1. Цели освоения дисциплины
| 1.1. | Цель изучения дисциплины – формирование у будущих специалистов теоретических знаний об общих принципах работы с логическими функциями и цифровыми схемами, ознакомление с основами цифровой схемотехники и типовыми методиками проектирования цифровых устройств, приобретение практических навыков анализа и синтеза цифровых и микропроцессорных узлов и схем. Дисциплине «Цифровая и микропроцессорная техника» предшествует изучение дисциплин «Математика», «Физика», «Дискретная математика», «Информатика», «Электроника», «Теория автоматов». Данный курс требует от студентов наличия базовых знаний по информатике, основам программирования, архитектуре вычислительных систем. Знания и навыки, полученные при изучении дисциплины «Цифровая и микропроцессорная техника», используются при изучении общепрофессиональных и специальных дисциплин |
|---|
2. Место дисциплины в структуре ООП
| Цикл (раздел) ООП: Б1.В.01 |
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
| ПК-2 | Способность к осуществлению исследований физических явлений радиофизическими методами; |
| ПК-5 | Способность проектировать и эксплуатировать телекоммуникационные и информационные системы с учетом условий и принципов их работы, а также методов эксплуатации современной радиоэлектронной и оптической аппаратуры и оборудования; |
| В результате освоения дисциплины обучающийся должен | |
| 3.1. | Знать: |
|---|---|
| 3.1.1. | основные разновидности и схемотехнику функциональных узлов цифровой и микропроцессорной техники; современное состояние и перспективы развития цифровой и микропроцессорной техники |
| 3.2. | Уметь: |
| 3.2.1. | осуществлять выбор элементной базы и схемных решений при разработке цифровых устройств разной степени сложности и назначения; выполнять проектирование и разработку различных функциональных узлов цифровой и микропроцессорной техники; разрабатывать алгоритмы функционирования цифровых и микропроцессорных устройств |
| 3.3. | Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть): |
| 3.3.1. | практической работы с документацией и справочной информацией по цифровым и микропроцессорным устройствам; проектирования конкретных устройств в соответствии с техническим заданием; создания и отладки программ для микропроцессора на языке низкого уровня |
4. Структура и содержание дисциплины
| Код занятия | Наименование разделов и тем | Вид занятия | Семестр | Часов | Компетенции | Литература |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Раздел 1. Введение. Алгебра логики. Логические уровни. Логика состояний. Бинарная логика. | ||||||
| 1.1. | Основные понятия булевой алгебры. Логические переменные, логические функции. Реализация булевой функции с помощью переключательных и электронных схем. Теоремы булевой алгебры. Конъюнкции и дизъюнкции, канонические формы. Карты Карно, упрощение функций. Понятие базиса, представление функций в базисах И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Смешанные схемы, элементы с тремя состояниями, схемы с открытым коллектором, расширение элементов. | Лекции | 6 | 4 | Л2.1, Л1.1 | |
| 1.2. | Применение основных теорем и аксиом булевой алгебры Отрицание функции. Р-и S- термы. Канонические представления функций в виде Р-термов. Карты Карно. Упрощение дизъюнктивных нормальных форм. Базис И-НЕ. Реализация дизъюнктивных форм с помощью И-НЕ. Расширение элементов, смешанные схемы. Функции равнозначности и неравнозначности. Канонические представления функций в виде S-термов. Отображение S-термов на картах Карно. Инверсная функция. Базис ИЛИ-НЕ. Реализация конъюнктивных и дизъюнктивных форм в базисе ИЛИ-НЕ. | Лабораторные | 6 | 6 | Л2.2, Л1.1 | |
| 1.3. | Решение задач с использованием базовых теорем булевой алгебры. Составление таблиц истинности функций. Реализация функций в различных базисах. Представление и упрощение функций с помощью карт Карно. Получение канонических форм алгебраически и с помощью карт Карно. Минимизация функций и отрицаний функций с использованием ТНБ. | Сам. работа | 6 | 6 | Л1.1 | |
| Раздел 2. Проектирование комбинационных логических схем. | ||||||
| 2.1. | Комбинационные логические схемы. Полусумматор, сумматор, расширение разрядности. Двоичное кодирование, обратный код, дополнительный код. Сложение и вычитание чисел. Умножение. Преобразование кодов. | Лекции | 6 | 2 | Л2.1, Л1.1 | |
| 2.2. | Проектирование простых дешифраторов. Проектирование преобразователей кода. | Лабораторные | 6 | 6 | Л2.2, Л2.1, Л1.1 | |
| 2.3. | Разработка и реализация в заданных базисах различных преобразователей кода (NBCD в XS3,(NBCD в дополнительный и т.п.) | Сам. работа | 6 | 10 | Л1.1 | |
| Раздел 3. Проектирование на основе микросхем средней степени интеграции. | ||||||
| 3.1. | Мультиплексор, функции и применение. Уравнение мультиплексора. Расширение входов. Мультиплексор как генератор логических функций. Дешифратор и демультиплексор. ОЗУ, ПЗУ. Способы адресации ПЗУ. ПЛМ. Логические схемы на основе ПЗУ и ПЛМ. | Лекции | 6 | 2 | Л2.1, Л1.1 | |
| 3.2. | Реализация булевых функций с использованием 4-х и 8-ми входового мультиплексора. Реализация функций пяти и шести переменных с помощью двух уровней мультиплексирования. Использование микросхем дешифраторов для реализации логических функций. Преобразователи кода на ПЗУ и ПЛМ. | Лабораторные | 6 | 10 | Л2.2, Л1.1 | |
| 3.3. | Реализация функций трех и четырех переменных на 4-х и 8-ми входовом мультиплексоре. Выбор оптимального варианта. Проектирование полного 4-х разрядного сумматора на мультиплексорах. Реализация различных преобразователей кода на ПЗУ и ПЛМ. Определение необходимой емкости и организации ПЗУ и ПЛМ. | Сам. работа | 6 | 8 | Л2.2, Л2.1, Л1.1 | |
| Раздел 4. Ситуации риска при проектировании цифровых схем. | ||||||
| 4.1. | Статический риск. Виды статического риска. Выявление ситуаций статического риска. Схемы, гарантированные от статического риска. Динамический риск. Выявление и способы устранения динамического риска. | Лекции | 6 | 2 | Л1.1 | |
| 4.2. | Определение и устранение статического риска. Построение гарантированных от риска схем в базисах И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Определение наличия динамического риска. Варианты устранения динамического риска. | Лабораторные | 6 | 6 | Л2.2, Л2.1, Л1.1 | |
| 4.3. | Анализ схем на присутствие разного рода рисков (статического, динамического). Избавление от ситуаций риска при проектировании логических схем. | Сам. работа | 6 | 6 | Л1.1 | |
| Раздел 5. Последовательные схемы. Элементы памяти (триггеры). Схемы, проектируемые при помощи триггеров. | ||||||
| 5.1. | Элементы памяти. Триггеры. Уравнение для запирания и отпирания триггера. RS- триггер. T, D, JK триггеры, таблицы истинности и уравнения. Счетчики. Двоичные счетчики. Счетчики по модулю 2,4,8…,2^n. Двоично-десятичные счетчики. Кольцевые счетчики, счетчики с автосбросом. Регистры. Регистры сдвига. Обратная связь в регистрах. Счетчики на основе сдвиговых регистров. Генераторы последовательности на сдвиговых регистрах. Генератор псевдослучайной последовательности. Метод скачка. | Лекции | 6 | 2 | Л2.1, Л1.1 | |
| 5.2. | Варианты реализации двухступенчатых триггеров. Временные диаграммы работы стандартных триггеров. Принцип динамической записи. Многоразрядные счетчики на микросхемах. Надежный сброс в асинхронных счетчиках. Свойства кольцевого счетчика и счетчика Джонсона. Генератор псевдослучайной последовательности с заданной функцией обратной связи. | Сам. работа | 6 | 4 | Л1.1 | |
| 5.3. | Составление RS-, T-, D-, JK- триггеров на логических элементах И-НЕ. Реализация счетчиков: двоичные счетчики, счетчики по модулю 2,4,8…,2^n, двоично-десятичные счетчики, кольцевые счетчики, счетчики с автосбросом. Реализация регистров сдвига на JK-триггерах. Реализация счетчиков на основе сдвиговых регистров. Реализация генератора последовательности на сдвиговых регистрах. | Лабораторные | 6 | 8 | Л2.2, Л2.1, Л1.1 | |
| Раздел 6. Проектирование синхронных последовательных схем. | ||||||
| 6.1. | Синхронные последовательные схемы. Постановка задачи. Алгоритм проектирования. Способы сокращения состояний. Кодирование состояний. Автоматы Мили и Мура. | Лекции | 6 | 2 | Л1.1 | |
| 6.2. | Обоснование выбора синхронной схемы вместо асинхронной для реализации конкретного ТЗ. Последовательность проектирования синхронной схемы. | Сам. работа | 6 | 2 | Л2.1, Л1.1 | |
| Раздел 7. Проектирование асинхронных последовательных схем. | ||||||
| 7.1. | Асинхронные последовательные схемы. Определение, постановка задачи и алгоритм проектирования. Сокращение состояний. Гонки и циклы. Противогоночное кодирование состояний. | Лекции | 6 | 2 | Л2.1, Л1.1 | |
| 7.2. | Анализ асинхронной схемы на наличие циклических переходов (циклов). Варианты устранения циклов. Обнаружение и устранение гонок в асинхронных схемах. | Сам. работа | 6 | 2 | Л2.2, Л1.1 | |
| Раздел 8. Микропроцессоры. Введение. | ||||||
| 8.1. | Принцип декомпозиции академика Глушкова. Построение упрощенного микропроцессора (МП)на примере устройства двоичного умножения с программным управлением. Обобщенная структурная схема микропроцессорной системы. Понятие архитектуры МП. Принципы фон Неймана. Фоннеймановская, гарвардская архитектуры. Основные технические характеристики МП. Классификация МП. | Лекции | 6 | 1 | Л1.1 | |
| 8.2. | Понятие микропроцессорного комплекта (МПК). Классификация МПК. Обзор популярных МПК. Однокристальные микроконтроллеры. | Сам. работа | 6 | 2 | Л2.2, Л2.1, Л1.1 | |
| Раздел 9. Однокристальный 8-ми разрядный МП на примере I8080 (КР580ВМ80). | ||||||
| 9.1. | МП I8080 (КР580ВМ80). Структурная схема. Программная модель. Регистры. АЛУ. Последовательность выполнения команды в МП КР580ВМ80 (пример). Организация памяти. Организация ввода/вывода. Стек. Система команд. Типы и форматы команд. Способы адресации. Командный цикл. Машинные такты и машинные циклы. Типы машинных циклов. Байт состояния. Особые режимы работы (прерывание, ПДП, останов). Структурная схема блока центрального процессора на микропроцессорном комплекте серии 580. | Лекции | 6 | 1 | Л2.1, Л1.1 | |
| 9.2. | Временные диаграммы обмена машинных циклов МП I8080(выборка, прерывание, ПДП, останов). Последовательность обработки запросов прерываний. | Сам. работа | 6 | 11 | Л2.2, Л2.1, Л1.1 | |
| Раздел 10. Организация вычислительных систем на базе МП Intel 80х86. | ||||||
| 10.1. | 16-разрядные МП компании Intel. МП i8086. Основные характеристики. Минимальный и максимальный режим. Структурная схема. Организация памяти. Распределение памяти. Организация ввода/вывода. Программная модель. Регистры. Прерывания МП i8086. 32-разрядные МП. Основные характеристики. Режимы работы. Сегментная и страничная организация памяти. Формирование физического адреса в защищенном режиме. Основные характеристики, архитектурные и схемотехнические особенности 64-разрядных МП компании Intel. | Лекции | 6 | 2 | Л2.1, Л1.1 | |
| 10.2. | Обзор современных МП компании Intel. Сравнительный анализ технических характеристик и функциональных возможностей МП компаний-конкурентов Intel. | Сам. работа | 6 | 10 | Л2.2, Л2.1, Л1.1 | |
5. Фонд оценочных средств
| 5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины |
| 1. Пользуясь справочником по микросхемам, поясните работу базового логического элемента ТТЛ (ТТЛШ). Объясните назначение диодов в эмиттерных цепях входного каскада. 2. Соедините выход ЛЭ ТТЛ со входом такого же элемента. Покажите на схеме базового ЛЭ ТТЛ полный путь протекания тока через точку соединения при: а) низком логическом уровне; б) при высоком логическом уровне. 3. Пользуясь таблицей статических параметров, приведите стандартные величины напряжений при высоком и низком уровне в точке соединения ЛЭ для п.2, а также величины и направления соответствующих токов. 4. Сколько входов микросхемы К555ЛА3 можно подключить к выходу аналогичной микросхемы серии К155? 5. Пользуясь схемой RS-триггера на 4х элементах И-НЕ (ИЛИ-НЕ) и таблицей состояний, поясните суть «запрещенных» комбинаций входных сигналов. 6. Объясните механизм динамической записи. 7. По принципиальной схеме внутренней структуры триггера К15ххТМ2 объясните организацию приоритетов входов установки и сброса. 8. Используя справочные данные микросхемы К15ххИЕ10 (К15ххИЕ18) спроектировать счетчик обратного счета 9. Почему в схеме сдвигового регистра используется MS-триггер? 10. Нарисуйте схему регистра хранения, используя одноступенчатые D-триггеры. Изобразите таблицу переходов и временную диаграмму. 11. Пользуясь справочником по микросхемам, спроектировать мультиплексор с числом входов более 100. Представить принципиальную схему. 12. С помощью функциональных схем объяснить отличие дешифратора от демультиплексора. 13. Почему дешифратор называют генератором классических P-термов? 14. В каких случаях при проектировании логических функций рациональней использовать дешифратор, чем логические элементы? 15. Что такое емкость ПЗУ? Как рассчитать емкость ПЗУ, необходимую для реализации задачи? 16. Назовите отличия в структуре ПЗУ и ПЛМ? 17. Укажите различия в способах адресации, используемых в МП 589. 18. Какой получается результат при выполнении команды XRA A,7? Найдите способ получить аналогичных результат, используя другую команду. 19. Что такое машинных такт, машинный и командный цикл? Перечислите типы машинных циклов МП 580. 20. Что такое информация (байт) состояния? 21. Назначение и функции программы «Монитор» в УМК. 22. На примере произвольно выбранной команды поясните процесс ее выполнения в МП 580. 23. Перечислите режимы обмена МП с ВУ. Поясните особенности каждого режима. 24. Может ли программа для воспроизведения мелодии обеспечить воспроизведение двухголосной мелодии? 25. Каким образом можно решить проблему изменения темпа готовой мелодии и ее тональности? 26. Что такое внешние устройства? Каким образом можно организовать обмен данными между ВУ и микропроцессорным устройством? 27. Что такое прерывание? Приведите примеры прерываний. 28. Предложите наиболее оптимальный способ организации обмена между процессорным устройством и а) меленным ВУ, б) быстрым ВУ. 29. Что можно отнести к аппаратной поддержке ПИУ, а что к программной? 30. Приведите блок-схему алгоритма программы движения строки. |
| 5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.) |
| 5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации |
| см. в приложении |
| Приложения |
|
Приложение 1.
ФОС Цифровая и микропроцессорная техника.doc
|
6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
| 6.1. Рекомендуемая литература | ||||
| 6.1.1. Основная литература | ||||
| Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
| Л1.1 | Новиков Ю. В. | Введение в цифровую схемотехнику: учебное пособие | Москва: Интернет-Университет Информационных Технологий, 2007 | biblioclub.ru |
| 6.1.2. Дополнительная литература | ||||
| Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
| Л2.1 | Белоус А. И. , Емельянов В. А. , Турцевич А. С. | Основы схемотехники микроэлектронных устройств: | Москва : РИЦ "Техносфера", 2012 | biblioclub.ru |
| Л2.2 | Матющенко Ю. Я. | Цифровая и микропроцессорная техника: Практикум | Барнаул : АлтГУ, 2017 | elibrary.asu.ru |
| 6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" | ||||
| Название | Эл. адрес | |||
| Э1 | e.lanbook.com/books/ | |||
| Э2 | www.gpntb.ru/ Государственная публичная научно-техническая библиотека. | |||
| Э3 | www.nlr.ru/ Российская национальная библиотека. | |||
| Э4 | www.nns.ru/ Национальная электронная библиотека. | |||
| Э5 | www.rsl.ru/ Российская государственная библиотека. | |||
| Э6 | www.microinform.ru/ Учебный центр компьютерных технологий «Микроинформ». | |||
| Э7 | www.tests.specialist.ru/ Центр компьютерного обучения МГТУ им. Н.Э.Баумана. | |||
| Э8 | www.intuit.ru/ Образовательный сайт | |||
| Э9 | www.window.edu.ru/ Библиотека учебной и методической литературы | |||
| Э10 | www.osp.ru/ Журнал «Открытые системы» | |||
| Э11 | www.ihtika.lib.ru/ Библиотека учебной и методической литературы | |||
| Э12 | Курс на Едином образовательном портале | portal.edu.asu.ru | ||
| 6.3. Перечень программного обеспечения | ||||
| 6.4. Перечень информационных справочных систем | ||||
7. Материально-техническое обеспечение дисциплины
| Аудитория | Назначение | Оборудование |
|---|---|---|
| 304К | лаборатория телекоммуникаций и цифрового телевидения центр систем автоматизации и управления - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации | Учебная мебель на 10 посадочных мест; рабочее место преподавателя; стеллажи под лабораторное оборудование; проектор: марка INFOCUS модель IN24 - 1 единица; программно-аппаратный комплекс измерения технологических параметров на базе плат, система сбора данных AFS, средства отладки и программирования DL-NEXYS, станции паяльные ERSA (2шт.), телефон системный Panasonic KX-DT321RU-B (2шт.), IP-платформа Panasonic KX-NCP1000RU, Анализатор спектра R&S FSH8, модальная система анализа и генерации сигналов, персональные портативные устройства сбора данных NI myDAQ; методические указания по выполнению лабораторных работ по курсам "Техника приема и обработки сигналов", "Проектирование устройств на ПЛИС", "Цифровая и микропроцессорная техника". |
| Помещение для самостоятельной работы | помещение для самостоятельной работы обучающихся | Компьютеры, ноутбуки с подключением к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», доступом в электронную информационно-образовательную среду АлтГУ |
| Учебная аудитория | для проведения занятий лекционного типа, занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических), групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации, курсового проектирования (выполнения курсовых работ), проведения практик | Стандартное оборудование (учебная мебель для обучающихся, рабочее место преподавателя, доска) |
8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины
| см. ФОС в приложении |