МИНОБРНАУКИ РОССИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Алтайский государственный университет»

Цифровая и микропроцессорная техника

рабочая программа дисциплины
Закреплена за кафедройКафедра радиофизики и теоретической физики
Направление подготовки03.03.03. Радиофизика
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость5 ЗЕТ
Учебный план03_03_03_РФ-3-2019
Часов по учебному плану 180
в том числе:
аудиторные занятия 90
самостоятельная работа 90
Виды контроля по семестрам
диф. зачеты: 6

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 3 (6) Итого
Недель 19
Вид занятий УПРПДУПРПД
Лекции 18 18 18 18
Лабораторные 72 72 72 72
Сам. работа 90 90 90 90
Итого 180 180 180 180

Программу составил(и):
к.ф.-м.н., доцент кафедры радиофизики и теоретической физики, Баранчугов Ю.А.

Рецензент(ы):
к.ф.-м.н., доцент, Рудер Д.Д.

Рабочая программа дисциплины
Цифровая и микропроцессорная техника

разработана в соответствии с ФГОС:
Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 03.03.03 РАДИОФИЗИКА (уровень бакалавриата) (приказ Минобрнауки России от 12.03.2015г. №225)

составлена на основании учебного плана:
03.03.03 Радиофизика
утвержденного учёным советом вуза от 25.06.2019 протокол № 9.

Рабочая программа одобрена на заседании кафедры
Кафедра радиофизики и теоретической физики

Протокол от 06.06.2019 г. № 9/2018-19
Срок действия программы: 2019-2020 уч. г.

Заведующий кафедрой
д.ф.-м.н., профессор А. А. Лагутин


Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году

Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2019-2020 учебном году на заседании кафедры

Кафедра радиофизики и теоретической физики

Протокол от 06.06.2019 г. № 9/2018-19
Заведующий кафедрой д.ф.-м.н., профессор А. А. Лагутин


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.Б

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ОПК-1 способностью к овладению базовыми знаниями в области математики и естественных наук, их использованию в профессиональной деятельности
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 2 ОПК-1 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 18 ОПК-1 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 ОПК-1 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 ОПК-1 Л2.1, Л1.1
2.2. Проектирование простых дешифраторов. Проектирование преобразователей кода. Лабораторные 6 18 ОПК-1 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 8 ОПК-1 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 ОПК-1 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 18 ОПК-1 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 ОПК-1 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 ОПК-1 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 8 ОПК-1 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 8 ОПК-1 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 ОПК-1 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 16 ОПК-1 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 10 ОПК-1 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 ОПК-1 Л1.1
6.2. Обоснование выбора синхронной схемы вместо асинхронной для реализации конкретного ТЗ. Последовательность проектирования синхронной схемы. Сам. работа 6 8 ОПК-1 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 ОПК-1 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 8 ОПК-1 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 ОПК-1 Л1.1
8.2. Понятие микропроцессорного комплекта (МПК). Классификация МПК. Обзор популярных МПК. Однокристальные микроконтроллеры. Сам. работа 6 8 ОПК-1 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 ОПК-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 10 ОПК-1 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 ОПК-1 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 ОПК-1 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

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
6.3. Перечень программного обеспечения
6.4. Перечень информационных справочных систем

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Аудитория Назначение Оборудование
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)
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
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".

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

см. ФОС в приложении