Введение в специальность
| Вид материала | Программа |
- Е. В. Арляпова введение в специальность «реклама», 1668.44kb.
- А. К. Мазуров введение в специальность, 3019.75kb.
- Рабочая учебная программа дисциплины «введение в специальность» для специальности, 107.59kb.
- Анализ и планирование трудовых показателей Аудит и контроллинг персонала Введение, 12.45kb.
- Рабочая программа дисциплины Введение в специальность специальность 032001 Документоведение, 55.23kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Введение в литературоведение Специальность, 711.32kb.
- Учебно методический комплекс по дисциплине «Введение в специальность» Специальность, 2682.27kb.
- Курс Комплексный экзамен по циклам опд, сд и дисциплинам специализации: «Введение, 469.08kb.
- В г. Орске Специальность: 021100 «Юриспруденция» Дисциплина: Уголовное право Курсовая, 432.15kb.
- Введение в специальность, 1423.7kb.
Утверждена
УМО вузов Республики Беларусь по образованию в области информатики и радиоэлектроники
« 03 » июня 2003 г.
Регистрационный № ТД-39-059/тип.
ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ И МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ
Учебная программа для высших учебных заведений
по специальностям І-39 01 02 Радиоэлектронные системы,
І-39 01 03 Радиоинформатика
Согласована с Учебно-методическим управлением БГУИР
« 28 » мая 2003 г.
Составители:
В.Н. Левкович, заведующий кафедрой радиотехнических систем Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники», доцент, кандидат технических наук;
Р.Г. Ходасевич, доцент кафедры радиотехнических систем Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники», кандидат технических наук
Рецензенты:
Кафедра информационно-вычислительных систем Военной академии Республики Беларусь (протокол № 8 от 21.02.2003 г.);
В.В. Каверович, доцент кафедры информатики Учреждения образования «Минский государственный высший радиотехнический колледж», кандидат технических наук
Рекомендована к утверждению в качестве типовой:
Кафедрой радиотехнических систем Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» (протокол № 8 от 10.03.2003 г.);
Научно-методическим советом по группе специальностей І-39 01 Схемы радиоэлектронных устройств и систем УМО вузов Республики Беларусь по образованию в области информатики и радиоэлектроники (протокол № 1 от 26.05.2003 г.)
Действует до утверждения образовательного стандарта по специальностям.
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Учебная программа по дисциплине «Основы цифровой и микропроцессорной техники» разработана на кафедре радиотехнических систем Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» для специальностей І-39 01 02 Радиоэлектронные системы, І-39 01 03 Радиоинформатика высших учебных заведений.
Целью преподавания дисциплины является изучение студентами основ теории, методов расчета и принципов построения современных цифровых и микропроцессорных устройств, реализующих цифровые методы управления, формирования и обработки сигналов.
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать:
- основные типы импульсных и цифровых устройств, их назначение, принципы работы, параметры и характеристики, схемотехнические методы построения, булеву алгебру, методы лингвистического описания логических схем;
- арифметические и логические основы вычислительной техники, формы представления информации в электронных цифровых вычислительных устройствах, принципы организации и работы запоминающих устройств, архитектуру и функционирование микропроцессора и микрокомпьютера;
уметь характеризовать:
- физические процессы, происходящие в цифровых и микропроцессорных устройствах;
уметь анализировать:
- цифровые устройства, используя аппарат булевой алгебры и теорию конечных автоматов;
приобрести навыки:
- анализа и синтеза комбинационных и последовательных устройств;
- составления алгоритмов и программ на Ассемблере, реализующих типовые процедуры формирования сигналов, арифметические и логические преобразования, а также ввод и вывод информации.
Исследования импульсных и цифровых схем в процессе выполнения лабораторных работ рекомендуется проводить методом компьютерного моделирования с помощью пакета программ «Workbench electronik».
Исследования принципов функционирования микропроцессорного вычислителя, а также отладку программ для него в процессе выполнения лабораторных работ рекомендуется проводить на компьютерах в интегрированной среде MPLAB.
Программа рассчитана на общий объем 200 учебных часов, в том числе аудиторных – 150.
Программа состоит из двух частей. Распределение времени между частями – равное. Дисциплина должна изучаться в двух соседних семестрах. Итоговый контроль знаний обеспечивается проведением экзаменов по каждой части и защитой курсовой работы.
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
ЧАСТЬ 1. ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА
Введение
Структура и содержание дисциплины, ее связь с другими дисциплинами учебного плана специальности. Актуальность цифровых методов формирования сигналов и обработки информации.
Раздел 1.1. Основные понятия и определения
Характеристики импульсного процесса. Виды и параметры импульсных сигналов. Цифровые сигналы.
Классификация и общая характеристика цифровых устройств. Комбинационные и последовательностные логические устройства.
Общие сведения о системах счисления, двоичная позиционная система счисления.
Раздел 1.2. Логические основы цифровой техники
Основные понятия алгебры логики. Логические переменные. Простейшие логические операции: отрицание, логическое умножение, логическое сложение. Базовые логические элементы. Логический базис. Построение логических схем по логическим уравнениям.
Логические функции. Формы представления логических функций, таблицы истинности, логические уравнения. Совершенные дизъюнктивные (конъюнктивные) нормальные формы логических выражений. Неполностью определенные логические функции. Элементарные функции алгебры логики двух аргументов. Функции запрета. Функции равнозначности и неравнозначности. Функции импликации. Реализация элементарных функций на логических элементах.
Основные законы и правила алгебры логики. Преобразование булевых выражений. Минимизация логических функций аналитическим методом. Табличные методы минимизации логических функций.
Логический синтез комбинационных схем. Синтез и реализация в различных базисах: сумматора по модулю два, схем запрета и импликации, мажоритарного элемента, преобразователя кодов.
Раздел 1.3. Электронные ключи
и логические элементы
Характеристики электронных ключей. Ключи на биполярных транзисторах. Принцип действия, ключевой режим работы и характеристики насыщенного транзисторного ключа с общим эмиттером. Методы повышения быстродействия транзисторных ключей: ключ с форсирующей емкостью, ключ с отрицательной нелинейной обратной связью. Ключевые схемы на дифференциальных переключателях тока.
Ключевые схемы на МДП (МОП)-транзисторах.
Интегральные логические элементы. Особенности схемотехники, параметры и характеристики серий цифровых интегральных микросхем:
- диодно-транзисторной логики (ДТЛ);
- транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ);
- эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ);
- интегральной инжекционной логики (ИИЛ).
Интегральные логические схемы на МДП (КМДП) – структурах.
Многовходовые и многоступенчатые интегральные ключевые схемы. Сравнительный анализ параметров цифровых логических схем и перспективы их развития.
Раздел 1.4. Формирователи импульсных сигналов
Преобразование типовых импульсных сигналов RC-цепями. Осу-
ществление операций дифференцирования (укорачивания) и интегрирования (удлинения) импульсов с помощью RC-цепей. Влияние паразитных элементов на форму выходных сигналов. Применение операционных усилителей с обратной связью для повышения точности дифференцирования и интегрирования. Формирование импульсных сигналов с помощью линий задержки.
Амплитудные ограничители. Принцип действия, передаточные характе-
ристики, основные типы диодных и транзисторных ограничителей. Усилители-ограничители на операционных усилителях и логических элементах.
Раздел 1.5. Генераторы импульсов
Общие сведения о генераторах импульсов.
Мультивибраторы, основные характеристики и режимы работы.
Ждущие и автоколебательные мультивибраторы на логических элементах, принцип действия, разновидности схемной реализации, условия работоспособности и основные характеристики.
Мультивибратор на операционном усилителе в автоколебательном и ждущем режимах, принцип действия и основные характеристики.
Ждущие и автоколебательные блокинг-генераторы, основные характе-
ристики, варианты схем.
Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). Основные характеристики и области применения. ГЛИН с простой интегрирующей RC-цепью. Варианты ГЛИН с улучшенными характеристиками: ГЛИН с емкостной обратной связью, ГЛИН с компенсирующей ЭДС, ГЛИН на операционном усилителе.
Раздел 1.6. Триггеры
Общие понятия о последовательных автоматах. Классификация триггерных устройств, условные обозначения, области применения. Информационные, управляющие и динамические входы триггеров. Режимы работы, функциональная зависимость входных и выходных сигналов.
RS-триггер. Условное обозначение, таблица переключений, логический синтез структурных схем с прямыми и инверсными входами. Временные диаграммы, принцип работы асинхронного и синхронного RS-триггера.
IK-триггер. Структурный синтез, логические уравнения, разновидности схем, таблицы переходов и функции возбуждения, условия работоспособности, основные характеристики.
D-триггер. Структурный синтез, логические уравнения, таблицы переключений, варианты схем, принципы работы.
Т-триггер. Принципы построения схем на базе RS-, D-, IK- триггеров, условия работоспособности, области применения.
Двухступенчатые MS-триггеры. Комбинированные триггеры. Несимметричный статический триггер (триггер Шмитта), условия работоспособности, основные характеристики, реализация на различных компонентах.
Раздел 1.7. Функциональные цифровые устройства
Регистры: параллельные (регистры памяти), последовательные (регистры сдвига), параллельно-последовательные, реверсивные. Специализированные регистры сдвига, генераторы кодов псевдослучайных сигналов.
Счетчики: суммирующие, вычитающие, реверсивные. Счетчики с последовательным, параллельным и сквозным переносом счетных импульсов. Двоично-десятичные счетчики, кольцевые счетчики. Логический синтез счетчиков с произвольным модулем счета. Счетчики с программируемым коэффициентом счета.
Комбинационные устройства: шифраторы и дешифраторы, мультиплексоры и демультиплексоры, сумматоры, вычитатели, умножители, цифровые компараторы.
Реализация комбинационных устройств на мультиплексорах.
Заключение
Основные направления и перспективы развития современных цифровых устройств. Проектирование цифровых систем на основе программируемых логических интегральных схем.
ЧАСТЬ 2. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ УСТРОЙСТВА
Раздел 2.1. Введение в вычислительную технику
Краткие исторические сведения по развитию и применению электронных цифровых вычислительных устройств (ЭЦВУ). Типовая структура микрокомпьютера, назначение его отдельных функциональных блоков, общие сведения о его функционировании. Основные термины, используемые в вычислительной и микропроцессорной технике. Применение микро-
процессоров - новый этап в развитии радиоэлектронных устройств и систем.
Раздел 2.2. Методы представления информации в ЭЦВУ
Системы счисления, используемые в ЭЦВУ: двоичная, восьмеричная, шестнадцатеричная, двоично-десятичная. Преобразование записи чисел из одной системы счисления в другую. Представление чисел в ЭЦВУ с фиксированной и плавающей точками. Представление символьной информации в ЭЦВУ. Специальные машинные коды: прямой, обратный, дополнительный.
Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) сигналов: назначение, основные характеристики, принципы построения. ЦАП с взвешенными резисторами. ЦАП с цепочкой резисторов типа R-2R. ЦАП на основе широтно-импульсной модуляции.
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) сигналов: назначение, основные характеристики, принципы построения. АЦП параллельного действия. АЦП с ЦАП в цепи обратной связи следящего типа, последовательного типа и последовательного приближения. АЦП на основе двойного интегрирования.
Раздел 2.3. Арифметические основы ЭЦВУ
Поразрядные операции над числами. Операции сдвига. Сложение и вычитание целых двоичных чисел. Сложение и вычитание действительных чисел. Сложение и вычитание чисел в двоично-кодированной десятичной системе счисления. Умножение и деление двоичных чисел с фиксированной запятой. Умножение и деление двоичных чисел с плавающей запятой. Точность выполнения арифметических операций, округления. Табличные методы выполнения арифметических операций.
Раздел 2.4. Последовательностные цифровые автоматы
Общие сведения о конечных цифровых автоматах. Выполнение логических операций во времени, последовательные процессы. Основные понятия теории конечных автоматов. Автоматы синхронные и асинхронные. Автоматное время. Способы задания функционирования автомата: таблицы переходов и выходов, граф автомата. Абстрактная модель цифрового автомата. Автоматы Мили и Мура. Минимизация абстрактных автоматов. Структурная модель цифрового автомата. Структурный синтез цифрового автомата. Автоматы на основе микропрограммного управления. Сравнение по быстродействию автоматов с жесткой и программируемой логикой.
Раздел 2.5. Запоминающие устройства ЭЦВУ
Типы запоминающих устройств (ЗУ) и их назначение. Классификация и основные характеристики полупроводниковых ЗУ. Статические ЗУ. Динамические ЗУ. ЗУ на приборах с зарядовой связью. ЗУ на цилиндрических магнитных доменах. Функциональные схемы оперативных ЗУ. Функциональные схемы постоянных ЗУ и перепрограммируемых постоянных ЗУ. Организация многокристальной памяти. Программирование постоянных ЗУ. Программируемые логические матрицы (ПЛМ). Реализация логических функций на ПЛМ.
Раздел 2.6. Принципы построения и функционирования
микропроцессорного вычислителя
Понятие об архитектуре микропроцессора.
Типовая структура универсального микропроцессора. Назначение функциональных блоков микропроцессора: арифметико-логического устройства, операционных регистров, управляющих регистров, регистра флагов, дешифратора команд, устройства управления. Назначение и состав шин данных, адреса и управления. Назначение сигнальных линий шины управления. Взаимодействие функциональных блоков микропроцессора. Организация чтения/записи, ввода/вывода байтов информации в микропроцессоре. Циклы работы микропроцессора. Алгоритм работы микропроцессора. Организация вычислителя на универсальном микропроцессоре.
Структура команд. Форматы команд. Классификация операций: арифметические, логические, пересылочные, управления, ввода/вывода. Основные способы адресации: прямая, непосредственная, неявная, косвенная, регистровая, стековая, автоинкрементная, автодекрементная.
Система команд универсального микропроцессора.
Раздел 2.7. Основы программирования
для микропроцессоров
Понятие алгоритма. Этапы программирования. Составление схем алгоритмов. Программирование в мнемокодах. Программирование типовых процедур: организация счетчика циклов, определение модуля числа, формирование временной задержки, сложение и умножение чисел, ввод и вывод данных. Особенности составления программ на Ассемблере. Псевдокоманды Ассемблера. Использование средств макроопределения. Подпрограммы. Компиляция. Загрузка программ. Занесение программ в ПЗУ.
Заключение
Основные тенденции развития микропроцессорных устройств. Повышение удельного веса цифровых устройств в общем объеме оборудования радиоэлектронных средств.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
ЧАСТЬ 1
1. Расчет высокостабильного генератора прямоугольных импульсов на логических элементах.
2. Минимизация логических функций аналитическим и табличным методами.
3. Анализ и синтез комбинационных схем на логических элементах.
4. Синтез и анализ триггеров и счетчиков.
5. Реализация логических выражений и устройств на мультиплексорах.
ЧАСТЬ 2
1. Методы представления информации в ЭЦВУ. Системы счисления. Алгоритмы сложения и вычитания двоичных чисел.
2. Алгоритмы умножения и деления двоичных чисел. Двоично-кодированные десятичные числа, сложение и вычитание в двоично-десятичной системе счисления.
3. Последовательные цифровые автоматы. Минимизация абстрактного автомата.
4. Структурный синтез цифрового автомата.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Часть 1
1. Расчет высокостабильного генератора прямоугольных импульсов на логических элементах.
2. Моделирование работы импульсных и цифровых устройств в среде «Workbench electronic».
3. Исследование электронных ключей на биполярных транзисторах.
4. Исследование интегральных ключевых схем.
5. Формирователи импульсов на цифровых интегральных микросхемах.
6. Исследование триггерных схем.
7. Исследование регистров и двоичных счетчиков.
8. Исследование мультивибраторов.
9. Исследование генераторов линейно изменяющегося напряжения.
ЧАСТЬ 2
1. Исследование методов цифроаналогового и аналого-цифрового преобразования сигналов.
2. Архитектура микропроцессорного вычислителя, программирование на Ассемблере. Инструментальные средства отладки программ для микропроцессорного вычислителя.
3. Методы и алгоритмы формирования импульсных сигналов на микропроцессорном вычислителе.
4. Программирование и исследование процедур отображения цифровой информации в микропроцессорных устройствах.
5. Программирование и исследование процедур ввода информации с клавиатуры в микропроцессорных устройствах.
6. Программирование и исследование процедур арифметических и логических преобразований информации в микропроцессорном вычислителе.
КУРСОВАЯ РАБОТА
Цель работы – развитие навыков практического проектирования специализированных вычислителей, устройств управления, устройств формирования и обработки сигналов на базе микропроцессоров и микроконтроллеров. Задачей курсовой работы является разработка функционально законченного устройства.
Примерная тематика работ:
- Генератор стандартного сигнала с цифровым управлением и индикацией параметров.
- Генератор сигнала специальной формы с цифровым управлением и индикацией параметров.
- Цифровой измеритель параметров сигнала.
- Цифровой измеритель параметров физического процесса.
- Микропроцессорное устройство функционального контроля интегральных микросхем.
- Таймер с цифровым управлением и индикацией.
- Контроллер аппарата или прибора.
ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНАЯ
1. Фролкин В.Т., Попов Л.Н. Импульсные и цифровые устройства: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1992.
2. Ерофеев Ю.Н. Импульсные устройства: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 1989.
3. Зельдин Е.А. Импульсные устройства на микросхемах. - М.: Радио и связь, 1991.
4. Лихтциндер П.Я., Кузнецов В.Н. Микропроцессоры и вычислительные устройства в радиотехнике. - Киев: Вища шк., 1988.
5. Сергеев Н.Р., Вашкевич Н.Р. Основы вычислительной техники: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 1988.
6. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1991.
7. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник/ М.И. Богданович и др. – Мн.: Беларусь,1996.
8. Левкович В.Н. Архитектура и основы программирования однокристальных микроконтроллеров PIC16F84. - Мн.: БГУИР, 2002.
9. Сташин В.В. и др. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах/ В.В. Сташин, А.В. Урусов, О.Ф. Мологонцева. - М.: Энергоатомиздат, 1990.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
1. Гольденберг Л.М. Импульсные устройства: Учебник для радио-
технических специальностей вузов. - М.:Радио и связь, 1981.
2. Кучумов А.И. Электроника и схемотехника. – М.: Гелиос АРВ, 2002.
3. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988.
4. Казаринов Ю.М. и др. Применение микропроцессоров и микроЭВМ в радиотехнических системах: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 1988.
5. Гуртовцев А.Л., Гудыменко С.В. Программы для микропроцессоров: Справ. пособие. -Мн.: Выш. шк., 1989.
6. Однокристальные микроконтроллеры Microchip: PIC16c8x.: Пер. с англ. / Под ред. А.Н. Владимирова. – Рига.: ORMIX, 1996.
7. Скляр, Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. 2-е изд.: Пер. с англ. – М.: Изд. дом «Вильямс», 2003.
8. Соловьев В.В. Проектирование цифровых систем на основе программируемых логических интегральных схем. – М.: Горячая линия – Телеком, 2001.
9. ГОСТ 2.743-91. Элементы цифровой техники.