Министерство образования и науки

Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Волгодонский инженерно-технический институт – филиал НИЯУ МИФИ

КУРС ЛЕКЦИЙ

по дисциплине «Архитектура ЭВМ и систем»

для студентов специальности «Информационные системы и технологии» очного, очно-заочного и заочного обучения

Волгодонск 2010

УДК _________________

Рецензент д.т.н., профессор А. В. Чернов

Составитель д.т.н., профессор В.В. Кривин

Архитектура ЭВМ и систем: Курс лекций. /ВИТИ НИЯУ МИФИ, 2010. 133 с.

Методические указания содержат курс лекций по дисциплине «Архитектура ЭВМ и систем».

Предназначены для студентов очной, очно-заочной и заочной формы обучения специальности 230201 – Информационные системы и технологии

ãВИТИ НИЯУ МИФИ, 2010

• В.В. Кривин 2010

Содержание

1. Системы счисления.

2. Сигналы.

3. Логические состояния.

4. Логические элементы и таблица истинности.

5. Комбинированные логические элементы.

6. Построение схем по логическому выражению.

7. Построение схем на основе логических выражения в ДНФ.

8. Минимизация логических выражений с помощью карт Карно.

9. Комбинационные функциональные схемы.

10. Двоичная арифметика.

11. RS-триггер.

12. Регистры на основе RS-триггера.

13. D-триггер.

14. Счетный триггер.

15. Счетчик на сложение.

16. Счетчик на вычитание.

17. Реверсивный счетчик.

18. Счетчик заданной длины.

19. Архитектура ЭВМ.

20. Работа ЭВМ.

21. Группировки бит.

22. Тристабильные элементы.

23. Структура оперативной памяти.

24. Архитектура простой ЭВМ.

25. Структура простейшей памяти.

26. Состав команд МП.

27. Структура типового микропроцессора.

28. Функционирование ЭВМ.

29. Микропроцессор. Поставляемая разработчиком документация.

30. Использование регистра адреса/данных.

31. Этапы обработки прерываний в МП.

32. Указатель стека.

33. Состав команд арифметических действий.

34. Состав команд логических операций.

35. Состав команд передачи данных.

36. Состав команд операций ветвления.

37. Состав команд вызова подпрограмм и возврата в программу.

38. Программирование МП. Запись программы.

39. Ветвление программ.

40. Циклы.

41. Использование подпрограмм.

42. Интерфейс микропроцессора.

Информационный процесс, Сигналы

Обязательными (необходимыми) элементами любого информационного процесса являются источник информации (передатчик), приемник информации, а также некая физическая среда являющаяся носителем информации между приемником и передатчиком (рис.1).

Рис.1. Информационный процесс

Обмен информацией в системах происходит при помощи сигналов. Носителями сигналов являются физические величины. Например: ток, напряжение, электромагнитные колебания, световые или акустические волны и т. п. Эти физические величины представляют собой функции времени. Определяющие параметры, передаваемых временных функций, такие как частота, амплитуда, фаза, длительность и другие называются информационными параметрами (I) в том случае, когда посредством этих параметров передается информация. Если физическая величина является носителем двух и более информационных параметров, то такой сигнал называют многомерным. Различают следующие виды сигналов:

• Аналоговые – это сигналы, информационные параметры которых внутри заданного диапазона могут принимать любые значения.

• Дискретные – это сигналы, информационные параметры которых внутри заданного диапазона могут принимать лишь определенные дискретные значения.

• Непрерывные - это сигналы, информационные параметры которых могут изменяться в любой момент времени.

• Прерывистые - это сигналы, информационные параметры которых могут принимать другие значения лишь в дискретные моменты времени.

Рассмотрим несколько примеров различных типов сигналов.

На рис.2 показан сигнал X(t), который существует в заданном интервале времени поэтому он является непрерывным и т.к. параметр «I» в диапазоне своего изменения (отX_maxдоX_min) принимает любые значения, то он определяется как аналоговый сигнал. Примерами такого типа сигналов может быть электрические сигналы на выходе микрофона, сигналы поступающие от усилителя низкой частоты на акустические головки, сигналы различных термопар при измерении температуры и т.п.

Рис. 2. Аналоговый сигнал (непрерывный). Информационный параметр (I) – амплитуда.

На рис. 3 показан сигнал информационный параметр (I), которого – частота. Информация у таких сигналов передается при помощи изменения частоты несущего сигнала. При этом частота сигнала в заданном диапазоне может принимать любые значения, поэтому такой сигнал определяется как аналоговый.

Рис.3. Частотно-аналоговый сигнал (непрерывный). Информационный параметр (I) – частота.

Примерами такого типа сигналов являются различные радиосигналы, используемые при передаче радио и телевизионных программ. Такие сигналы также называют частотно модулированными.

На рис.4 представлен так называемый сигнал опроса. Такие сигналы возникают, например, при периодическом измерении каких либо непрерывных аналоговых величин A(t).

Рис. 4. Сигнал опроса (аналоговый, прерывистый). Информационный параметр (I) – амплитуда.

Информационный параметр (I) - амплитуда может принимать любые значения в диапазоне отX_maxдоX_min. Из рисунка видно, что сигналA(t)и сигнал опроса отличаются друг от друга. Сигнал опроса отображает исходный сигналA(t)с некоторой ошибкой (погрешностью). Очевидно, что чем меньше длительностьи периодТсигнала опроса, тем меньше будет погрешность.

Дискретный прерывистый сигнал опроса, показанный на рис.5 отличается от предыдущего тем, что информационный параметр (I) – амплитуда может принимать значения только кратные величинеx. Сигнал такого типа образуется при квантовании исходного аналогового сигнала в аналого-цифровых преобразователях (АЦП). АЦП широко применяются в тех случаях, когда возникает необходимость в сопряжении различных цифровых систем (в том числе и ЭВМ) с устройствами, у которых информационный процесс осуществляется аналоговыми сигналами. Например, в сотовом телефоне аналоговый сигнал микрофона преобразуется цифровой с помощью АЦП входящего в его состав. Подробнее устройство и принцип работы АЦП будет рассмотрен ниже.

Рис.5. Дискретный (прерывистый) сигнал опроса, информационный параметр (I) – амплитуда

Погрешность, которая возникает при переходе от исходного аналогового сигнала A(t)к дискретному сигналу опроса будет зависеть не только от длительностии периодаТ, но и от шага квантованияx.

Импульсный аналоговый сигнал (рис.6), определяется как аналоговый потому что информационный параметр (I) – фаза (положение импульса в пределах такта) может принимать любое значение. Такой сигнал широко применяется в различных системах передачи данных и образуется, как правило, в результате так называемой фазовой модуляции сигналов. Отличается повышенной помехозащищенностью

Рис.6. Импульсный сигнал (аналоговый, прерывистый), информационный параметр (I) – фаза (положение импульса в пределах такта).

Сигналы такого типа применяются для передачи информации в модемах. Модем (модулятор-демодулятор) используется в качестве устройства сопряжения и передачи данных при подключении компьютеров по коммутируемым (например, телефонным) линиям к различным вычислительным сетям, например к глобальной сети Internet.

В цифровых системах информационный процесс на физическом уровне обеспечивается с помощью двоичных сигналов. Это связано с тем, что в основе всех цифровых схем лежит так называемый ключ (переключатель), который осуществляет коммутацию двух уровней напряжения. «Высокого», например +5 В и «низкого» - 0 В. Работу такого ключа можно проиллюстрировать на примере работы обычного электромеханического переключателя (ключа) (рис.7).

Рис. 7. Схема электромеханического переключателя.

В нормально замкнутом (НЗ)¹положении подвижного контакта переключателя от источника сигнала через контакты ключа на вход приемника сигнала поступает «высокий» уровень напряжения (+5 В). При переключении на вход приемника будет поступать «низкий» уровень напряжения (0 В). Важно понять, что при таком способе формирования сигнала на выходе ключа имеет место только два значения напряжения. В цифровой электронике применяются специальные электронные ключи, построенные на основе полупроводниковых элементов. Это связано с тем, что механические ключи имеют ряд существенных недостатков:

1. Большое время переключения (0,01÷0,2 с) по сравнению электронными ключами (5÷10 нс);

2. Дребезг при упругом соприкосновении подвижного контакта ключа с неподвижным;

3. Малый ресурс работы (гарантированное производителем количество переключений);

4. Высокая стоимость;

5. Большие габариты и масса и т.п.

Рис.8. Двоичный (двухпозиционный) сигнал (дискретный, непрерывный). Информационный параметр (I)– два значения нуль или единица.

Время, за которое сигнал изменяется от низкого уровня (0) до высокого уровня (1) называется временным нарастания переднего фронта (t_п.ф.). И обратно, время перепада из высокого уровня на низкий называется временем спада заднего фронта (t_з.ф.).

Импульсно – счетный сигнал (дискретный, прерывистый). Информационный параметр - число двоичных импульсов в пределах такта.