Методичні вказівки до самостійного вивчення курсу \" Основи теорії цифрових автоматів \" для студентів-заочників спеціальності 091400 icon

Методичні вказівки до самостійного вивчення курсу " Основи теорії цифрових автоматів " для студентів-заочників спеціальності 091400




НазваМетодичні вказівки до самостійного вивчення курсу " Основи теорії цифрових автоматів " для студентів-заочників спеціальності 091400
Сторінка1/4
Дата14.09.2012
Розмір0.76 Mb.
ТипМетодичні вказівки
  1   2   3   4

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Вінницький національний технічний університет

Інститут автоматики, електроніки та комп’ютерних систем управління

Факультет автоматики та комп’ютерних систем управління


МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ


до самостійного вивчення курсу

" Основи теорії цифрових автоматів "


для студентів-заочників спеціальності 6.091400


Укладач к.т.н., доц. М.М. Биков


ЗАТВЕРДЖЕНО


на засіданні кафедри комп'ютерних систем управління


Протокол №___ від ____________ р.


^

Вінниця ВНТУ 2009



ВСТУП.

Електронні цифрові обчислювальні машини (ЕОМ, по іншому комп'ютери) і інші засоби обчислювальної техніки (ОТ) мають особливе значення для систем управління і автоматики, де вони виконують основну частину роботи по збиранню, зберіганню та обробці інформації, необхідної для формування керівних дій в обмежений проміжок часу. В зв'язку з цим сучасні ЕОМ становлять собою базу не тільки для існуючих, але й для перспективних високоефективних автоматичних і автоматизованих систем керування технологічними процесами і виробництвом, систем автоматизації пошуку інформації, наукових досліджень. Цифрові електронні обчислювальні машини є окремим, але найбільш поширеним видом цифрових автоматів. Для успішного вивчення загальних принципів обробки цифрової інформації раціонально відсторонитися від реального апаратного забезпечення комп'ютера і розглядати його як деякий абстрактний цифровий автомат, призначений для обробки інформації, представленої в цифровій формі. Знання теорії таких автоматів необхідні для успішного пошуку нових принципів побудови комп'ютерів, вдосконалення вже відомих алгоритмів обробки цифрової інформації, грамотного застосування обчислювальної техніки в системах управління і автоматики і розробки різноманітного програмного забезпечення для таких систем.

Лабораторний практикум з дисципліни "Основи теорії цифрових автоматів" містить 7 лабораторних робіт, призначених для фронтального виконання на лабораторних стендах типу УМ 11 і входить до складу комплексу навчальної літератури, що забезпечує вивчення даної дисципліни студентами спеціальності "Комп'ютеризовані системи автоматики і управління". Практикум відіграє важливу роль для отримання навиків практичної роботи з цифровими пристроями, що входять до складу електронних обчислювальних машин та інших цифрових автоматів. Лабораторні заняття дають студентам наочне уявлення про роботу окремих логічних елементів і цифрових мікросхем, про їх властивості, характеристики і можливості, розвивають навички синтезу і дослідження комбінаційних схем і цифрових автоматів. Під час занять студенти повинні отримати корисний для їхньої майбутньої роботи досвід використання сучасних електронних елементів і цифрових пристроїв, які на сьогодні широко використовуються в схемотехніці обчислювальних машин та функціональних вузлах систем автоматики і управління. В процесі лабораторних занять здійснюється один з найважливіших моментів навчального процесу - зв'язок теорії з практикою, внаслідок чого студент отримує необхідні знання, уміння та навички в організації та проведенні досліджень з самостійною оцінкою отриманих результатів, а також засвоює технологію синтезу, складання, налагодження та експлуатації електронних схем.


^ МЕТА І ЗАДАЧІ ДИСЦИПЛІНИ


Метою дисципліни “Основи теорії цифрових автоматів” є теоретична підготовка спеціалістів спеціальності 7.091400 , що включає в себе вивчення студентами арифметичних, логічних і схемотехнічних основ побудови цифрових пристроїв обробки інформації та принципів їх аналізу і синтезу, а також практичних навичок з розробки, створення і використання цифрових автоматів різного призначення та їх окремих вузлів.


^ Задачі дисципліни формуються, виходячи з того, що по її вивченні студенти повинні

знати:

  • роль і місце обчислювальної техніки в системах автоматики і автоматизованого управління;

  • інформаційні основи цифрових пристроїв, визначення терміну “Цифровий автомат”;

  • арифметичні і логічні основи побудови і роботи цифрових автоматів;

  • системотехнічні засади побудови цифрових автоматів;

  • принципи контролю роботи цифрових автоматів;

  • способи задання цифрових автоматів;

  • принципи побудови і алгоритми роботи операційних і управляючих блоків цифрових автоматів;

  • основи структурного синтезу цифрових автоматів з жорсткою логікою і мікропрограмним управлінням;

  • основні тенденції розвитку цифрових пристроїв на сучасному етапі.


На основі отриманих знань майбутні спеціалісти повинні

вміти:

  • розробляти структури систем автоматичного і автоматизованого керування з використанням обчислювальних машин та цифрових автоматів іншого типу;

  • вибирати цифровий автомат потрібного типу, а також необхідне програмне забезпечення для реалізації алгоритмів обробки інформації і керування в реальному масштабі часу;

  • синтезувати структуру цифрового автомату згідно заданого алгоритму керування.



^




1. ПЕРЕЛІК ОСНОВНИХ ТЕМ

ТЕОРЕТИЧНОГО МАТЕРІАЛУ


Вступ

Мета і завдання дисципліни. Коротка історія розвитку ЦА. Інформаційні основи цифрових автоматів. Інформація і загальні принципи її перетворення і опрацювання.


^ Поняття про цифрові автомати. Роль і місце ЕОМ в системах управління. Апаратні засоби зберігання і обробки інформації. Поняття про ЦА і алгоритм.


Представлення числової інформації в цифрових автоматах .

Системи числення. Алгоритми переведення чисел з однієї системи в іншу. Форми і формати зображення чисел в ЦА. Зображення чисел в прямому, оберненому і доповнювальному кодах.


^ Арифметичні дії з двійковими числами .

Операції додавання і віднімання чисел з фіксованою і плаваючою комою.

Алгоритми множення і ділення чисел.


^ Кодування інформації. Поняття про контроль роботи ЦА .

Поняття про кодування і коди. Послідовний і паралельний коди. Код Хеммінга. Контроль за парністю і за модулем.


Логічні основи ЦА .

Основні поняття алгебри логіки. Логічні функції і їх властивості. Основні закони алгебри логіки. Поняття про логічний базис.


^ Аналіз і синтез комбінаційних схем .

Способи реалізаціїї бульових функцій. Аналогія між логічною функцією і комбінаційною схемою. Представлення функцій в ДДНФ і ДКНФ. Мінімізація логічних функцій.


^ Системи (серії) логічних елементів .

Базові логічні елементи різних серій, їх принципи побудови та технічні характеристики.


Схемотехніка цифрових автоматів .

Елементарні цифрові автомати: триггери, регістри, лічильники. Базові вузли ЦА на комбінаційних схемах: суматори, дешифратори, шифратори, селектори каналів, генератори синхросигналів.


Способи подання ЦА .

Математична модель ЦА. Автомати Мілі і Мура, способи подання ЦА: табличний і графічний (орграфом). Еквівалентність ЦА. Структурна модель ЦА. Етапи структурного синтезу ЦА.


^ Синхронізація і забезпечення стійкості цифрового автомата .

Синхронізація роботи ЦА. Структура такту операційного пристрою. Явище “гонок”. Методи забезпечення стійкості ЦА.


^ Керуючий і операційний блоки автомата .

Принцип декомпозиції В.М. Глушкова. Схема взаємодії між операційним блоком та керуючим автоматом. Мова мікрооперацій.


^ Структурний синтез ЦА .

Структура і мікропрограма роботи операційного блоку для додавання і віднімання чисел з фіксованою комою. Структурний синтез ЦА з жорсткою логікою. Синтез ЦА з мікропрограмним управлінням.

Проектування систем управління. Експлуатація і ремонт систем управління. Прогнозування економічних процесів. Організація виробництва. Прогнозування соціальних процесів. Управління технологічними процесами.


При підготовці до практичних занять студенти вивчають методичні вказівки до їх виконання, рекомендовану літературу, а також виконують підготовчу роботу у відповідності до теми завдання.

При підготовці до виконання практичних робіт необхідно дати повні відповіді на наведені контрольні запитання. Глибоке вивчення теоретичного матеріалу допоможе студентам успішно виконати роботу.


^ ПРАКТИЧНІ ЗАНЯТТЯ

Практичні заняття виконуються під час установчої сесії і оформлюються у вигляді звітів, наявність яких є обов’язковою умовою загальної оцінки з дисципліни.


Практичне заняття №1


^ СИНТЕЗ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ КОМБІНАЦІЙНИХ ЦИФРОВИХ

СХЕМ


МЕТА ЗАНЯТТЯ: вивчення методів синтезу цифрових схем комбінаційного типу, набуття навичок реалізації їх на інтегральних елементах.


^ 2.1. ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ


2.1.1. Ознайомитися з методичними вказівками.

2.1.2. За заданою таблицею істинності функції чотирьох знінних синтезувати в заданому базисі комбінаційну схему.

2.1.3. Скласти схему та дослідити її роботу, визначивши її вихідні сигнали для всіх наборів вхідних сигналів.

2.1.4. За заданим логічним рівнянням синтезувати цифрову схему

в заданому базисі логічних елементів.

2.1.5. Скласти та записати таблицю істинності її роботи.

2.1.6. Скласти звіт про виконання роботи.


^ 2.2. ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ


2.2.1. Поняття про комбінаційну схему та цифровий автомат

В обчислювальних машинах та системах перетворення інформації, яка подана у вигляді фізичних сигналів, здійснюється логічними схемами, які поділяються на два класи: комбінаційні схеми та цифрові автомати.

Якщо в логічній схемі множина вихідних сигналів У в будь-який момент часу однозначно визначається сигналами Х, що надходять на вхід, то така схема називається комбінаційною (рис.2.1).

Комбінаційна схема (КС) може бути задана абстрактною або структурною моделлю. Абстрактною моделлю комбінаційної схеми може бути або таблиця істинності, або логічний вираз, які зв'язують залежністю вихідні сигнали схеми з вхідними. Структурна модель використовується для побудови її з конкретних логічних елементів.

Як правило, на етапі проектування закон функціонування КС спочатку задається у вигляді таблиці істинності. За нею потім складають логічний вираз, за яким будують структуру КС.

Логічна схема, значення вихідних сигналів якої залежать як від значень вхідних сигналів на даний момент, так і від значень вхідних сигналів в попередні моменти часу, називається цифровим (або послідовним) автоматом. Залежність вихідних сигналів цифрового автомата від попередніх значень вхідних сигналів можлива тільки в тому випадку, якщо автомат запам'ятовує свій попередній стан.





Рисунок 2.1 - Комбінаційна схема


Тому іноді цифровий автомат називають автоматом з пам'яттю, а комбінаційну схему називають автоматом без пам'яті, або примітивним автоматом.


^ 2.2.2. ЕТАПИ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗУ ЦИФРОВИХ ПРИСТРОЇВ

Кінцевою метою проектування будь-якого цифрового пристрою є його фізична побудова з конкретних логічних елементів на електронних схемах. Основою для цього є структурна схема, яка визначає склад логічних елементів та електричні зв'язки між ними. Процес одержання структурної схеми цифрового автомата називається структурним синтезом.

На етапі початкового опису цифрового пристрою записують закон його функціонування у вигляді таблиці істинності, якщо це КС, або у вигляді блок-схеми алгоритму, якщо це цифровий автомат (ЦА). На другому етапі переходять до формалізованого опису цифрового пристрою. Для комбінаційних схем він задається у вигляді логічних виразів, а для цифрових автоматів - у вигляді абстрактного автомата.

Структурний синтез комбінаційного цифрового пристрою (ліва частина алгоритму, рис.2.2) потребує після цього виконання таких етапів: мінімізації логічних виразів, перетворення до заданого базису, розробки структурної схеми відповідно отриманим логічним виразам. На останньому етапі виконується складання та налагодження.



Початковий опис КС або ЦА






Формалізоване задання КС або ЦА





так

ні


КС-?








Мінімізація логічної функції

Мінімізація автомата





Перетворення до зада-ного базису елементів

Розробка схеми станів





Побудова структурної схеми

Розробка таблиці переходів автомата





Складання та налагоджування

Синтез функцій вихо-дів та функцій збуд-ження тригерів







Рисунок 2.2 - Етапи структурного синтезу цифрових автоматів


2.2.3. Мінімізація логічних функцій


При наявності набору електронних логічних елементів будь-яка логічна функція, подана у вигляді бульового виразу, може бути реалізована у вигляді електронної цифрової схеми. Наприклад, розглянемо бульовий вираз:


,


з якого видно, що для реалізації його у вигляді фізичної схеми необхідно три логічних елементи «І», два інвертори та один елемент «АБО» з трьома входами (рис.2.3,а).

На рис.2.3,б показана схема, яка реалізує логічну функцію , що складається всього з одного електронного логічного елемента «АБО». Аналіз роботи нарисованих схем доводить, що вони мають один і той самий закон функціонування, наданий таблицею істинності на рис.2.3,в. Наведений приклад доводить, що один і той самий процес перетворення цифрових сигналів може виконуватись схемами різної скпадності, а значить, і вартості. Отже, при проектуванні цифрових пристроїв потрібно звертати увагу на невиправдане подорожчання схем.

За критерій вартості логічної схеми беруть її складність, яка визначається сумарною кількістю входів логічних елементів. Наприклад, складність Су1, схеми на рис.2.3,а – Су1 = 11, а складність схеми на рис.2.3,б –Су2 = 2.

Оскiльки існує однозначна відповідність між бульовою функцією та логічною схемою, яка її реалізує, то зменшення складності схеми можна досягти шляхом мінімізації бульової функції - знаходження найбільш простого виразу для заданої функції, еквівалентного початковому.

Найчастіше мінімізацію проводять для логічної функції, яка подана в досконалій диз'юнктивній нормальній формі (ДДНФ), отримуючи при цьому мінімальну ДНФ.

Найбільш поширеними методами мінімізації логічних функцій є метод мінімізації за допомогою діаграм Вейча-Карно та метод Квайна- МакКласкі. Діаграми Вейча-Карно зручно застосовувати для мінімізації бульових функцій, які містять не більше 4-6 змінних. Дані діаграми являють собою спеціально організовані таблиці істинності. Кількість клітинок в таблиці повинна відповідати кількості можливих наборів аргументів.

Якщо кількість змінних n, на яких задана бульова функція, парна, то кількість рядків та стовпчикiв в таблиці дорівнює 2n/2, якщо непарна, то беруть таку кількість рядків, яка дорівнює , а кiлькiсть стовпчиків – . На рис.2.4 показані діаграми Вейча-Карно для функцій двох, трьох, чотирьох та п'яти аргументів. Набори в клітинках таблиці розміщені так, що два сусідні набори в стовпчику або рядку відрізняються значенням однієї змінної - в одному наборі вона з запереченням, а в другому – без заперечення. При такому розміщенні будь-якi два сусідні набори можуть склеюватися. Відповідна розмітка рядків та стовпчикiв діаграм Вейча-Карно символами змінних показана на рис.2.4.



Х1

І

І

Х1







Х2

Х2






Х1

Х1

І


Y2

Х2

Y1


АБО

АБО



Х2




Х1


І

б)


Х2




а)



Входи

Виходи

Х2

Х1

Y1


Y2


0

0

0

0

0

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

в)

, Y2 = X1 + X2


Рисунок 2.3 - а) – структурна схема електронного пристрою, яка реалізує функцію ; б) – схема, яка реалізує функцію Y2 = X1+X2; в) – таблиця, яка задає закон
функціонування обох схем


Кожна змінна розбиває діаграму на дві половини - п
оловину Х та половину .

Рисунок 2.4 - Діаграми Вейча-Карно для двох, трьох,

чотирьох та п'яти логічних змінних


Частина діаграми, яка відповідає неінверсним аргументам, на рис. 2.4. відмічена жирною лінією.

Якщо бульова функція надана таблицею істинності, то «1» заповнюються клітинки діаграми Вейча, які відповідають наборам значень змінних, на яких функція перетворюється в одиницю (рис.2.5). Клітинки, які відповідають нульовим значенням, залишаються пустими. Потім за одержаними діаграмами проводять мінімізацію логічної функції. Для цього спочатку виконують побудову контурів, якi охоплюють клітинки з одиницями, дотримуючись наступних правил:

1) контур повинен бути прямокутним або квадратним та містити тільки клітинки з одиницями;

2) кількість клітинок всередині контуру повинна бути цілим степенем двійки – 1,2,4,8, ...;

3) всі одиниці повинні бути охоплені контурами;

4) кожний контур повинен охопити максимально можливу кiлькiсть одиниць;

5) при проведенні контурів нижній і верхній рядки та лівий і правий стовпці вважаються сусідніми.

Таблиця істинності Діаграма Вейча-Карно



Х2

Х2


Входи



Виходи




Х1

1
Х2



Х1


F(X)


0



0

1



0
Х1

1

1





1


1





1



0


1




1



1


0

  1   2   3   4

Схожі:

Методичні вказівки до самостійного вивчення курсу \" Основи теорії цифрових автоматів \" для студентів-заочників спеціальності 091400 iconМетодичні вказівки для самостійного вивчення теми «гроші» з курсу «Основи економічної теорії» для студентів усіх форм навчання
Методичні вказівки для самостійного вивчення теми «Гроші» з курсу «Основи економічної теорії» для студентів усіх форм навчання /...
Методичні вказівки до самостійного вивчення курсу \" Основи теорії цифрових автоматів \" для студентів-заочників спеціальності 091400 iconМетодичні вказівки до самостійного вивчення курсу "Споживачі електроенергії "
Методичні вказівки до самостійного вивчення курсу "Споживачі електроенергії" (для студентів 4 курсу денної І 5 курсу заочної форм...
Методичні вказівки до самостійного вивчення курсу \" Основи теорії цифрових автоматів \" для студентів-заочників спеціальності 091400 iconХарківська національна академія міського господарства методичні вказівки
Методичні вказівки до самостійного вивчення курсу “Основи екології” (для студентів 2 курсу денної форми навчання спеціальності 120100...
Методичні вказівки до самостійного вивчення курсу \" Основи теорії цифрових автоматів \" для студентів-заочників спеціальності 091400 iconІ. В. Древаль Методичні вказівки
Методичні вказівки до самостійного вивчення дисципліни «Сучасні теорії реконструкції міського середовища» (для студентів 6 курсу...
Методичні вказівки до самостійного вивчення курсу \" Основи теорії цифрових автоматів \" для студентів-заочників спеціальності 091400 iconМетодичні вказівки до самостійного вивчення курсу “Фінансовий ринок”
Методичні вказівки до самостійного вивчення курсу “Фінансовий ринок” І проведення практичних занять (для студентів 5 курсу спеціальності...
Методичні вказівки до самостійного вивчення курсу \" Основи теорії цифрових автоматів \" для студентів-заочників спеціальності 091400 iconХарківська національна академія міського господарства методичні вказівки
Методичні вказівки до самостійного вивчення курсу “Основи екології” (для студентів 2 курсу денної форми навчання спеціальності 070900...
Методичні вказівки до самостійного вивчення курсу \" Основи теорії цифрових автоматів \" для студентів-заочників спеціальності 091400 iconХарківська національна академія міського господарства методичні вказівки
Методичні вказівки до самостійного вивчення курсу “Основи утилізації відходів”(для студентів 4 курсу денної І 5 курсу заочної форм...
Методичні вказівки до самостійного вивчення курсу \" Основи теорії цифрових автоматів \" для студентів-заочників спеціальності 091400 iconМіністерство освіти І науки україни кременчуцький державний політехнічний університет методичні вказівки щодо самостійного вивчення курсу “вступ до спеціальності” для студентів денної форми навчання зі спеціальності
Методичні вказівки щодо самостійного вивчення курсу “Вступ до спеціальності” для студентів денної форми навчання зі спеціальності...
Методичні вказівки до самостійного вивчення курсу \" Основи теорії цифрових автоматів \" для студентів-заочників спеціальності 091400 iconМіністерство освіти І науки україни кременчуцький державний політехнічний університет методичні вказівки щодо самостійного вивчення курсу “введення в марктеинг” для студентів денної форми навчання зі спеціальності
Методичні вказівки щодо самостійного вивчення курсу “Введення в маркетинг” для студентів денної форми навчання зі спеціальності 060100...
Методичні вказівки до самостійного вивчення курсу \" Основи теорії цифрових автоматів \" для студентів-заочників спеціальності 091400 iconМетодичні вказівки до самостійного вивчення курсу «фінансова статистика»
Методичні вказівки до самостійного вивчення курсу «Фінансова статистика» (для студентів 3 курсу заочної форми навчання спец. 050100...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи