Лабораторные работы

Каждая лабораторная работа связана с исследованием отдельной платы П1-П6. Следовательно, студенту необходимо выполнить 6 лабораторных работ. С учетом сокращения времени, выделенного на лабораторные работы, предлагается следующий режим работы:

1 занятие - знакомство с первой лабораторной работой: составление черновика протокола измерений, подготовка таблиц, схем карт.

2 занятие: выполнение 1 лабораторной работы, заполнение таблиц в протоколе измерений, показ протокола преподавателю и получение от него задачи для отчета по 1 л.р. Подготовка протокола ко 2 л.р.

3 занятие – отчет по 1 л.р, выполнение 2л.р, подготовка к 3 л.р. и т.д.

Лабораторная работа № 1. Исследование основных логических эле­ментов и простейших комбинационных устройств.

Лабораторная работа проводится совместно с семинаром по этой теме (продолжительность занятий 2-3 часа).

Работа проводится на плате П1 с технологическими картами 1.1 - 1.9. На этих картах изображены принципиальные схемы исследу­емого устройства в виде соединений логических элементов, выполняющих какие-то логические функции λ. Задача студента:

манипулируя переключателями, составить таблицу истинности исследу­емого устройства, определить логическую функцию и записать её че­рез операции И, ИЛИ и НЕ, определить тип каждого логического элемен­та, входящего в устройство.

В ходе лабораторной работы исследуются:

- элемент И-НЕ для положительной логики или ИЛИ-НЕ для отрица­тельной логики (карта 1-1);

- элемент ИЛИ-НЕ для положительной логики или элемент И-НЕ для отрицательной логики (карта 1-3);

- элемент И (карта 1-2); '

- элемент ИЛИ (карта 1-4);

- элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (карта 1-5);

- элемент НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ (карта 1-6);

- трехразрядное устройство проверки на ЧЕТНОСТЬ (карта 1-7);

- устройство СРАВНЕНИЯ двух двухразрядных чисел (карта 1-8);

- двоичный одноразрядный сумматор (карта 1-9)'.

Объём заданий к работе может быть следующим:

При домашней подготовке:

1. Изучить основы алгебры логики. Выписать основные логические функций двух переменных и основные законы алгебры логики.

2. Ознакомиться с элементной базой ТТЛ. Зарисовать принципиаль­ную схему базового элемента ТТЛ. Уметь объяснить его работу.

3. Зарисовать условно-графические обозначения изучаемых логи­ческих элементов.

4. Продумать и зарисовать в тетради схемотехническую реализацию всех логических функций (И, НЕ, ИЛИ, исключающее ИЛИ, ИЛИ-НЕ) на элементах типа И-НЕ.

5. Зарисовать в тетради схемы комбинационных устройств, реали­зующих функцию четности, функцию сравнения двух пар чисел, а такие одноразрядный сумматор.

6. Подготовить заготовку протокола измерений лабораторной работе №1.

При выполнении работы:

1. Последовательно используя технологические карты, исследовать работу изучаемых логических устройств. Комбинации входных сигналов набирать с помощью тумблеров SА1 - SА4.

2. По результатам исследований составить таблицы истинности для каждого устройства.

3. Определить реализуемые функции.

При зачете:

1. Уметь определять реализуемую логическую функцию на основе таблицы истинности.

2. Уметь правильно проставлять в поле отображения логического элемента определенный символ, соответствующий реализуемой логической функции.

3. Уметь синтезировать на основе базовой логики полный одноразрядный сумматор, 4-разрядный сумматор, схемы сравнения 2-ух много разрядных двоичных чисел, схемы передачи информации в двунаправленных линиях с минимальным их количеством.

4. Уметь решать задачи синтеза логических автоматов, реализующих практические функции, например: стиральная машина, робот по переносу деталей, кофеварка и т.д. (синтезируется электрическая схема управления).

Пример построения автомата:

Пусть необходимо построить автомат «источник света бегущий вслед за человеком в длинном коридоре».

Будем считать, что имеются датчики света и датчики присутствия человека. Логика работы датчиков, ориентирована на решение общей задачи прохождения человека по коридору. Учитываем два состояния для датчика света: светло – 0, темно – 1. для датчика наличия человека: 0 – нет человека, 1 – есть человек. Исполнительное устройство – электрическая лампа, логика работы: не горит – 0, горит – 1. будем полагать, что датчик света и электрическая лампа разнесены и не влияют друг на друга.

Составим таблицу истинности для синтезируемого автомата: датчик света- Х1, датчик наличия человека – Х2,электрическая лама У.

Х1	Х2	У
0 1 0 1	0 0 1 1	0 0 0 1	светло, нет человека – не горит темно, нет человека – не горит светло, есть человек – не горит темно, есть человек – не горит

Представленная таблица истинности соответствует логическому элементу И.

Следовательно, синтезируемый автомат будет реализован логическим элементом И.

Лабораторная работа № 2. Исследование триггеров RS , D и, Т типов, простейших регистров.

Продолжительность лабораторной работы и семинара по этой теме 2 часа. Работа проводится на плате П2 с технологическими картами 2-1 - 2-7. На этих картах изображены принципиальные схемы триггеров RS типа на элементах ИЛИ-НЕ(П-1), И-НЕ(П-2) и в интегральном испол­нения на ИМС типа К155ТМ2. На карте 2-4 - схема D-триггера на ИМС типа К155ТМ2.

Объем заданий к этой работе может быть следующим:

При домашней подготовке:

1. Зарисовать в тетради схемы RS -триггеров, выполненных на ло­гических элементах И-НЕ и ИЛИ-НЕ. Построить передаточную функцию RS триггера.

2. Добавляя необходимые логические элементы к RS -триггеру, по­лучить и зарисовать схемы синхронного RS -триггера, D- триггера, Т -триггера.

3. Нарисовать временные диаграммы, иллюстрирующие работу пере­численных типов триггеров.

Рассмотрим пример построения временной диаграммы для следующей схемы

На данной схеме изображены:

FΩ- триггер Шмита, формирующий стандартный цифровой импульс

(устранение «дребезга» SB1)

T-D триггер

К выходам отнесем сигнал D (информационный) тумблер SA1 сигнал, формируемый кнопкой SB1, и сигнал С, формируемый триггером Шмитта.

К выходным сигналам отнесем сигнал Q и сигнал . Построим временную диаграмму, объясняющую работу рассматриваемой схемы. Пусть на входе D установлена «1»

SA1(D)

SB1

C

Q

1. Нажатие кнопки SB1

2. Начало срабатывания триггера Шмита по заднему фронту SB1

3. По переднему фронту сформированного FΩ импульса происходит запись «1» в триггер Т.

4. Подготовить заготовку протокола измерений к лабораторной работе №2.

При выполнении работы:

1. Для каждого устройства составить таблицу изменений состояний в зависимости от входных сигналов (таблицы должны содержать все воз­можные комбинации входных сигналов). Проанализировать режимы работы триггеров (режим хранения, записи, запрещенный режим).

2. Для тактируемого D - триггера по подученной таблице составить временную диаграмму напряжений на выходе Q по известным сигналам на входах D и С.

3. Провести эксперимент, подтверждающий, что запись информации в D -триггер (карта 2-4) происходит по фронту синхроимпульса.

При зачете:

1. Объяснить назначение R, S , D, С, Т - входов триггеров.

2. Уметь объяснить отличия синхронных и асинхронных триггеров; статических и динамических. Уметь объяснить характер "запрещенного" состояния в RS -триггере и методы его устранения в остальных типах триггеров.

3. Объяснить работу параллельного и последовательного регистров, кольцевого счетчика.

4. Уметь строить временные диаграммы.

Лабораторная работа №З. Исследование параллельного, последо­вательного и универсального регистров, а так же 4-х разрядного сумматора.

Продолжительность лабораторной работы и семинара по этой теме 2 часа. Работа выполняется на плате ПЗ с технологическими картами 3-1, 3-2, 3-3.

Объем заданий по этой работе может быть следующим:

При домашней подготовке:

1. Зарисовать в тетради внутренние логические структуры 4-х разрядных параллельного и последовательного регистров. Проанализи­ровать их работу, проиллюстрировать либо таблицами состояний, либо временными диаграммами.

2. Зарисовать в тетради цоколевку универсального сдвигового регистра К155ИР1. Выяснить и записать назначение всех входов и выходов данной микросхемы.

3. Продумать и зарисовать рабочие схемы для исследования 4-х разрядных параллельного и последовательного регистров на микросхеме К155ИР1, преобразователей последовательного кода в параллельный и наоборот на микросхеме К155ИР1.

4. Провести анализ работы 4-х разрядного сумматора.

5. Подготовить заготовку протокола измерений к лабораторной работе №3.

При выполнении работы:

1. Исследовать работу четырехразрядного параллельного и четырех­разрядного последовательного регистра на микросхем К155ИР1 (карты 3-1 и 3-2). Научиться записывать в регистры любые наперед заданные двоичные, двоично-десятичные и шестнадцатеричные числа.

2. Исследовать работу универсального сдвигового регистра в режиме преобразования формы представления чисел из последовательной в па­раллельную и наоборот по карте 3-3. Часть схемы, относящуюся к сумма­тору (D2) и дешифратору (D3), не анализировать.

3. Исследовать работу 4-х разрядного сумматора.

В процессе исследования провести суммирование 4-5 пар четырехразрядных двоичных чисел (операндов). Суммирование проводить с учетом сигнала переноса (SB3). Результаты суммирования проверить при переводе значений операндов в десятичный код. То же самое проделать и для вычитания, используя перевод вычитаемого в дополнительный код. Результаты исследования представить соответствующими таблицами.

При зачете:

1. Объяснить назначение регистров в цифровых устройствах.

2. Показать сходства и отличия во внутренней структуре, в логи­ке работ параллельных и последовательных регистров.

3. Знать с какой целью и каким образом производят преобразования чисел из последовательной в параллельную и наоборот.

4. Уметь на основе карты 3-3 показать, как проводится сложение и вычитание двух четырехразрядных чисел, представляемых в двоичном коде.

Лабораторная работа №4. Исследование основных комбинационных устройств (дешифратор, демультиплексор, мультиплексор и преобразова­телей кодов на ПЗУ).

Продолжительность лабораторной работы и семинара 2-3 часа.

Работа выполняется на плате П4 с технологическими картами 4-1, 4-2 и 4-3.

Объём заданий к работе может быть следующим:

При домашней подготовке:

1. По справочнику для серии К155 выписать в тетрадь наименова­ния ИС типов ИД, КП, а также их функциональное назначение и услов­но-графические обозначения.

2. С использованием таблиц истинности описать работу устройств дешифратора и демультиплексора (на ИС К155ИД4), коммутатора (на ИС К155КП5) и преобразователя кодов (на ИС К155РЕ3).

3. Подготовить заготовку протокола измерений для выполнения работы.

При выполнении работы

1. Провести исследование схем, представленных на картах 4-1 – 4-3.

2. Заполнить таблицы истинности, построить временные диаграммы.

3. По окончании работы студент предъявляет результаты работы преподавателю и получает от него задание на синтез принципиальной электрической схемы конкретного устройства.

Это задание для наиболее подготовленных учащихся.

При зачете:

1. Показать сходства и отличия во внутренней структуре и в логике работы дешифратора, демультиплексора, коммутатора.

2. Объяснить принцип работы преобразователя кодов.

3. Представить решение задачи, данной ему предварительно преподавателем. Под конкретным устройством понимаются устройства, разработка которых проходила в рамках выполнения лабораторной работы №1, но теперь студент имеет право использовать весь набор, изучаемых логических элементов, узлов, блоков, устройств, МС, в лабораторных работах №1 - №4.

Лабораторная работа №5. Исследование счетчиков электрических импульсов.

Продолжительность лабораторной работы и семинара, в зависимости от объёма выполняемых заданий, 2-3 часа. Работа выполняется на плате П5 с использованием технологических карт 5-1, 5-2, 5-3.

Объём заданий к работе может быть следующим:

При домашней подготовке:

1. Изучить принцип действия суммирующих и реверсивных счетчиков с представлением информации в двоичном и позиционном кодах.

2. Зарисовать в тетради функциональные обозначения и цоколевку счетчиков типа К155ИЕ5 и К155ИЕ7.

3. Зарисовать в тетрадь таблицу управляющих сигналов для микро­схемы К155ИЕ7.

Начертить временные диаграммы на входах и выходах счетчика, ко­торые вы ожидаете получить при работе его с коэффициентом пересчета, заданным преподавателем.

Начертить временные диаграммы на входах и выходах вычитающего счетчика.

При выполнении работы:

1. Исследовать схему суммирующего сметчика на четырех тригге­рах (плата П5, карта 5-1),

Произвести сброс счетчика. Подавая одиночные импульсы и исполь­зуя светодиодную индикацию, заполнить таблицу состояний счетчика в режиме прямого счета.

2. Изменить схему (карта 5-2) с целью реализации режима обрат­ного счета. Заполнить таблицу состояний для указанного режима рабо­ты счетчика.

3. Собрать схему счетчика с коэффициентом пересчета, заданным преподавателем (карта 5-1).

4. Исследовать счетчик К155ИЕ7 в режиме прямого счета и запол­нить таблицу состояний (карта 5-3).

Повторить испытания К155ИЕ7 в режиме обратного счета.

5. Провести исследование счетчика К155ИЕ7 в режиме с предвари­тельной записью информации, заданной преподавателем. В качестве ис­точника предварительно записываемой информации использовать SА1-SА4. Счетные импульсы на вход счетчика К155ИЕ7 подавать от SВ1.

6. Исследовать работу счетчика К155ИЕ7 в режиме с предварительной записью информации при переполнении или обнулении счетчика в режимах прямого или обратного счета соответственно (по указанию преподавателя).

Результаты занести в таблицу.

При зачете:

1. Объяснить экспериментальные данные.

2. Уметь нарисовать цолколевку исследованных МС в лабораторных работах №1-№5.

Лабораторная работа №6. Исследование модели четырехразрядной микроЭВМ с ручным устройством управления.

Продолжительность лабораторной работы и семинара в зависимости от объёма заданий 2-3 часа. Робота выполняется на плате П6 с использованием одной технологической карты 6-2. исследуется также карта 6-1 (АЛУ) и карта 6-3 (ОЗУ)

В состав исследуемой микроЭВМ входят:

- устройство ввода данных и сигналов управления ( SА1-SА5, SВ1- SВ3);

- процессор на элементах D1, D5 – D10 со структурой, типичной для малоразрядных микропроцессоров;

оперативное запоминающее устройство (D4);

- шина процессора с мультиплексным управлением (D2);

- устройство вывода данных (светодиодный дисплей).

Стандартное АЛУ типа К155ИПЗ, может выполнять 64 логических или арифметическо-логических операций, в зависимости от сигналов, подаваемых на управляющие входы S, М. и вход переноса Ро.

Список этих операций и соответствующие им коды приведены в таблице 5.

Таблица 5

№ п/п	Код операции							Операция (сигнал на выходе)	Тип операции
	Р06	М 5	S4 4	S3 3	S2 2	S1 1	Код “16”
0	1	1	0	0	1	1	3	0000	Присвоение или логические операции над одним операндом
1	1	1	1	1	0	0	C	1111
2	1	1	1	1	1	1	F	A
3	1	1	0	0	0	0	0	A
4	1	1	1	0	1	0	A	B
5	1	1	0	1	0	1	5
6	1	1	1	1	1	0	E	AvB	Логические операции над двумя операндами
7	1	1	0	0	0	1	I	AvB
8	1	1	1	0	1	1	B	A^B
9	1	1	0	1	0	0	4	A^B
A	1	1	0	1	1	0	6	A B
B	1	1	1	0	0	1	9	A B
C	1	0	1	0	0	1	9	A+B	Арифметические операции
D	0	0	0	1	1	0	6	A-B
E	1	0	1	1	0	0	C	A+A
F	1	0	1	1	1	1	f	A-I

При работе со стендом пользуются шестнад­цатиричным кодом операции, который набирается кнопкой SВ1 с контро­лем по индикатору НG1,

При работе со стендом необходимо выполнять следующую последова­тельность операций:

1. Ввести код операции, нажимая на кнопку SB1 необходимое число раз. Контроль за введенным числом осуществлять по дисплею HG1.

2. Набрать переключателями SАЗ, SА2, SА1 адрес 010, соответствующий регистру кода операций.

3. Нажав на кнопку SВ3, переписать введенный код операции в ре­гистр D7. Контроль при записи в этот регистр осуществляется по свечению светодиода HL4.

4. Ввести операнд К (от 0 до F) с помощью кнопки SВ1. Контроль

по НG1.

5. Набрать адрес регистра операнда К (SАЗ, SА2, SА1 = 000) и, нажав на кнопку SВ3, переписать введенное значение операнда К в ре­гистр D5. Контроль по свечению НL2.

6. Ввести операнд В (от 0 до F) с помощью кнопки SВ1. Контроль по НL1.

7. Набрать адрес регистра операнда В ( SA3, SА2, SА1 = 001) и с помощью кнопки SВ3 переписать введенное значение операнда В в ре­гистр D6. Контроль по НL3.

8. Нажав на кнопку SВ3, переписать результат выполнения заданной операции (S, М, Ро) над введенными операндами (К и В) с выхода АЛУ в регистр-аккумулятор D10. Контроль за операцией перезаписи по свечению HL7. Результат операции считывается в виде шестнадцатеричного кода с дисплея НG1 и сигнала переноса в стерший разряд (только при выпол­нении арифметических операций) с индикатора HL9.

9. Если полученный результат является промежуточным и его необ­ходимо использовать в дальнейшем в качестве одного из операндов, то с выхода регистра-аккумулятора его переписывают или в регистр D5 или в регистр D6, повторяя соответственно операцию 5 или 7.

При выполнении задания каждый студент обязан разработать алгоритм и составить программу в машинных кодах (опера­ции с SА1 - SА5 и SВ1 – SВ3) для выполнения несложных действий над четырехразрядными числами с обязательным использованием промежуточных результатов, заносимых в ОЗУ. Диапазон исходных чисел, число и характер выполняемых операций должны предварительно ограничиваться сверху, чтобы не вызвать переполнения разрядной сетки. Любой промежу­точный результат не должен быть больше F₍₁₆₎, а окончательный IF₍₁₆₎, (при арифметических операциях).

Ориентировочный объем знаний может быть следующим.

При домашней подготовке:

1. Перерисовать схему микроЭВМ в тетрадь и разобраться в ее работе.

2. Разобраться в работе ОЗУ.

3. Разобраться в работе АЛУ.

4. Составить программу в машинных кодах в соответствии с заданием преподавателя.

При выполнении работы:

1. Провести обнуление (очистку) счетчика, всех без исключения регистров, ОЗУ.

2. В соответствии с программой пошагово ввести коды чисел, команды и отладить программу.

3. Убедиться, что работа программы в режиме ручного управления дает верный результат.

При зачете:

Предъявить преподавателю протокол измерений с программой и результатами работы.