьных данных, арифметические операции с двоичными числами» может быть следующей (только один из предложенных ответов является верным):

8

1. Выбрать правильный эквивалент для числа 16510: 1) 101001012; 2) 2438; 3) А716;

4)ни один из предложенных выше вариантов.

2.Выбрать правильный эквивалент для числа 011011012:

4)ни один из предложенных выше вариантов.

3.Выбрать правильный эквивалент для числа 2158:

1) 010101012; 2) 13110; 3) 8D16;

4)ни один из предложенных выше вариантов.

4.Выбрать правильный эквивалент для числа B716:

1) 101001112; 2) 2278; 3) 15910;

4)ни один из предложенных выше вариантов.

5.Выбрать правильный эквивалент двоичного представления в прямом коде для числа -12510:

1) 111111012; 2) 100000102; 3) 100000112;

4)ни один из предложенных выше вариантов.

6.Выбрать правильный эквивалент двоичного представления в обратном коде для числа -12510:

1) 111111012; 2) 100000102; 3) 100000112;

4)ни один из предложенных выше вариантов.

7.Выбрать правильный эквивалент двоичного представления в дополнительном коде для числа -12510:

1) 111111012; 2) 100000102; 3) 100000112;

4) ни один из предложенных выше вариантов.

8.При сложении 2-х двоичных чисел получен следующий результат:

0101100 + ? = 0110011

Выбрать двоичное число, использованное в качестве второго

5)ни один из предложенных выше вариантов.

9.Выполнено сложение положительного числа 01100002, представленного в прямом коде, с отрицательным числом 110110112, представленным в дополнительном коде. Выбрать число, представляющее сумму (результат сложения):

10

1)конъюнкции («И»);

2)дизъюнкции («ИЛИ»);

3)сложение по модулю 2 («Исключающее ИЛИ», неравнозначность);

4)инверсия функции конъюнкции («И-НЕ», штрих Шеффера);

5)инверсия функции дизъюнкции («ИЛИ-НЕ», стрелка Пирса).

6.Следующая запись логических выражений

(x y) z x ( y z) ; (x y) z x ( y z)

представляет:

1)ассоциативный (сочетательный) закон;

2)коммутативный (переместительный) закон;

3)распределительный закон;

4)закон инверсии (правило де Моргана);

5)закон двойной инверсии.

7.Следующая запись логических выражений

y y x ; x y y xx

представляет:

1)ассоциативный (сочетательный) закон;

2)коммутативный (переместительный) закон;

3)распределительный закон;

4)закон инверсии (правило де Моргана);

5)закон двойной инверсии.

8.Следующая запись логических выражений

x y z (x y)(x z) ; x ( y z) x y x z

представляет:

1)ассоциативный (сочетательный) закон;

2)коммутативный (переместительный) закон;

3)распределительный закон;

4)закон инверсии (правило де Моргана);

5)закон двойной инверсии.

9.Следующая запись логических выражений

x y x y ; x y x y

представляет:

1)ассоциативный (сочетательный) закон;

2)коммутативный (переместительный) закон;

3)распределительный закон;

4)закон инверсии (правило де Моргана);

5)закон поглощения.

10.Следующая запись логических выражений

x x y x ; x (x y) x

представляет:

1)ассоциативный (сочетательный) закон;

2)коммутативный (переместительный) закон;

3)распределительный закон;