Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Учебно-методическое пособие и задания на курсовое проектирование по дисциплине Цифровые устройства и микропроцессоры
.pdf
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение
высшего профессионального образования
Московский технический университет связи и информатики
Кафедра радиотехнических систем
Лобов Е.М., Терешонок М.В.
Учебно-методическое пособие
и задания на курсовое проектирование
по дисциплине
ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА
И МИКРОПРОЦЕССОРЫ
Москва 2015
Учебно-методическое пособие
и задания на курсовое проектирование
по дисциплине
ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ
Составители: Е.М.Лобов, доцент
М.В.Терешонок, доцент
План УМД на 2015/16 уч.г.
Издание утверждено на заседании совета факультета РиТ. Протокол № 7
от 12.03.2015 г.
Рецензент С.С.Аджемов, д.т.н., профессор
Аудиторные занятия
Самостоятельные занятия
Лекции
Практичес-
кие занятия
Прак-
тикум
Итого
Изучение
курса
Выпол-
нение
КР
Подготовка
к практику-
му
Итого
28
26
18
72
24
30
18
72
ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО КУРСУ
Дисциплина "Цифровые устройства и микропроцессоры" изучается на
3 курсе факультета радио и телевидения (направление 210400). По курсу
читаются лекции, проводятся практические занятия, выполняются
практикумы, курсовая работа и сдается экзамен.
Самостоятельная работа студента по освоению курса заключается в
проработке соответствующего материала пособий, рекомендованных в
учебно-методическом пособии, подготовке к практикумам и выполнении
курсовой работы.
Распределение времени (в часах) для изучения дисциплины "Цифровые
устройства и микропроцессоры" приведено в таблице 1.
Таблица 1
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО КУРСУ
Дисциплина состоит из пяти разделов. В курсе изучаются: булева
алгебра и основы теории синтеза цифровых устройств, комбинационные
цифровые устройства, цифровые устройства с памятью, АЦП и ЦАП,
микропроцессоры и программируемые логические интегральные схемы.
ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИЙ
Лекция 1. (2ч). Системы счисления. Преобразование чисел из одной
системы счисления в другую.
Лекция 2. (2ч). Логические основы цифровой техники. Способы задания
логических функций.
Лекция 3. (2ч). Синтез комбинационных устройств.
Лекция 4. (2ч). Минимизация логических функций с использованием
карт Карно.
Лекция 5. (2ч). Логические элементы цифровых устройств.
Лекция 6. (2ч). Мультиплексоры и демультиплексоры.
Лекция 7. (2ч). Шифраторы и дешифраторы.
3
Лекция 8. (2ч). Сумматоры.
Лекция 9. (2ч). Триггеры.
Лекция 10. (2ч). Счетчики.
Лекция 11. (2ч). Устройства памяти.
Лекция 12. (2ч). Принцип аналогово-цифрового преобразования. АЦП и
ЦАП.
Лекция 13. (2ч). Микропроцессоры и микроконтроллеры.
Лекция 14. (2ч). Программируемые логические интегральные схемы.
Основные материалы, используемые при чтении лекций, изложены
в [1]-[4]. Дополнительно можно пользоваться источниками [5]-[7].
Контрольные вопросы по курсу
1. Каковы различия при представлении величины в положительной и
отрицательной логике?
2. Какими способами может быть задана функция, реализуемая
логической схемой?
3. Что такое СДНФ и СКНФ?
4. Какая схема называется комбинационной?
5. С помощью какого минимального набора логических элементов
можно реализовать любую переключательную функцию?
6. Перечислить этапы синтеза комбинационной схемы.
7. В чем заключается сущность процесса дешифрации? Привести
примеры использования дешифраторов.
8. Каким должно быть соотношение между количеством входов и
выходов в схеме полного шифратора?
9. Почему шифраторы называют преобразователями десятичного кода в
двоичный код?
10. Каким должно быть соотношение между количеством
информационных и адресных входов в интегральной схеме
мультиплексора?
11. В каких случаях объединяют схемы в мультиплексное дерево?
12. В чем заключаются различия схем мультиплексора и
демультиплексора?
13. Назвать функцию алгебры логики, в соответствии с которой
происходит формирование значения суммы в сумматорах.
14. Каковы различия в построении схем сумматоров последовательного и
параллельного действия?
15. Для чего в схеме сумматора последовательного действия
устанавливается элемент памяти?
16. В чем состоит сущность работы накапливающего сумматора?
17. Какую информацию хранит память накапливающего сумматора?
4
18. Для чего предназначены триггеры?
19. Как можно разделить входы триггеров по их функциональному
назначению?
20. Какие существуют устойчивые состояния триггера и в какой точке
схемы происходит оценка его состояния?
21. В чем заключаются различия в работе схем триггеров, имеющих
только информационный вход, и триггеров, имеющих
информационный и управляющий входы?
22. В чем заключаются различия в схемах RS-триггеров с прямыми и
инверсными входами?
23. Для какой цели используются входы R и S?
24. В какие моменты времени происходит запись информации в
асинхронный и синхронный триггеры?
25. Чем различается работа триггеров со статическим и динамическим
управлением?
26. Какое сочетание входных сигналов запрещено? Почему невозможна
работа триггера с инверсными входами в таком режиме?
27. Как обеспечивается режим хранения информации в триггере с
прямыми входами? За счет чего триггер продолжает хранить ранее
записанную информацию?
28. Какое сочетание входных сигналов запрещено? Почему невозможна
работа триггера с прямыми входами в таком режиме?
29. Как обеспечивается режим хранения информации в триггере с
инверсными входами? За счет чего триггер продолжает хранить ранее
записанную информацию?
30. Какое сочетание входных сигналов запрещено? Почему невозможна
работа триггера с инверсными входами в таком режиме?
31. Что такое регистр?
32. Что такое сдвиговый регистр?
33. В чем заключается сущность процесса обращения к ячейке памяти?
34. Чем отличается организация режимов «Запись» и «Чтение»?
35. Каков общий объем 16-разрядного ЗУ для хранения 32 слов?
36. Какова взаимосвязь между разрядностью адреса и количеством
хранимых слов в ЗУ?
37. Какому типу ЗУ соответствуют обозначения ROM, PROM, RAM?
38. Каковы назначения и основные характеристики АЦП и ЦАП?
39. Из каких условий выбирается необходимая разрядность АЦП?
40. Какие основные функции выполняет микропроцессор?
41. Как называется главный регистр микропроцессора? Какую роль он
играет при выполнении операций в арифметико-логическом
устройстве?
42. Для чего предназначены буфер данных и буфер адреса?
43. Какие существуют виды адресации, предполагающие обращение к
памяти?
5
44. Для чего предназначен стек?
45. Что такое прерывания?
46. Какова последовательность действий при возникновении прерывания?
47. Из каких базовых ячеек состоит программируемая логическая
интегральная схема семейства Spartan 6?
48. В чем состоит сущность процесса «программирования» ПЛИС?
49. Каким образом реализуются логические функции в ПЛИС Spartan 6?
50. Можно ли реализовать логическую функцию с семью аргументами в
ПЛИС Spartan 6?
51. Назовите специализированные блоки, которые присутствуют в
архитектуре ПЛИС Spartan 6, и их назначение?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Основная
1. Микушин А.В., Сажнев А.М., Сединин В.И. Цифровые устройства и
микропроцессоры: Учебное пособие. – СПб.: БХВ-Петербург, 2010.
– 832 с.: ил.
2. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: Учебное пособие для вузов.
– Изд. 3-е, перераб. и доп. – СПб: БХВ-Петербург, 2010. – 816 с.
3. Потехин В.А. Схемотехника цифровых устройств: Учебное пособие
для вузов. – Томск: В-Спектр, 2012. – 250 с.
4. Сперанский B.C. Сигнальные микропроцессоры и их применение в
системах телекоммуникаций и электроники. – М.: Горячая линияТелеком, 2008. – 168 с.
5. Тарасов И.Е. Разработка цифровых устройств на базе ПЛИС Xilinxс
применением языка VHDL. – М.: Горячая линия-Телеком, 2005.
– 252 с.
6. Бибило П.Н. Введение в язык VHDL. Изд. 3-е, доп. – М.: Изд-во ЛКИ,
2007. – 238 с.
Дополнительная
7. Безуглов Д.А., Калиенко И.В Цифровые устройства и микропро-
цессоры. - Изд. 2-е. - Ростов н/Д: Феникс, 2008. – 468 с.
8. Клочков Г.Л. Цифровые устройства и микропроцессоры: Учебник.
– Воронеж: ВИРЭ, 2005. – 320 с.
9. Нарышкин А.К. Цифровые устройства и микропроцессоры: Учебное
пособие для студ. вузов. – Издательский центр «Академия», 2006.
– 320 с.
10. Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы.
– СПб.: БХВ-Петербург – 2003. – 448 с.
11. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: Учебное
пособие для втузов. – СПб.: Политехника, 1996. – 885 с.
6
КУРСОВАЯ РАБОТА
Курсовая работа предназначена для углубления материала и развития навыков по использованию теоретических знаний в решении практических задач. Перед выполнением курсовой работы необходимо изучить
соответствующую часть разделов теории. Перед экзаменом проводится
собеседование по проделанной работе. Студенты, успешно прошедшие
собеседование, сдавшие лабораторные работы и выполнившие все
практические задания, допускаются к экзамену.
Цель курсовой работы – изучение маршрута проектирования
сложного комбинационного устройства на ПЛИС и непосредственное его
проектирование.
ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ
КУРСОВОЙ РАБОТЫ
Исходными данными для выполнения курсовой работы являются:
- структурная схема сложного комбинационного устройства;
- таблица с описанием алгоритма работы каждого модуля, входящего
в общую схему комбинационного устройства.
ПРИМЕЧАНИЕ: в упрощенном варианте курсового проекта, вместо
сложной комбинационной схемы, может быть задана сразу ее таблица
истинности.
В рамках выполнения курсовой работы требуется выполнить следующие
задания:
1. Определить таблицу истинности заданной схемы.
2. По полученной таблице истинности составить СНДФ и СНКФ всех
логических функций, описывающих работу схемы.
3. Используя метод Квайна, минимизировать логические функции и
сформировать МНДФ и МНКФ логических функции схемы.
4. Используя метод карт Вейча или карт Карно, минимизировать
логические функции и сформировать МНДФ и МНКФ логических
функции схемы, проверив тем самым результат, полученный по
методу Квайна.
7
5. Синтезировать логическое устройство в базисе И-НЕ, ИЛИ-НЕ.
6. Разработать модуль для ПЛИС Spartan 6, реализующий функцио-
нирование соответствующих схем МНДФ (или МНКФ, в
зависимости от варианта).
7. Провести моделирование разработанных модулей в симуляторе
ISim, получить временную диаграмму, убедиться в идентичности
их работы и в соответствии найденной в п. 1 таблице истинности.
8. Сформировать конфигурационные файлы ПЛИС для схемы МНДФ
(или МНКФ, в зависимости от варианта) и получить оценки
требуемых ресурсов ПЛИС.
9. Сконфигурировать ПЛИС Spartan 6 и проверить работоспособность
схемы; входные воздействия должны подаваться с помощью
кнопок, расположенных на плате, реакция схемы на входные
воздействия должна отображаться лампочками, расположенными
на плате.
Отчет о выполнении указанных заданий должен содержать:
- исходные данные для выполнения заданий и цель курсовой работы;
- найденную таблицу истинности логических функций, реализующих
работу схемы;
- выражения для СНДФ и СНКФ логических функций схемы;
- выражения для МНДФ и МНКФ логических функций схемы;
- исходные коды или схематические изображения разработанных
модулей (в зависимости от выбранного пути реализации модулей);
- RTL схемы синтезированных устройств;
- временные диаграммы моделирования модулей с указанием
моментов времени, которые соответствуют реализации
всевозможных комбинаций входных сигналов и соответствующих
реакций разработанных модулей;
- отчеты об использовании ресурсов ПЛИС, необходимых для
реализации логического устройства;
- выводы, содержащие краткий отчет о выполненной работе с
указанием достижения поставленной цели;
- список используемой литературы.
8
Курсовую работу выполняют на листах формата А4 печатным
способом, страницы должны быть пронумерованы..
Результаты выполнения работы снабжают краткими пояснениями и в
случае необходимости делают ссылки на используемую литературу, текст
программ снабжают комментариями. Чертежи и схемы выполняют
карандашом или ручкой на тех же листах, аккуратно с применением
линейки.
Алгоритмы должны быть представлены в виде блок-схем, оформляемых в соответствии с действующими правилами. Степень подробности
блок-схем должна обеспечивать наглядность алгоритма.
В конце работы приводят список литературы, указывают дату выполнения и подписывают.
Работа, выполненная небрежно, не принимается и отдается студенту на
переоформление. Работа, выполненная не полностью или не по заданному
варианту, не принимается.
Курсовая работа принимается у студента при удовлетворении
следующих условий:
- предоставление оформленного соответствующим образом отчета,
содержащего вышеуказанные пункты;
- демонстрация студентом работоспособности конфигурационных
файлов с помощью отладочных плат в лаборатории кафедры.
ВАЖНО! Без демонстрации работоспособности разработанного
устройства курсовая работа НЕ принимается.
9
1 1 1 2
( , ,..., )
n
y f x x x
2 2 1 2
( , ,..., )
n
y f x x x
12
( , ,..., )
m m n
y f x x x
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ
КУРСОВОЙ РАБОТЫ
Сложное комбинационное устройство (далее устройство) без
памяти можно представить в виде n, m –многополюсника (рис. 1).
Рис. 1. Сложное комбинационное устройство
Условия функционирования устройства можно представить в виде
системы логических функций, называемых функциями выходов:
;
;
…
.
Задача анализа условия функционирования сводится к определению
всех функций выхода устройства по известной принципиальной
электрической схеме реального устройства. Результат анализа
представляется в виде функций алгебры логики и таблицы истинности.
Другими словами, необходимо установить функциональную зависимость
между входными переменными устройства и значениями выходных
дискретных сигналов в виде формул алгебры логики и таблицы
истинности.
Анализ дискретного автомата целесообразно проводить в следующей
последовательности.
элементов (ЛЭ) обозначить символами промежуточных переменных.
устанавливающие зависимости выхода каждого ЛЭ от его входов.
Получить зависимости выходов комбинационного устройства от его
входов.
1. Ha функциональной схеме устройства выходы всех логических
2. Определить и записать функции непосредственных связей,
3. Путем подстановок исключить все внутренние переменные.
4. Составить таблицу истинности.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]