История геологического развития южной части - Math;pdf

Министерство образования и науки Российской Федерации
ФГБОУ ВПО
«ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
Факультет кибернетики
Кафедра вычислительной техники
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе
_________________________
"____"____________20 ___ г.
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА, ЭЛЕКТРОНИКА И СХЕМОТЕХНИКА
Часть 2. СХЕМОТЕХНИКА (6 семестр)
ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
(рабочая учебная программа дисциплины)
Направление подготовки:
230100 «Информатика и вычислительная техника»
Профили подготовки:
«Вычислительные машины,
комплексы, системы и сети»
«Автоматизированные системы обработки информации и управления»
Квалификация (степень):
бакалавр
Форма обучения :
заочная
Составитель программы, часть 2:
Глухих В.И., доцент кафедры Вычислительной техники, к.х.н.
Иркутск 2013 г.
1
1. Информация из ФГОС, относящаяся к дисциплине
1.1. Вид деятельности выпускника
Дисциплина охватывает круг вопросов относящихся к виду
деятельности выпускника: ОК1,6,10-12; ПК2,3,5-7,9,10
- проектно-конструкторская деятельность;
- проектно-технологическая деятельность;
- научно-исследовательская деятельность;
- монтажно-наладочная деятельность.
1.2. Задачи профессиональной деятельности выпускника
В дисциплине рассматриваются указанные в ФГОС задачи
профессиональной деятельности выпускника:
Проектно-конструкторская деятельность
Сбор и анализ исходных данных для проектирования.
Проектирование программных и аппаратных средств (систем, устройств,
деталей, программ, баз данных и т.п.) в соответствии с техническим заданием
с использованием средств автоматизации проектирования. Разработка и
оформление проектной и рабочей технической документации. Контроль
соответствия разрабатываемых проектов и технической документации
стандартам, техническим условиям и другим нормативным документам.
Проведение предварительного технико-экономического обоснования
проектных расчетов.
Проектно-технологическая деятельность
Применение современных инструментальных средств при разработке
программного обеспечения. Применение Web-технологий при реализации
удаленного доступа в системах клиент/сервер и распределенных вычислений.
Использование стандартов и типовых методов контроля и оценки качества
программной продукции. Участие в работах по автоматизации
технологических процессов в ходе подготовки производства новой
продукции. Освоение и применение современных программно-методических
комплексов исследования и автоматизированного проектирования объектов
профессиональной деятельности.
Научно-исследовательская деятельность.
Изучение научно-технической информации, отечественного и зарубежного
опыта по тематике исследования. Математическое моделирование процессов
и объектов на базе стандартных пакетов автоматизированного
проектирования и исследований. Проведение экспериментов по заданной
методике и анализ результатов. Проведение измерений и наблюдений,
составление описания проводимых исследований, подготовка данных для
составления обзоров, отчетов и научных публикаций. Составление отчета по
выполненному заданию, участие во внедрении результатов исследований и
разработок.
Монтажно-наладочная деятельность
2
Наладка,
настройка,
регулировка
и
опытная
проверка
ЭВМ,
периферийного оборудования и программных средств. Сопряжение
устройств и узлов вычислительного оборудования, монтаж, наладка,
испытание и сдача в эксплуатацию вычислительных сетей.
1.3. Перечень компетенций, установленных ФГОС
Освоение программы настоящей дисциплины позволит сформировать у
обучающегося следующие компетенции:
- владеет культурой мышления, способен к обобщению, анализу,
восприятию информации, постановке цели и выбору путей еѐ
достижения (ОК-1);
- стремится к саморазвитию, повышению своей квалификации
и
мастерства (ОК-6);
- использует основные законы естественнонаучных дисциплин в
профессиональной деятельности, применяет методы математического
анализа и моделирования, теоретического и экспериментального
исследования (ОК-10);
- осознает сущность и значение информации в развитии современного
общества; владеет основными методами, способами и средствами
получения, хранения, переработки информации (ОК-11);
- имеет навыки работы с компьютером как средством управления
информацией (ОК-12);
- осваивать методики использования программных средств для решения
практических задач (ПК-2);
- разрабатывать интерфейсы «человек - электронно-вычислительная
машина» (ПК-3);
- разрабатывать компоненты программных комплексов и баз данных,
использовать современные инструментальные средства и технологии
программирования (ПК-5);
- обосновывать принимаемые проектные решения, осуществлять
постановку и выполнять эксперименты по проверке их корректности и
эффективности (ПК-6);
- готовить презентации, научно-технические отчеты по результатам
выполненной работы, оформлять результаты исследований в виде
статей и докладов на научно-технических конференциях (ПК-7);
- участвовать в настройке и наладке программно-аппаратных
комплексов (ПК-9);
- сопрягать аппаратные и программные средства в составе
информационных и автоматизированных систем (ПК-10);
1.4. Перечень умений и знаний, установленных ФГОС
После освоения программы настоящей дисциплины студент должен:
знать:
- принципы построения, параметры и характеристики цифровых и
аналоговых элементов ЭВМ;
3
- современные технические и программные средства взаимодействия с
ЭВМ;
- технологию разработки алгоритмов и программ, методы отладки и
решения задач на ЭВМ в различных режимах;
- теоретические основы архитектурной и системотехнической
организации вычислительных сетей, построения сетевых протоколов;
уметь:
- выбирать, комплексировать и эксплуатировать программно-аппаратные
средства в создаваемых вычислительных и информационных системах
и сетевых структурах.
- ставить и решать схемотехнические задачи, связанные с выбором
системы элементов при заданных требованиях к параметрам
(временным, мощностным, габаритным, надежностным);
владеть:
- методами выбора элементной базы для построения различных
архитектур вычислительных средств;
- методами и средствами разработки и оформления технической
документации.
2. Цели и задачи освоения программы дисциплины
Целью освоения программы дисциплины является приобретение
компетенций, необходимых для конструирования нового и эксплуатации
существующего электронного оборудования.
Задачами освоения программы дисциплины являются:
- изучение элементной базы цифровых электронных устройств;
- изучение конструкций и алгоритмов работы основных узлов
вычислительной техники;
- развитие практических навыков использования интегральных схем
при разработке проектов цифровых устройств вычислительной
техники.
Место дисциплины в структуре ООП
Для изучения дисциплины необходимо освоение содержания
дисциплин:
- Математика;
- Дискретная математика;
- Информатика;
- Электротехника и электроника.
Знания и умения, приобретаемые студентами после освоения
содержания дисциплины, будут использоваться при изучении дисциплин,
связанных с проектированием информационных систем:
- ЭВМ и периферийные устройства;
3.
4
Защита информации;
Технологии внутрисхеммного программирования;
Микропроцессорные системы;
Теория автоматов.
Знания и умения, полученные после освоения дисциплины, будут
использоваться также при прохождении учебной и производственной
практик, выполнении выпускной квалификационной работы.
-
4. Основная структура дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины составляет 4,5 ЗЕТ (162 учебных часа)
Вид учебной работы
Трудоемкость в часах
Всего
Курс
3
4
Общая трудоемкость дисциплины
162
36
126
Аудиторные занятия, в том числе:
18
2
16
лекции
6
2
4
лабораторные работы
12
12
практические/семинарские занятия
Самостоятельная работа ,
135
34
101
в том числе контрольная работа
Вид промежуточной аттестации
Экз.,9
Экз.,9
(итогового контроля по дисциплине), в
том числе курсовое проектирование
5. Содержание дисциплины
5.1. Перечень основных разделов и тем дисциплины
Тема 1. Введение. Основы цифровой техники. Параметры цифровых
микросхем. Уровни логического нуля и единицы. Входные и выходные токи
цифровых микросхем. Параметры, определяющие быстродействие цифровых
микросхем. Описание логической функции цифровых схем.
Тема 2. Основные логические функции и элементы.
Функция "НЕ", инвертор. Функция "И", логическое умножение. Функция
"ИЛИ", логическое сложение.
Тема 3. Основные схемотехнические решения цифровых схем.
Диодно-транзисторная логика (ДТЛ). Транзисторно-транзисторная логика
(ТТЛ). Логические уровни ТТЛ-микросхем. Семейства ТТЛ-микросхем.
Логика на комплементарных МОП-транзисторах (КМДП). Особенности
применения КМОП-микросхем. Логические уровни КМОП-микросхем.
Семейства КМОП-микросхем.
Тема 4. Согласование цифровых микросхем между собой.
Согласование цифровых микросхем из различных серий между собой.
Согласование микросхем по току. Согласование микросхем с различным
5
напряжением питания. Согласование 3- и 5-вольтовых ТТЛ-микросхем.
Согласование 3-вольтовых ТТЛ-микросхем и 2,5-вольтовых. КМОПмикросхем. Регенерация цифрового сигнала.
Тема 5. Арифметические основы цифровой техники.
Системы счисления. Десятичная система счисления. Двоичная система
счисления. Восьмеричная система счисления. Шестнадцатеричная система
счисления. Преобразование чисел из одной системы счисления в другую.
Преобразование целой части числа. Преобразование дробной части числа.
Тема 6. Комбинационные цифровые схемы.
Законы алгебры логики. Закон одинарных элементов. Законы отрицания.
Комбинационные законы. Построение цифровой схемы по произвольной
таблице истинности. Декодеры. Десятичный дешифратор. Семисегментный
дешифратор. Шифраторы. Мультиплексоры. Особенности построения
мультиплексоров
на
ТТЛ-элементах.
Особенности
построения
мультиплексоров на КМОП-элементах. Демультиплексоры.
Тема 7. Генераторы.
Усилительные параметры КМОП-инвертора. Осцилляторные схемы. Мультивибраторы. Особенности кварцевой стабилизации частоты генераторов.
Одновибраторы. Укорачивающие одновибраторы. Расширяющие одновибраторы. Применение одновибраторов.
Тема 8. Цифровые схемы последовательного типа.
Триггеры. RS-триггеры. Синхронные RS-триггеры. Статические D-триггеры.
Явление метастабильности. Динамические D-триггеры. Т-триггер. JKтриггер. Регистры. Параллельные регистры. Последовательные регистры.
Универсальные регистры. Счетчики. Двоичные суммирующие асинхронные
счетчики. Двоичные вычитающие асинхронные счетчики. Недвоичные
счетчики с обратной связью. Недвоичные счетчики с предварительной
связью. Синхронные счетчики. Синхронные счетчики на регистрах сдвига.
Синхронные двоичные счетчики.
Тема 9. Индикаторы.
Малогабаритные лампочки накаливания. Расчет транзисторного ключа.
Газоразрядные лампы. Светодиодные индикаторы. Схемы подключения
светодиодных индикаторов. Виды светодиодных индикаторов. Динамическая
индикация. Жидкокристаллические индикаторы. Принципы работы
жидкокристаллических индикаторов. Режимы работы жидкокристаллических
индикаторов.
Параметры
жидкокристаллических
индикаторов.
Формирование управляющего напряжения для жидкокристаллического
индикатора.
Тема 10. Разработка цифрового устройства на примере электронных
часов.
Разработка структурной схемы часов. Разработка принципиальной схемы
часов. Разработка схемы генератора эталонных интервалов времени.
Разработка схемы счетчика интервалов времени. Разработка принципиальной
6
схемы блока индикации. Разработка принципиальной схемы блока коррекции
времени.
Тема 11. Синхронные последовательные порты.
SSI-интерфейс (DSP-порт). SPI-порт. IIC-порт.
Тема 12. Синтезаторы частоты.
Схемы фазовой подстройки частоты. Схемы определения ошибки по частоте.
Цифровой фазовый детектор. Фазовый компаратор. Умножители частоты.
Частотные детекторы, построенные на основе ФАПЧ.
Тема 13. Аналоговая обработка сигналов.
Операционный усилитель. Основные параметры и характеристики ОУ.
Инвертирующий усилитель. Неинвертирующий усилитель. Разновидности
УУ на ОУ. Неинвертирующий сумматор. Аналоговым интегратор.
Аналоговый дифференциатор. Аналоговый компаратор.
Тема 14. Цифровая обработка сигналов.
Структурная схема цифрового устройства обработки сигнала. Особенности
аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования. Квантование
аналогового сигнала по времени. Погрешности дискретизатора. Погрешность
хранения. Погрешность выборки. Статическая передаточная функция АЦП и
ЦАП и погрешности по постоянному току.
Тема 15. Виды аналого-цифровых преобразователей.
Параллельные
АЦП.
Последовательно-параллельные
АЦП.
АЦП
последовательного приближения. Сигма-дельта-АЦП.
Тема 16. Основные блоки микросхем цифровой обработки сигналов.
Двоичные сумматоры. Цифровые умножители. Постоянные запоминающие
устройства. Масочное ПЗУ. Программируемые постоянные запоминающие
устройства. ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием. ПЗУ с электрическим
стиранием информации. Статические оперативные запоминающие
устройства (ОЗУ). Цифровые фильтры. Схемная реализация нерекурсивного
фильтра. Однородный цифровой фильтр.
Тема 17. Реализация передатчиков беспроводных сигналов в цифровом
виде.
Генераторы с цифровым управлением (NCO). Микросхемы прямого
цифрового синтеза (DDS). Квадратурные модуляторы (Up converter).
Интерполирующие цифровые фильтры. Интерполирующий фильтр с
конечной импульсной характеристикой.
Параллельная реализация
интерполирующего фильтра с конечной импульсной характеристикой.
Интерполирующий однородный фильтр.
Тема 18. Реализация приемников беспроводных сигналов в цифровом
виде
Цифровые преобразователи частоты. Цифровой квадратурный демодулятор.
Децимирующие фильтры. Децимирующий фильтр с конечной импульсной
характеристикой. Однородный децимирующий фильтр.
7
5.2 Краткое описание содержания теоретической части разделов и
тем дисциплины
Лекция 1. Установочная лекция.
Цифровые микросхемы первоначально разрабатывались для построения
электронно-вычислительных машин, получивших в дальнейшем название
компьютеры.
Параметры цифровых микросхем. Цифровые микросхемы или
микросборки, их элементы или компоненты обозначаются на
принципиальных схемах условно-графическим обозначением в соответствии
с ГОСТ 2.743-91. Условно-графическое обозначение микросхемы имеет
форму прямоугольника, к которому подводят линии выводов.
Уровни логического нуля и единицы. Состояния цифровых микросхем
могут быть описаны двумя цифрами: "0’ и "1". При этом состояние
микросхемы можно характеризовать различными параметрами. В качестве
логических состояний цифровых микросхем условились воспринимать
напряжение на их входе и выходе. При этом высокое напряжение считается
единицей, а низкое напряжение — нулем. В идеальном случае напряжение на
выходе микросхем должно быть равным напряжению питания или нулевым
потенциалом общего провода схемы.
Описание логической функции цифровых схем. В простейших цифровых
схемах выходные сигналы зависят только от входных сигналов, и не зависят
от их значений в предыдущие моменты времени. Такие цифровые устройства
получили название комбинационных цифровых устройств. Обычно такие
устройства описываются при помощи таблицы истинности.
Таблица истинности — это совокупность всех возможных комбинаций логических сигналов на входе цифрового устройства и значений выходных сигналов для каждой комбинации. Для того чтобы не пропустить ни одной комбинации входных сигналов, их обычно записывают в виде двоичного кода.
Основные логические функции и элементы. Функция "НЕ", инвертор.
Функция "И", логическое умножение. Функция "ИЛИ", логическое сложение.
Практически все цифровые устройства без памяти (комбинаторные устройства) могут быть построены на основе трех простейших логических элементов.
Все более сложные схемы реализуются из этих простейших логических элементов как из кубиков.
Функция "НЕ", инвертор. Простейшим логическим элементом является
инвертор, который просто изменяет значение входного сигнала на прямо
противоположное значение. Его функция записывается в следующем виде:
8
Функция "И", логическое умножение. Следующим простейшим
логическим элементом является схема, реализующая операцию логического
умножения " И":
В формуле, приведенной выше, использовано два аргумента. Поэтому
элемент, выполняющий эту функцию, имеет два входа. Такой элемент
обозначается "2И". Для элемента "2И" таблица истинности будет состоять из
четырех строк. Количество строк таблицы истинности можно определить по
формуле N = 2n, где N — это количество строк в таблице истинности, а п —
количество входов логического элемента. В нашем случае N = 22 = 4 .
Функция "ИЛИ", логическое сложение. Следующим простейшим
элементом является схема, реализующая операцию логического сложения
"ИЛИ":
В формуле, показанной выше, использовано два аргумента. Поэтому элемент,
выполняющий функцию логического сложения, имеет два входа. Такой
элемент обозначается "2ИЛИ".
Основные схемотехнические решения цифровых схем.
В настоящее время используется несколько технологий схемотехнического
построения логических элементов:
1. Диодно-транзисторная логика (ДТЛ).
2. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL).
3. Логика на основе комплементарных МОП-транзисторов (КМОП, СМОS).
4. Логика на основе сочетания комплементарных МОП и биполярных транзисторов (ВiСМОS).
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
Задачей контрольной работы является разработать на ПЛИС
операционный (решающий) модуль для вычислительной системы.
Общая схема вычислительной системы. На рисунке представлена общая
блок-схема вычислительной системы:
9
УСТРОЙСТВО
ОПЕРАЦИОННЫЙ
УСТРОЙСТВО
ВВОДА
(РЕШАЮЩИЙ)
ВЫВОДА
ДАННЫХ
МОДУЛЬ
ДАННЫХ
Операционный или решающий модуль преобразует данные,
поступающие из устройства ввода данных, и передает их для дальнейшего
использования в устройство вывода данных.
Устройством ввода данных может служить любое устройство
формирующее данные в формате пригодном для использования
Операционным модулем. Им могут быть: клавиатура, аналого-цифровой
преобразователь, модем линий связи. В нашем случае им является реальная
или
виртуальная Рис.клавиатура,
контроллерсистемы
управления
которой
15. Блок-схема вычислительной
разрабатывается студентами на лабораторных занятиях.
Устройством вывода данных может быть любой потребитель
информации, который либо непосредственно использует полученные от
операционного модуля данные, либо передает их для хранения или
дальнейшего преобразования. Устройствами вывода могут быть: принтер,
дисплей, цифро-аналоговый преобразователь и др. В нашем случае им
является реальный или виртуальный дисплей, контроллер управления
которым также разрабатывается студентами на лабораторных занятиях.
Задание на контрольную работу.
Цель работы – приобретение навыков работы в пакете Quartus II на
примере подготовки схемного проекта комбинационного устройства. В
качестве примера устройства используется операционный модуль для
приближенного вычисления значения функции путем разложения ее в
степенной ряд.
Задание
1. Подготовить проект встраиваемого в ПЛИС модуля для вычисления
заданной функции, (Варианты индивидуальных заданий).
2. Осуществить компиляцию проекта в применении к микросхеме
EP2C8Q208N8 семейства CYCLONE. Сформировать список цепей для
функционального моделирования.
3. Подготовить файл временных диаграмм для моделирования,
обеспечивающий демонстрацию 5-ти – 7-ми состояний операционного
модуля. Осуществить функциональное и временное моделирование
операционного модуля и произвести измерение максимальной временной
задержки установления выходного сигнала относительно фронтов изменения
входных сигналов.
4. Ознакомиться с данными отчета Quartus II об использованных в
проекте аппаратных ресурсах и назначении выводов микросхемы.
10
Методические указания
1. Вычисления дробных чисел заменить целочисленной арифметикой,
для чего увеличить все входные данные в 10000 раз.
2. Входные и выходные данные представлять как десятичные числа с
фиксированной запятой.
Содержание отчета о работе. Отчет должен содержать заголовочную
часть с названием работы, фамилиями и именами исполнителей, номером
учебной группы, датой выполнения работы. В содержательную часть
необходимо включить: блок-схему алгоритма вычисления функции,
модульную схему верхнего уровня проекта; схему операционного модуля;
схемы отдельных субмодулей; результаты моделирования работы
операционного модуля и всех субмодулей; словесное описание всех схем и
результатов моделирования их работы; список назначения всех выводов
микросхемы.
Вопросы для защиты
1. Основные классы электронных приборов, предназначенных для
разработки цифровых устройств. Особенности различных классов.
2. Особенности архитектур ПЛИС (CPLD, FPGA, SOPC).
3. Архитектура макроячейки CPLD на примере MAX3000A.
4. Последовательность операций разработки устройства на основе
схемного способа ввода функционально-логического описания.
5. Примитивы логических функций САПР Quartus II (названия,
условные обозначения, отечественные обозначения, функционирование).
6. Примитивы выводов
САПР Quartus II (названия, условные
обозначения, назначение, особенности применения).
Варианты индивидуальных заданий
Номер варианта контрольной работы определяется по формуле:
N =НЗК mod 20, где N – номер варианта, НЗК – номер зачетной книжки.
ВАРИАНТ ФУНКЦИЯ
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
SIN(X) = X – X3/3! + X5/5
COS(X) = 1 – X2/2! + X4/4! – X6/6!
EX = 1 + X/1! + X2/2! + X3/3!
SEC(X) = 1 + X2/2 + 5*X4/24 + 61*X6/7
TG(X) = X + X3/3 + 2*X5/15
LN(X) = (X – 1) – (X – 1)2/2 + (X – 1)3/3
LN(1 + X) = X – X2/2 + X3/3
LN(1 – X) = – X – X2/2 – X3/3
(1 + X)-2 = 1 – 2*X + 3*X2 – 4*X3
(1 – X)-2 = 1 + 2*X +3*X2 + 4*X3
(1 + X)-3/2 = 1 – 3*X/2 + 3*5*X2/8 – 3*5*7*X3/48
(1 – X)-3/2 = 1 + 3*X/2 + 3*5*X2/8 + 3*5*7*X3/48
(1 + X)-1/2 = 1 – X/2 + 3*X2/8 – 3*5*X3/48
(1 – X)-1/2 = 1 + X/2 + 3*X2/8 + 3*5*X3/48
11
14
15
16
17
18
19
(1 + X )1/2 = 1 + X/2 – X2/8 + 3*X3/48
(1 – X )1/2 = 1 – X/2 – X2/8 – 3*X3/48
(COS(X)) = – X2/2 – X4/12 – X6/45
ARTG(X) = X + X3/3 + X5/5
ARCSIN(X) = X + X3/6 + 3*X5/40
TH(X) = X – X3/3 + 2*X5/15
Лекция 2. Арифметические основы цифровой техники.
В цифровых устройствах приходится иметь дело с обработкой различных видов информации. Это может быть в чистом виде двоичная информация, такая
как включен прибор или выключен, исправно устройство или нет. Полезная
информация может быть представлена в виде текстов, и тогда приходится
буквы алфавита, цифры и вспомогательные символы кодировать при помощи
двоичного представления. Достаточно часто полезная информация может
представлять собой числа. Числа могут быть представлены в различных системах счисления. Форма записи чисел в них существенно различается между
собой, поэтому, прежде чем перейти к особенностям представления чисел в
цифровой технике, рассмотрим их запись в различных системах счисления.
Системы счисления/ Начнем с определения системы/счисления. Система
счисления — это совокупность правил записи чисел цифровыми знаками.
Системы счисления бывают позиционные и непозиционные. В настоящее
время и в технике, и в быту широко используются как позиционные, так и
непозиционные системы счисления. Сначала рассмотрим примеры
непозиционных систем счисления.
Однако чем большее число требуется представить в такой системе
счисления, тем большее количество цифр необходимо для этого.
Позиционные системы счисления были придуманы относительно
недавно для того, чтобы сэкономить количество цифр,
используемое для записи больших чисел.
Значение цифры в позиционной системе счисления зависит от ее
позиции в записываемом числе. В позиционной системе счисления
выделяются два очень важных понятия — основание системы
счисления и вес цифры. Дело в том, что в позиционной системе
счисления число представляется в виде формулы разложения:
где р — основание системы счисления;
рi — вес единицы данного разряда;
аi — цифры, разрешенные в данной системе счисления,
При этом количество цифр в системе счисления зависит от ее основания — р.
Количество цифр равно основанию системы счисления. В двоичной системе
12
счисления используются две цифры, в десятичной — десять, а в шестнадцатеричной — шестнадцать цифр. Число в любой позиционной системе счисления записывается в виде последовательности цифр, без уточнения веса разрядов:
где ai— цифры данной системы счисления, а цифра, соответствующая единицам, определяется по положению десятичной запятой (или десятичной
точки в англоязычных странах). Каждая цифра, использованная в записи числа, называется разрядом.
Десятичная система счисления/ Основание этой системы счисления (р)
равно десяти. В этой системе счисления используется десять цифр. В
настоящее время для обозначения этих цифр используются символы 0, 1,2, 3,
4, 5, 6, 7, 8, 9. Число в десятичной системе счисления записывается как сумма
единиц, десятков, сотен, тысяч и т. д. То есть веса соседних разрядов
различаются в десять раз. Точно так же записываются и числа, меньшие
единицы. В этом случае разряды числа будут называться как десятые, сотые
или тысячные доли единицы.
Рассмотрим пример записи десятичного числа. Для того чтобы показать, что
в примере используется именно десятичная система счисления, применяем
индекс 10. Если же кроме десятичной формы записи чисел не предполагается
использования никакой другой, то индекс обычно не применяется:
В приведенной записи самый старший разряд числа называется сотнями. В
данном примере сотням соответствует цифра 2. Следующий разряд называется десятками. В рассмотренном примере десяткам соответствует цифра14.
Следующий разряд называется единицами, и в рассматриваемом примере
единицам соответствует цифра?, десятым долям единицы соответствует
цифра 5, а сотым — 6.
Двоичная система счисления/ Основание этой системы счисления (/>)
равно двум. В этой системе счисления используется всего две цифры. Чтобы
не выдумывать новых символов для обозначения цифр, в двоичной системе
счисления были использованы символы десятичных цифр 0 и 1. Для того
чтобы не спутать систему счисления, в записи двоичного числа используется
индекс 2. Если же кроме двоичной формы записи чисел не предполагается
использования никакой другой, то этот индекс можно опустить.
Число в двоичной системе счисления записывается как сумма единиц, двоек,
четверок, восьмерок и т. д. Это означает, что веса соседних разрядов различаются ровно в два раза. Точно так же записываются и числа, меньшие единицы. В этом случае разряды числа будут называться как половины, четверти
или восьмые доли единицы.
Рассмотрим пример записи двоичного числа:
13
Недостатком двоичной системы счисления можно считать большое количество разрядов, требующихся для записи чисел. В качестве преимущества этой
системы счисления можно назвать простоту
выполнения арифметических действий. Приведем
правила операций сложения и умножения в
двоичной системе счисления:
Восьмеричная система счисления. Основание этой
системы счисления (р) равно восьми. Восьмеричную систему счисления
можно рассматривать как более короткий вариант записи двоичных чисел, т.
к. число восемь является степенью числа два. В восьмеричной системе
счисления используется восемь цифр. Чтобы не вводить новых символов для
обозначения цифр, в восьмеричной системе счисления используются
символы десятичных цифр 0, 1,2, 3, 4, 5, 6 и 7. Для того чтобы не спутать
систему счисления, в записи восьмеричного числа используется индекс 8.
Если же кроме восьмеричной формы записи чисел не предполагается
использования никакой другой, то этот индекс обычно опускается.
Число в этой системе счисления записывается как сумма единиц, восьмерок
и т. д. То есть веса соседних разрядов различаются в восемь раз. Точно так
же записываются и числа, меньшие единицы. В этом случае разряды числа
будут называться как восьмые, шестьдесят четвертые (и т. д.) доли единицы.
Рассмотрим пример записи восьмеричного числа:
Во второй строке приведенного примера фактически осуществлен перевод
числа, записанного в восьмеричной форме в десятичное представление того
же самого числа. На приведенных примерах мы фактически рассмотрели
один из способов преобразования чисел из одной формы представления в
другую.
Шестнадцатеричная система счисления
Основание системы счисления (р) равно шестнадцати. В ней используется
шестнадцать цифр. Эту систему счисления можно считать еще одним вариантом записи двоичного числа. В ней уже не хватает десяти цифр, поэтому дополнительно были введены шесть символов. Для обозначения этих цифр используются шесть первых букв латинского алфавита. При записи шестнадцатеричного числа неважно, буквы верхнего или нижнего регистра будут
использоваться в качестве .цифр. Таким образом, в качестве цифр в шест
надцатеричной системе используются следующие символы 0, 1,2, 3, 4, 5, 6, 7,
8, 9, А, В, С, D, E, F.
Рассмотрим пример записи шестнадцатеричного числа:
14
Преобразование чисел из одной системы счисления в другую. При
проектировании цифровых устройств достаточно часто требуется уметь
переводить число из одной системы счисления в другую. Давайте научимся
выполнять такие действия. Преобразование целых чисел и правильных дробей выполняется по разным правилам. В действительном чидле преобразование целой и дробной части производят по отдельности.
Преобразование целой части числа. Для преобразования целочисленного
значения необходимо исходное число разделить на основание новой системы
счисления до получения целого остатка, который является младшим
разрядом числа в новой системе счисления (единицы). Полученное частное
снова делим на основание системы, и так до тех пор, пока частное не станет
меньше основания новой системы счисления. Все операции выполняются в
исходной системе счисления.
Рассмотрим для примера перевод числа из десятичной системы счисления в
двоичную. Возьмем десятичное число А10 = 124 и поделим его на основание
двоичной системы, т. е. на число 2.
Деление будем производить "уголком",
как показано на рисунке. В результате
первого деления получим разряд единиц
(самый младший разряд). В результате
второго деления получим разряд двоек.
Деление продолжаем, пока результат
деления больше двух. В конце операции
преобразования
получили
двоичное
число 11111002:
Преобразование дробной части числа. Так как дробная часть числа меньше
единицы, то ее преобразование выполняется умножением исходного числа на
основание новой системы счисления. Целая часть результата умножения
будет старшим разрядом числа в новой системе счисления. Дробную часть
произведения снова умножают на основание системы счисления. Операция
умножения выполняется до достижения требуемой точности результата. Все
операции выполняют по правилам исходной системы счисления.
Лекция 3. Цифровые схемы последовательностного типа.
Последовательностные устройства — это цифровые устройства с
памятью. В них выходной сигнал определяется не только текущим
состоянием входа, но и рядом предыдущих значений. Обычно в состав
последовательностных устройств входят комбинационные устройства и
запоминающие ячейки.
15
Простейшее последовательностное устройство — это триггер. Его особенностью является способность бесконечно долго находиться в одном из двух
устойчивых состояний. Приняв одно состояние за ноль, другое за единицу,
можно считать, что триггер хранит один бит информации.
Триггеры
Триггеры предназначены для запоминания двоичной информации. Использование триггеров позволяет реализовывать устройства оперативной памяти (т.
е. памяти, информация в которой хранится только на время вычислений).
Однако триггеры могут использоваться и для построения некоторых цифровых устройств с памятью, таких как счетчики, преобразователи последовательного кода в параллельный или цифровые линии задержки.
Триггер может находиться только в двух устойчивых состояниях— на
выходе Q присутствует логическая единица и на выходе Q присутствует
логический ноль. Если логическая единица присутствует на выходе Q, то на
инверсном выходе появится логический ноль, который после очередного инвертирования подтверждает уровень логической единицы на выходе Q. И наоборот, если на выходе Q присутствует логический ноль, то на инверсном
выходе будет присутствовать логическая единица.
RS-триггеры
RS-триггер получил название по имени своих входов. Вход S (от англ. Set
установить) позволяет устанавливать выход триггера Q в единичное состояние. Вход R (от англ. Reset — сбросить) позволяет сбрасывать выход
триггера Q (от англ. Quit — выход) в нулевое состояние.
Для реализации RS-триггера воспользуемся логическими элементами
"2И-НЕ". Его принципиальная схема приведена на рисунке.
Синхронные RS-триггеры
Схема RS-триггера позволяет запоминать состояние логической схемы, но т.
к. при изменении входных сигналов может возникать переходный процесс, то
запоминать состояния логической схемы нужно строго в определенные
моменты времени, когда все переходные процессы закончены, и сигнал на
выходе комбинационной схемы соответствует выполняемой ею функции.
16
Триггеры, запоминающие входные сигналы только в момент времени,
определяемый сигналом синхронизации, называются синхронными. Для того
чтобы отличать от них рассмотренные ранее варианты: RS-триггер и триггер
Шмитта получили название асинхронных.
Формирование синхронизирующих сигналов с различной частотой и
скважностью при помощи генераторов и одновибраторов было рассмотрено
ранее. Теперь покажем, как управлять
работой триггеров с помощью разрешающих
(синхронизирующих) сигналов. Для этого нам
потребуется схема, пропускающая входные
сигналы только при наличии синхронизирующего сигнала. Такую схему мы уже
использовали
при
построении
схем
мультиплексоров и демультиплексоров. Это логический элемент "2И". Принципиальная схема синхронного RS-триггера, построенного на элементах "2ИНЕ", приведена на рисунке.
Динамические D-триггеры
Фронт сигнала синхронизации, в отличие от высокого (или низкого) потенциала, не может длиться продолжительное время. В идеале длительность
фронта равна нулю, поэтому в триггере, запоминающем входную информацию по фронту, не нужно предъявлять требования к длительности тактового
сигнала. Триггер, запоминающий входную информацию по фронту
синхронизирующего сигнала, может быть построен из двух триггеров,
работающих по потенциалу, сигнал синхронизации будем подавать на эти
триггеры в противофазе. Для формирования такого синхронизирующего
сигнала
воспользуемся
инвертором.
Триггеры,
соединенные
по
вышеуказанной схеме, называются двухтактными. Принципиальная схема
двухтактного триггера приведена на рисунке.
Т-триггер
Т-триггер — это счетный триггер, у которого имеется только один вход.
После поступления на этот вход одиночного импульса состояние Т-триггера
меняется на прямо противоположное. Т-триггеры строятся только на базе
двухступенчатых триггеров, подобных рассмотренному ранее D-триггеру.
Использование двух триггеров позволяет избежать самовозбуждения схемы,
т. к. счетные триггеры строятся при помощи схем с обратной связью.
Т-триггер можно синтезировать из любого двухступенчатого триггера.
Рассмотрим пример синтеза Т-триггера из динамического D-триггера. Для
17
того чтобы превратить D-триггер в счетный Т-триггер, необходимо ввести
цепь обратной связи с инверсного выхода Q-триггера на его вход данных D,
как это показано на рисунке.
JK-триггер
Прежде чем начать изучение JK-триггера, вспомним принципы работы RSтриггера. Напомним, что в этом триггере есть запрещенные комбинации
входных сигналов. Одновременная подача единичных сигналов на вход сброса R и вход установки единицы S RS-триггера запрещена. В JK-триггере этот
недостаток устранен.
Таблица .истинности RS-триггера практически совпадает с таблицей
истинности синхронного RS-триггера. Для того чтобы исключить
запрещенное состояние, схема триггера изменена таким образом, что при
подаче двух единиц JK-триггер превращается в счетный триггер. Это
означает, что при подаче на тактовый вход С импульсов JK-триггер изменяет
свое состояние на противоположное.
Регистры
Регистром в цифровой технике называется последовательное или параллельное соединение нескольких триггеров. Регистры обычно строятся на основе
D-триггеров. При этом для построения регистров могут использоваться как
динамические, так и статические D-триггеры (триггеры-защелки). Количество триггеров в составе регистра определяет его разрядность. В качестве отдельных микросхем обычно используются четырех- или восьмиразрядные
триггеры.
Параллельные регистры
Название параллельного регистра связано с тем, что входы и выходы всех
триггеров в этой схеме используются независимо. Входы синхронизации
всех триггеров соединены параллельно. Это приводит к тому, что
информация в них записывается одновременно. Параллельный регистр
используется для одновременного запоминания многоразрядных двоичных
(или недвоичных) чисел (ведь не будем же мы записывать отдельные разряды
одного и того же числа в различные моменты времени).
18
Количество триггеров, входящих в состав параллельного регистра,
определяет его разрядность. Принципиальная схема четырехразрядного
параллельного регистра приведена на рисунке. В условно-графическом
обозначении параллельного регистра возле каждого входа D указывается
степень двоичного разряда, который должен быть запомнен в этом триггере
(разряде) регистра. Точно таким же образом обозначаются и выходы
регистра. То, что микросхема является регистром, указывается в центральном
поле условно-графического обозначения символами RG.
При записи информации в параллельный регистр все биты (двоичные
разряды) должны быть записаны одновременно. Поэтому все тактовые входы
триггеров, входящих в состав регистра, объединяются параллельно. В схеме
параллельного регистра для уменьшения входного тока вывода синхронизации С на этом входе применяется усилитель. В качестве подобного усилителя
обычно используется логический инвертор.
Последовательные регистры
Кроме параллельного соединения триггеров для построения регистров используется последовательное соединение этих элементов. Схемы, в которых
триггеры соединены последовательно, называются последовательными регистрами.
19
Последовательный регистр (регистр сдвига) обычно служит для
преобразования последовательного кода в параллельный, и наоборот.
Применение последовательного кода связано с необходимостью передачи
большого количества двоичной информации по ограниченному количеству
соединительных линий. При параллельной передаче разрядов требуется
большое количество соединительных проводников. Если двоичные разряды
последовательно бит за битом передавать по одному проводнику, то можно
значительно сократить размеры соединительных линий на плате (и размеры
корпусов микросхем).
Принципиальная схема последовательного регистра, собранного на основе
двухступенчатых D-триггеров, и позволяющего осуществить преобразование
последовательного кода в параллельный, приведена на рисунке.
Счетчики
Счетчики используются для построения таймеров или для выборки инструкций из ПЗУ в микропроцессорах. Они могут использоваться как делители
частоты в управляемых генераторах частоты (синтезаторах). При использовании в цепи ФАПЧ счетчики могут быть использованы для умножения частоты как в синтезаторах опорных частот, так и в микропроцессорах. С их помощью можно формировать импульсы строго определенной длительности.
Двоичные суммирующие асинхронные счетчики
Простейший вид счетчика — двоичный, может быть построен на основе Т20
триггера. Для реализации Т-триггера в двоичном счетчике воспользуемся
универсальным D-триггером с обратной связью, как это мы рассматривали в
предыдущих разделах и как это показано на рисунке.
Схема счетчика, позволяющего посчитать любое количество импульсов,
меньшее шестнадцати, приведена на рисунке. Количество поступивших на
вход импульсов можно узнать, подключившись к выходам счетчика Q0 ... QЗ.
Эти сигналы можно рассматривать как двоичное число, которое можно в
дальнейшем обрабатывать по правилам двоичной арифметики.
Двоичные вычитающие асинхронные счетчики
Счетчики при поступлении на счетный вход импульсов могут не только увеличивать свое внутреннее состояние на единицу, но и уменьшать его. Такие
счетчики получили название вычитающих счетчиков. Для реализации вычитающего счетчика достаточно, чтобы Т-триггер изменял свое состояние по
нарастающему фронту входного сигнала.
Изменить рабочий фронт входного сигнала можно инвертированием
этого сигнала. В схеме, приведенной на рисунке, для реализации
вычитающего счетчика сигнал на входы последующих триггеров подается с
инверсных выходов предыдущих триггеров. Для инвертирования сигнала на
входе всей схемы применен отдельный инвертор.
Недвоичные счетчики с обратной связью
Если проанализировать временные диаграммы сигналов на выходах двоичного счетчика, приведенные на рисунке, то можно увидеть, что частота
сигналов на выходах двоичного счетчика будет уменьшаться в два раза по
отношению к предыдущему выходу. Это позволяет использовать двоичные
счетчики в качестве цифровых делителей частоты входного сигнала.
Недвоичные счетчики с предварительной связью
В счетчиках с обратной связью исключаются последние состояния двоичного
счетчика. Можно поступить по-другому. Начать с последнего состояния
счетчика и, воспользовавшись вычитающим счетчиком, определить нулевое
состояние счетчика. Это состояние очень просто можно обнаружить при помощи логического элемента "И". В данной схеме начинать счет необходимо с
числа, которое будет определять коэффициент деления делителя, построенного на таком счетчике.
Синхронные счетчики
В рассмотренных схемах делителей частоты быстродействие всей схемы определяется временем распространения сигнала от входа счетчика до выхода
его самого старшего разряда. При этом получается, что чем больше требуемый коэффициент деления, тем больше двоичных разрядов счетчика необходимо для реализации делителя частоты. И тем большее время требуется для
21
распространения сигнала от входа синхронизации счетчика до его выхода, а
затем до его входа сброса в исходное состояние или до входа предварительной записи кода. И тем меньше будет предельная частота сигнала, подаваемого на вход разработанного делителя.
Синхронные счетчики на регистрах сдвига
Первая схема счетчика, построенного по данному принципу, которую
мы рассмотрим, — это схема кольцевого счетчика. Такой счетчик можно
реализовать на основе сдвигового регистра. Схема кольцевого синхронного
счетчика приведена на рисунке.
Синхронные двоичные счетчики
Основным недостатком делителей, построенных на кольцевых счетчиках,
является малый коэффициент деления. Двоичные счетчики в этом смысле
более эффективны. Попробуем разработать синхронный счетчик, работающий по двоичному закону. Для этого обратим внимание, что переключение
следующего разряда двоичного счетчика происходит только тогда, когда состояние всех предыдущих его разрядов равно единицам. Это состояние может быть легко определено при помощи логического элемента "И". Принципиальная схема одного из вариантов реализации четырехразрядного синхронного двоичного счетчика, построенного по этому принципу, приведена
на рисунке.
5.3
5.3. Краткое описание лабораторных работ
5.3.1. Перечень рекомендуемых лабораторных работ
1. Разработка и исследование работы комбинационных схем.
2. Разработка и исследование работы схем последовательной логики.
22
3. Разработка и исследование работы кодирующих и декодирующих
устройств.
5.3.2. Методические указания по выполнению лабораторных работ
Лабораторная работа №1. Разработка и исследование работы комбинационных схем.
Цель работы:
 изучение пакета программ САПР Quartus II для разработки проектов
цифровых устройств на ПЛИС;
 приобретение навыков аппаратной реализации комбинационных схем,
заданных логическим уравнением.
Краткие сведения из теории:
Комбинационными цифровыми схемами называют схемы, выходные сигналы
которых зависят только от сигналов, поданных на их входы в данный
момент, и не зависят от состояния схемы в предыдущий момент времени. К
комбинационным схемам обычно относят такие микросхемы, как
дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры и демультиплексоры.
Законы алгебры логики. Законы алгебры логики базируются на аксиомах и
позволяют преобразовывать логические функции. Логические функции
преобразуются с целью их упрощения, что приводит к упрощению схемы
цифрового устройства.
Аксиомы алгебры логики описывают действие логических функций "И" и
"ИЛИ" и записываются следующими выражениями:
В данных выражениях знак ―*‖ используется для обозначения операции логического умножения, а знак ―+‖ — для обозначения операции логического
суммирования. Эти же функции могут быть описаны при помощи таблиц истинности.
Всего при разработке цифровых комбинационных устройств используется
пять законов алгебры логики.
Закон одинарных элементов. Этот закон непосредственно следует из
приведенных выше выражений аксиом алгебры логики (таблицы истинности
логических элементов). Верхние два выражения могут быть полезны при
построении коммутаторов, ведь подавая на один из входов элемента "2И"
логический ноль или единицу можно либо пропускать сигнал на выход, либо
формировать на выходе нулевой потенциал.
23
Второй вариант использования этих выражений заключается в возможности
избирательного обнуления определенных разрядов многоразрядного числа.
При поразрядном применении операции "И" можно либо оставлять прежнее
значение разряда, либо обнулять его, подавая на соответствующие разряды
единичный или нулевой потенциал. Например, в
восьмиразрядном двоичном числе требуется обнулить 6, 3
и 1 разряды. Тогда, при выполнении операции
поразрядного логического умножения, получим:
Законы отрицания. Существуют следующие законы отрицания:
 закон дополнительных элементов:
 двойное отрицание:
Выражения, примененные в этих законах, широко используются для минимизации логических схем. Если удается выделить из общего выражения логической функции цифрового комбинационного устройства такие подвыражения,
то можно сократить необходимое количество входов логических элементов в
составе цифровой схемы, а иногда и вообще свести все выражение к логической константе.
 закон отрицательной логики:
Закон отрицательной логики справедлив для любого числа переменных. Этот
закон позволяет реализовывать логическую функцию "И" при помощи логических элементов "ИЛИ" и наоборот: реализовывать логическую функцию
"ИЛИ" при помощи логических элементов "И".
Комбинационные законы. При применении комбинационных законов
можно значительно упростить логическое выражение, описывающее
цифровую схему и, тем самым, упростить ее принципиальную схему. Это
позволяет сократить занимаемую цифровой схемой площадь на кристалле и
потребляемый ею ток. Комбинационные законы алгебры логики во многом
соответствуют комбинационным законам обычной алгебры, но есть и
отличия.
24
Построение цифровой схемы по произвольной таблице истинности.
Любая логическая схема без памяти полностью описывается таблицей истинности. При этом не обязательно, чтобы все комбинации входных сигналов
были полезными. Возможна ситуация, когда только часть комбинаций входных сигналов является полезной. В этом случае выходные сигналы для оставшихся комбинаций входных сигналов могут быть доопределены произвольно. Обычно при этом стараются выбирать выходные сигналы таким образом, чтобы принципиальная схема цифрового устройства получилась
простейшей. Для реализации логических схем с произвольной таблицей
истинности используется сочетание простейших логических элементов "И",
"ИЛИ", "НЕ". Существует два способа синтеза цифровых схем, реализующих
произвольную
таблицу
истинности.
Это
СКНФ
(Совершенная
Конъюнктивная Нормальная Форма— логическое произведение сумм
входных сигналов) и СДНФ (Совершенная Дизъюнктивная Нормальная
Форма— сумма логических произведений входных сигналов). При
построении схемы, реализующей произвольную таблицу истинности, каждый
выход анализируется (и строится схема) отдельно.
Примеры индивидуальных заданий:
1.
Y=(A*B*C+#A*B*#D)(C+A*D)
2.
Y=A*B+D+C*(A*#D+A*B)
3.
Y=#A*C+#B*D*(A(B*C))
4.
Y=A*B*C*D+(A*B+C*#D)
5.
Y=(A+A*#B*#D+A*B*(CD))+B
6.
Y=A*(A*#B+B*C+B*(A+D))+D*C
7.
Y=A*B+B+C+D*(A*#B+B*C*A)
8.
Y=A*B*#C+A*D+B*(AD)
9.
Y=(A+B+C)*#D+A*B*C*D
10. Y=A(B+C)+(A*B*#C+A*B)*D
11. Y=(A+A*B+A*B*D)(A*B+C*D)
12. Y=(A+B+C)*D+(B+D+A*C)
13. Y=#A*B*#C+#A*B*C+A*B*C+A*B*D*C
14. Y=#A*B*C+#A*B*C+A*D*C+A*#B*D*C
15. Y=#A*B*D+A*B*C+A*B*C+A*B*#D*C
16. Y=A*B*C*D+#A*#B*#C*#D+A*#B*#C*D
17. Y=(A+#B)*D+(A+#C)*(A+B+C+D)+AD
18. Y=A*#B+#A*B+D*(A+B+C+#D)
19. Y=#(A*B)+(A+B*#C*#D)*B+(AC)
20. Y=A*B+A*(B*C*D+C*#B+C*D)
21. Y=B*D+B*C*D+(B+D*C)*A
22. Y=(A+B+C)*D+(A+#B+#C)*(A+D)
23. Y=#A*#B*C*D+A*B*#C*#D+A*#B*C*D
24. Y=A*#(A+B+C)+D+A*(C*D+B)
Порядок выполнения:
1. В пространстве ПЛИС лабораторного стенда реализовать заданную схему
25
с помощью библиотечных примитивов.
2. Построить Таблицу истинности для заданной функции устройства методом
моделирования, подав в качестве входных сигналов последовательности
прямоугольных импульсов с кратными частотами.
3. На основе полученной Таблицы истинности реализовать заданную
функцию с помощью мультиплексора.
4. В пространстве ПЛИС лабораторного стенда построить схему
обеспечивающую демонстрацию работы цифрового устройства.
Лабораторная работа №2. Разработка и исследование работы схем
последовательной логики.
Цель работы:
 усвоение основ формирование криптографических ключей,
 приобретение навыков аппаратной реализации устройств, использующих
последовательные методы преобразования данных.
Краткие сведения из теории:
Последовательностные устройства — это цифровые устройства с
памятью. В них выходной сигнал определяется не только текущим
состоянием входа, но и рядом предыдущих значений. Обычно в состав
последовательных устройств входят комбинационные устройства и
запоминающие ячейки.
Простейшее последовательностное устройство — это триггер. Его особенностью является способность бесконечно долго находиться в одном из двух
устойчивых состояний. Приняв одно состояние за ноль, другое за единицу,
можно считать, что триггер хранит один бит информации.
Триггеры
Триггеры предназначены для запоминания двоичной информации. Использование триггеров позволяет реализовывать устройства оперативной памяти (т.
е. памяти, информация в которой хранится только на время вычислений).
Однако триггеры могут использоваться и для построения некоторых цифровых устройств с памятью, таких как счетчики, преобразователи последовательного кода в параллельный или цифровые линии задержки.
Триггер может находиться только в двух устойчивых состояниях— на
выходе Q присутствует логическая единица и на выходе Q присутствует
логический ноль. Если логическая единица присутствует на выходе Q, то на
инверсном выходе появится логический ноль, который после очередного инвертирования подтверждает уровень логической единицы на выходе Q. И наоборот, если на выходе Q присутствует логический ноль, то на инверсном
26
выходе будет присутствовать логическая единица.
Регистры
Регистром в цифровой технике называется последовательное или параллельное соединение нескольких триггеров. Регистры обычно строятся на основе
D-триггеров. При этом для построения регистров могут использоваться как
динамические, так и статические D-триггеры (триггеры-защелки). Количество триггеров в составе регистра определяет его разрядность. В качестве отдельных микросхем обычно используются четырех- или восьмиразрядные
триггеры.
Параллельные регистры
Название параллельного регистра связано с тем, что входы и выходы всех
триггеров в этой схеме используются независимо. Входы синхронизации
всех триггеров соединены параллельно. Это приводит к тому, что
информация в них записывается одновременно. Параллельный регистр
используется для одновременного запоминания многоразрядных двоичных
(или недвоичных) чисел (ведь не будем же мы записывать отдельные разряды
одного и того же числа в различные моменты времени).
Количество триггеров, входящих в состав параллельного регистра,
определяет его разрядность. Принципиальная схема четырехразрядного
параллельного регистра приведена на рисунке. В условно-графическом
обозначении параллельного регистра возле каждого входа D указывается
степень двоичного разряда, который должен быть запомнен в этом триггере
(разряде) регистра. Точно таким же образом обозначаются и выходы
регистра. То, что микросхема является регистром, указывается в центральном
поле условно-графического обозначения символами RG.
При записи информации в параллельный регистр все биты (двоичные
разряды) должны быть записаны одновременно. Поэтому все тактовые входы
триггеров, входящих в состав регистра, объединяются параллельно. В схеме
параллельного регистра для уменьшения входного тока вывода синхронизации С на этом входе применяется усилитель. В качестве подобного усилителя
обычно используется логический инвертор.
Последовательные регистры
Кроме параллельного соединения триггеров для построения регистров используется последовательное соединение этих элементов. Схемы, в которых
триггеры соединены последовательно, называются последовательными регистрами.
Последовательный регистр (регистр сдвига) обычно служит для
преобразования последовательного кода в параллельный, и наоборот.
Применение последовательного кода связано с необходимостью передачи
большого количества двоичной информации по ограниченному количеству
соединительных линий. При параллельной передаче разрядов требуется
большое количество соединительных проводников. Если двоичные разряды
последовательно бит за битом передавать по одному проводнику, то можно
значительно сократить размеры соединительных линий на плате (и размеры
27
корпусов микросхем).
Счетчики
Счетчики используются для построения таймеров или для выборки инструкций из ПЗУ в микропроцессорах. Они могут использоваться как делители
частоты в управляемых генераторах частоты (синтезаторах). При использовании в цепи ФАПЧ счетчики могут быть использованы для умножения частоты как в синтезаторах опорных частот, так и в микропроцессорах. С их помощью можно формировать импульсы строго определенной длительности.
Двоичные суммирующие асинхронные счетчики
Простейший вид счетчика — двоичный, может быть построен на основе Ттриггера. Для реализации Т-триггера в двоичном счетчике воспользуемся
универсальным D-триггером с обратной связью, как это мы рассматривали в
предыдущих разделах и как это показано на рисунке.
Схема счетчика, позволяющего посчитать любое количество импульсов,
меньшее шестнадцати, приведена на рисунке. Количество поступивших на
вход импульсов можно узнать, подключившись к выходам счетчика Q0 ... QЗ.
Эти сигналы можно рассматривать как двоичное число, которое можно в
дальнейшем обрабатывать по правилам двоичной арифметики.
Двоичные вычитающие асинхронные счетчики
Счетчики при поступлении на счетный вход импульсов могут не только увеличивать свое внутреннее состояние на единицу, но и уменьшать его. Такие
счетчики получили название вычитающих счетчиков. Для реализации вычитающего счетчика достаточно, чтобы Т-триггер изменял свое состояние по
нарастающему фронту входного сигнала.
28
Изменить рабочий фронт входного сигнала можно инвертированием
этого сигнала. В схеме, приведенной на рисунке, для реализации
вычитающего счетчика сигнал на входы последующих триггеров подается с
инверсных выходов предыдущих триггеров. Для инвертирования сигнала на
входе всей схемы применен отдельный инвертор.
Синхронные счетчики
В рассмотренных схемах делителей частоты быстродействие всей схемы определяется временем распространения сигнала от входа счетчика до выхода
его самого старшего разряда. При этом получается, что чем больше требуемый коэффициент деления, тем больше двоичных разрядов счетчика необходимо для реализации делителя частоты. И тем большее время требуется для
распространения сигнала от входа синхронизации счетчика до его выхода, а
затем до его входа сброса в исходное состояние или до входа предварительной записи кода. И тем меньше будет предельная частота сигнала, подаваемого на вход разработанного делителя.
Примеры индивидуальных заданий:
1.
Построить и исследовать работу счетчика Джонсона;
2.
Построить и исследовать работу асинхронного счетчика с заданным
коэффициентом пересчета;
3.
Построить и исследовать работу синхронного счетчика заданной
разрядности.
Порядок выполнения:
1. Реализовать заданную структуру в графическом редакторе с помощью
визуальных компонентов.
2. Выполнить отладку и исследовать работу устройства методом временного
моделирования.
3. Разработать параметризированный модуль счетчика.
4. В пространстве ПЛИС лабораторного стенда построить схему
обеспечивающую демонстрацию работы счетчика.
Лабораторная работа №3. Разработка и исследование работы кодирующих
и декодирующих устройств.
Цель работы:
 изучение принципа работы кодирующих и декодирующих устройств,
 приобретение
навыков
аппаратной
реализации
устройств,
осуществляющих перекодирование представления данных.
Краткие сведения из теории:
Декодеры (дешифраторы) позволяют преобразовывать одни виды бинарных
кодов в другие. Например, преобразовывать позиционный двоичный код в
линейный восьмеричный или шестнадцатеричный код. Преобразование бинарных кодов производится по правилам, описываемым в таблицах истинности, поэтому построение принципиальных схем дешифраторов не представляет трудностей. Для построения схемы дешифратора можно воспользовать29
ся правилами построения схемы для произвольной таблицы истинности,
которые были рассмотрены ранее.
Десятичный дешифратор
Рассмотрим пример построения декодера из двоичного кода в десятичный.
Десятичный код обычно отображается одним битом на одну десятичную
цифру. В десятичном коде применяется десять цифр, поэтому для отображения одного десятичного разряда требуется десять выходов дешифратора.
Сигнал с этих выводов можно подать на десятичный индикатор. В простейшем случае для реализации десятичного дешифратора можно просто подписать индицируемую цифру над соответствующим светодиодом. Таблица истинности десятичного декодера приведена в табл. 6.5. Десятичный код,
записанный в таблице истинности 6.5, иногда называют линейным
десятичным кодом. Принципы построения цифровой схемы по произвольной
таблице истинности были рассмотрены в предыдущих разделах. В
соответствии с ними получим схему десятичного декодера, таблица
истинности которого записана в табл. 6.5.
Семисегментный дешифратор
Для отображения десятичных и шестнадцатеричных цифр часто используется
семисегментный индикатор. Внешний вид семисегментного индикатора и
обозначение его сегментов приведено на рисунке.
Для
отображения
на
таком
индикаторе цифры 0 достаточно
зажечь сегменты "а", "b", "с", "d,
"е", "f. Для изображения цифры 1
зажигают сегменты "b" и "с".
Точно таким же образом можно
получить
изображения
всех
остальных десятичных или шестнадцатеричных цифр. Все комбинации
двоичных кодов, позволяющих сформировать изображения цифр (и
некоторых букв), получили название семисегментного кода.
30
Составим таблицу истинности дешифратора, который позволит преобразовывать двоичный (а точнее двоично-десятичный) код в семисегментный. Пусть
сегменты индикатора зажигаются нулевым потенциалом. Тогда таблица
истинности семисегментного дешифратора примет вид, приведенный в табл.
6.6. Конкретное значение сигналов на выходе дешифратора зависит от схемы
подключения сегментов индикатора к выходу микросхемы. Эти схемы будут
рассмотрены позднее, в главе, посвященной отображению различных видов
информации.
Примеры индивидуальных заданий:
1. Разработать и исследовать работу шифратора десятичных чисел для семисегментного индикатора;
2. Разработать и исследовать работу шифратора шестнадцатиричных чисел
для семи-сегментного индикатора;
3. Разработать и исследовать работу шифратора десятичных чисел для
матричного индикатора.
Порядок выполнения:
1. Разработать блок-схему алгоритма работы заданного шифратора.
2. Используя язык высокого уровня для описания аппаратуры разработать
параметризованный модуль шифратора.
3. Методом временного моделирования произвести отладку модуля
шифратора.
4. В пространстве ПЛИС лабораторного стенда построить схему
обеспечивающую демонстрацию работы шифратора.
Краткое описание практических занятий
(Практические занятия учебным планом не предусмотрены)
5.5. Краткое описание видов самостоятельной работы
5.5.1. Общий перечень видов самостоятельной работы
Подготовка к лекциям.
5.4.
1.
31
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Самостоятельное
изучение
(конспектирование)
разделов
(тем)
дисциплины (Микушин А.В., Сажнев А.М., Сединин В.И. Цифровые
устройства и микропроцессоры. — СПб.: БХВ-Петербург, 2010.).
Выполнение контрольной работы.
Подготовка к выполнению лабораторных работ.
Подготовка отчетов по лабораторным работам.
Подготовка тематических обзоров (рефератов).
Подготовка к экзаменам.
5.5.2. Методические рекомендации по выполнению каждого вида
самостоятельной работы
Курс «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА, ЭЛЕКТРОНИКА И СХЕМОТЕХНИКА.
Часть 2. СХЕМОТЕХНИКА» рассматривает теорию и практику построения
электронных устройств на основе интегральных схем.
Минимальный набор базовых знаний студент может получить во время
аудиторных занятий при условии активного восприятия лекционного
материала, который, в значительной мере носит абстрактный характер.
Углубленное освоение теоретического материала лекций и приобретение
практических навыков использования полученных знаний осуществляется
при выполнении лабораторных работ по дисциплине. Залогом успешного
освоения теоретического материала и эффективного выполнения
лабораторных работ является качественная подготовка к предстоящим
занятиям и глубокое осмысление полученной информации в ходе
аудиторных занятий.
Важнейшим элементом получения теоретических знаний является
выполнение научных исследований, проработка научных и популярных
изданий, составление тематических обзоров (рефератов). Практические
навыки развиваются и закрепляются в процессе разработки пробных
устройств цифровой техники, их испытание и отладка на лабораторных
стендах специализированных кафедр.
1. ПОДГОТОВКА К ЛЕКЦИЯМ
Цель: получение более глубоких знаний и навыков по разделам
дисциплины.
Лекция - ведущая форма организации учебного процесса в вузе.
Примерно половину аудиторных занятий составляют лекции, поэтому
умение работать на них - насущная необходимость студента. Принято
выделять три этапа этой работы.
Первый - предварительная подготовка к восприятию, в которую входит
просмотр записей предыдущей лекции, ознакомление с соответствующим
разделом программы и предварительный просмотр учебника по теме
предстоящей лекции, создание целевой установки на прослушивание.
32
Второй - прослушивание и запись, предполагающие внимательное
слушание, анализ излагаемого, выделение главного, соотношение с ранее
изученным материалом и личным опытом, краткую запись, уточнение
непонятного или противоречиво изложенного материала путем вопросов
лектору. Запись следует делать либо на отдельных пронумерованных листах,
либо в тетради. Обязательно надо оставлять поля для методических пометок,
дополнений. Пункты планов, формулировки правил, понятий следует
выделять из общего текста. Целесообразно пользоваться системой
сокращений наиболее часто употребляемых терминов (воспитание - в-е,
личность - л-ть и т. п.), а также использовать цветовую разметку записанного
текста при помощи фломастеров.
Третий - доработка лекции: перечитывание и правка записей,
параллельное
изучение
учебника,
дополнение
выписками
из
рекомендованной литературы.
2. САМОСТОЯТЕЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ РАЗДЕЛОВ
ДИСЦИПЛИНЫ
Изучение литературы очень трудоемкая и ответственная часть
теоретической подготовки обучаемого. Как правило, такая работа
сопровождается записями в той или иной форме.
Конспектом называется краткая схематическая запись основного
содержания изучаемого материала. В конспекте выделяется самое основное,
существенное. Основные требования к конспекту – краткость, четкость
формулировок, обобщение важнейших теоретических положений.
Составление конспекта требует вдумчивости, достаточно больших затрат
времени и усилий. Затраченное время и усилия окупаются тем, что конспект
позволяет глубоко понять и прочно усвоить изучаемый материал, выработать
навыки правильного изложения важнейших теоретических и практических
вопросов в писменной форме, умение четко формулировать вопросы и ясно
излагать своими словами.
Конспект бывает текстуальным и тематическим. Текстуальный
конспект посвящен определенному произведени. В нем сохранена логика и
структура изучаемого текста, запись ведется в соответствии с расположением
материала в изучаемой работе. Тематический конспект посвящен
конкретной теме и, следовательно, нескольким произведениям. В
темаьтическом конспекте за основу берется не план работы, а содержание
изучаемой темы, проблемы.
Технология работы:
Конспект составляется в два этапа.
На первом этапе нужно прочесть текст и сделать отметки в тетради или
на полях, если это ваша работа. Так происходит выделение наиболее важных
мыслей, содержащихся в работе.
На втором этапе нужно, опираясь на сделанные пометки, кратко
своими словами записать содержание прочитанного.
33
При составлениии конспекта желательно использование логических
схем, делающих наглядным ход мысли конспектируемого автора. Наиболее
важные положения изучаемой работы (определения, выводы) желательно
записать в форме точных цитат (цитаты заключаются в кавычки,
указываются страницы источника).
Следует иметь в виду, что целью конспекта является не переписывание
материала, а выявление логики работы, системы доказательств, основные
выводы.
Поэтому хороший конспект должен сочетать полноту изложения с
краткостью.
Конспект может включать тезисы (сжатое изложение основных мыслей
и положений прочитанного материала, имеющих утвердительный
недискуссионный характер), краткие записи положений и выводов,
доказательств, фактического материала, выписки, дословные цитаты,
примеры, цифровой материал, таблицы, схемы, взятые из конспектируемого
источника.
Оформление конспекта должно проводиться в соответствии с
требованиями к библиографическому описанию работ.
Наиболее значимые места в конспекте можно выделять
подчеркиванием, маркерами, замечаниями на полях.
3. ВЫПОЛНЕНИЕ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ
Задачей контрольной работы является разработать на ПЛИС операционный
(решающий) модуль для вычислительной системы.
Задание на контрольную работу
Цель работы – приобретение навыков работы в пакете Quartus II на
примере подготовки схемного проекта комбинационного устройства. В
качестве примера устройства используется операционный модуль для
приближенного вычисления значения функции путем разложения ее в
степенной ряд.
Задание
1. Подготовить проект встраиваемого в ПЛИС модуля для вычисления
заданной функции, (Варианты индивидуальных заданий).
2. Осуществить компиляцию проекта в применении к микросхеме
EP2C8Q208N8 семейства CYCLONE. Сформировать список цепей для
функционального моделирования.
3. Подготовить файл временных диаграмм для моделирования,
обеспечивающий демонстрацию 5-ти – 7-ми состояний операционного
модуля. Осуществить функциональное и временное моделирование
операционного модуля и произвести измерение максимальной временной
задержки установления выходного сигнала относительно фронтов изменения
входных сигналов.
4. Ознакомиться с данными отчета Quartus II об использованных в
проекте аппаратных ресурсах и назначении выводов микросхемы.
Методические указания
34
1. Вычисления дробных чисел заменить целочисленной арифметикой,
для чего увеличить все входные данные в 10000 раз.
2. Входные и выходные данные представлять как десятичные числа с
фиксированной запятой.
Содержание отчета о работе. Отчет должен содержать заголовочную
часть с названием работы, фамилиями и именами исполнителей, номером
учебной группы, датой выполнения работы. В содержательную часть
необходимо включить: блок-схему алгоритма вычисления функции,
модульную схему верхнего уровня проекта; схему операционного модуля;
схемы отдельных субмодулей; результаты моделирования работы
операционного модуля и всех субмодулей; словесное описание всех схем и
результатов моделирования их работы; список назначения всех выводов
микросхемы.
Вопросы для защиты
1. Основные классы электронных приборов, предназначенных для
разработки цифровых устройств. Особенности различных классов.
2. Особенности архитектур ПЛИС (CPLD, FPGA, SOPC).
3. Архитектура макроячейки CPLD на примере MAX3000A.
4. Последовательность операций разработки устройства на основе
схемного способа ввода функционально-логического описания.
5. Примитивы логических функций САПР Quartus II (названия,
условные обозначения, отечественные обозначения, функционирование).
6. Примитивы выводов
САПР Quartus II (названия, условные
обозначения, назначение, особенности применения).
Варианты индивидуальных заданий
Номер варианта контрольной работы определяется по формуле:
N =НЗК mod 20, где N – номер варианта, НЗК – номер зачетной книжки.
ВАРИАНТ ФУНКЦИЯ
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
SIN(X) = X – X3/3! + X5/5
COS(X) = 1 – X2/2! + X4/4! – X6/6!
EX = 1 + X/1! + X2/2! + X3/3!
SEC(X) = 1 + X2/2 + 5*X4/24 + 61*X6/7
TG(X) = X + X3/3 + 2*X5/15
LN(X) = (X – 1) – (X – 1)2/2 + (X – 1)3/3
LN(1 + X) = X – X2/2 + X3/3
LN(1 – X) = – X – X2/2 – X3/3
(1 + X)-2 = 1 – 2*X + 3*X2 – 4*X3
(1 – X)-2 = 1 + 2*X +3*X2 + 4*X3
(1 + X)-3/2 = 1 – 3*X/2 + 3*5*X2/8 – 3*5*7*X3/48
(1 – X)-3/2 = 1 + 3*X/2 + 3*5*X2/8 + 3*5*7*X3/48
(1 + X)-1/2 = 1 – X/2 + 3*X2/8 – 3*5*X3/48
(1 – X)-1/2 = 1 + X/2 + 3*X2/8 + 3*5*X3/48
(1 + X )1/2 = 1 + X/2 – X2/8 + 3*X3/48
35
15
16
17
18
19
(1 – X )1/2 = 1 – X/2 – X2/8 – 3*X3/48
(COS(X)) = – X2/2 – X4/12 – X6/45
ARTG(X) = X + X3/3 + X5/5
ARCSIN(X) = X + X3/6 + 3*X5/40
TH(X) = X – X3/3 + 2*X5/15
4. ПОДГОТОВКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Цель: Систематизация полученных теоретических знаний, изучение
литературы по разделам курса, закрепление полученных знаний и навыков на
практике.
Подготовка к лабораторным работам осуществляется студентами
самостоятельно (вне аудиторных занятий). В процессе этой подготовки
студент должен усвоить теоретический материал, относящийся к данной
лабораторной работе, изучить и ясно представлять себе содержание и
порядок выполнения лабораторной работы, знать принципы действия и
правила работы с измерительными приборами, методы измерений,
особенности конструкции лабораторной установки и правила безопасного
поведения при выполнении лабораторной работы, знать ответы на
приведенные в методическом руководстве контрольные вопросы, а также
выполнить необходимый по заданию объем предварительных расчетов,
заготовить необходимые таблицы и рисунки.
5. ПОДГОТОВКА ОТЧЕТОВ ПО ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ
Цель: Подготовка документации по результатам выполненной
лабораторной работы (исследованию), закрепить полученные умения и
навыки.
Работа должна быть оформлена согласно стандарту ИрГТУ, формат
листов А4. Сдана на электронном носителе (например, CD-RW для удобства
внесения изменений в случае необходимости). На носителе должен
находиться каталог, названный по фамилии автора работы, в котором
содержаться отчет и все созданные документы в ходе выполнения
лабораторных работ по конкретной теме.
Таблицы, графический материал, иллюстрации оформляются в
соответствии с требованиями, предъявленными к текстовым документам.
(ГОСТ.2.105-95. Международный стандарт. Единая система конструкторских
документов. Общие требования к текстовым документам). Отчет по
лабораторной работе должен содержать конкретные выводы, в которых в
соответствии с поставленными целями дается оценка полученных
результатов, сравнение их с теоретическими положениями, ожидаемыми
результатами и т. д., проводится анализ причин, по которым цели
лабораторной работы были достигнуты, возможно, не в полном объеме.
6. ПОДГОТОВКА ТЕМАТИЧЕСКИХ ОБЗОРОВ (РЕФЕРАТОВ)
Цель: развитие навыков сбора, обработки и представления материала в
виде презентаций по основным и дополнительным разделам курса.
36
Реферат является одной из форм отчѐтности по итогам курса, он
позволяет структурировать знания обучаемых.
Реферат (нем. Referat, от лат. refere – докладывать, сообщать) –
письменный доклад или выступление по определѐнной теме с обобщением
информации из одного или нескольких источников.
Реферат предполагает осмысленное изложение содержания главного и
наиболее важного (с точки зрения автора) в научной литературе по
определенной проблеме в письменной или устной форме.
Различают два вида рефератов:
- репродуктивные – воспроизводят содержание первичного текста в
форме реферата-конспекта или реферата-резюме. В реферате-конспекте
содержится
фактическая
информация
в
обобщѐнном
виде,
иллюстрированный материал, различные сведения о методах исследования,
результатах исследования и возможностях их применения. В рефератерезюме содержатся только основные положения данной темы.
- продуктивные – содержат творческое или критическое осмысление
реферируемого источника и оформляются в форме реферата-доклада или
реферата-обзора. В реферате-докладе, наряду с анализом информации
первоисточника, дается объективная оценка проблемы, и он имеет
развѐрнутый характер. Реферат-обзор составляется на основе нескольких
источников и в нем сопоставляются различные точки зрения по исследуемой
проблеме.
Чтобы выразить свое собственное мнение по определенной проблеме,
требуется, во-первых, хорошо знать исходный материал, а во-вторых, быть
готовым умело передать его содержание в письменной форме и делать
логичные выводы.
Студент для изложения материала может выбрать любую из
рассмотренных форм оформления реферата.
Основные этапы разработки должны быть отражены в презентации,
выполненные
с
использованием
соответствующего
программного
обеспечения. Следует ограничить количество слайдов (не более 20-25),
избегать сплошного текстового контента, привлекая графические формы
отображения материала.
Этапы работы над рефератом
Выбор темы.
Студенту предоставляется право самостоятельного (с согласия
преподавателя) выбора темы реферата из списка тем, рекомендованных
кафедрой по данной дисциплине. Если интересующая тема отсутствует в
рекомендательном списке, то по согласованию с преподавателем
предоставляется право самостоятельно предложить тему реферата,
раскрывающую содержание изучаемой дисциплины. Тема не должна быть
слишком общей и глобальной, так как небольшой объем работы (до 20
страниц) не позволит раскрыть ее.
37
При выборе темы необходимо учитывать полноту ее освещения в
имеющейся научной литературе. Для этого можно воспользоваться
тематическими каталогами библиотек и библиографическими указателями
литературы, периодическими изданиями и ежемесячными указателями
экономической литературы, либо справочно-библиографическими ссылками
изданий посвященных данной теме.
После выбора темы составляется список изданной по теме (проблеме)
литературы, опубликованных статей, необходимых справочных источников.
Знакомство с любой научной проблематикой следует начинать с
освоения имеющейся основной научной литературы. При этом следует сразу
же составлять библиографические выходные данные (автор, название, место
и год издания, издательство, страницы) используемых источников. Названия
работ иностранных авторов приводятся только на языке оригинала.
Начинать знакомство с избранной темой лучше всего с чтения
обобщающих работ по данной проблеме, постепенно переходя к
узкоспециальной литературе.
На основе анализа прочитанного и просмотренного материала по
данной теме следует составить тезисы по основным смысловым блокам, с
пометками, собственными суждениями и оценками. Предварительно
подобранный в литературных источниках материал может превышать
необходимый объем реферата, но его можно использовать для составления
плана реферата.
Составление плана. Автор по предварительному согласованию с
преподавателем может самостоятельно составить план реферата, с учетом
замысла работы, либо взять за основу рекомендуемый план, приведенный в
данных методических указаниях по соответствующей теме. Правильно
построенный план помогает систематизировать материал и обеспечить
последовательность его изложения.
Наиболее традиционной является следующая структура реферата:
Титульный лист.
Оглавление (план, содержание).
Введение.
Глава 1 (полное наименование главы).
1.1. (полное название параграфа, пункта);
1.2. (полное название параграфа, пункта).
Глава 2 (полное наименование главы).
Основная часть
2.1. (полное название параграфа, пункта);
2.2. (полное название параграфа, пункта).
Заключение (или выводы).
Список использованной литературы.
Приложения (по усмотрению автора).
Титульный лист заполняется по единой форме.
38
Оглавление (план, содержание) включает названия всех разделов
(пунктов плана) реферата и номера страниц, указывающие начало этих
разделов в тексте реферата.
Введение. В этой части реферата обосновывается актуальность
выбранной темы, формулируются цели работы и основные вопросы, которые
предполагается раскрыть в реферате, указываются используемые материалы
и дается их краткая характеристика с точки зрения полноты освещения
избранной темы. Объем введения не должен превышать 1-1,5 страницы.
Основная часть реферата может быть представлена одной или
несколькими главами, которые могут включать 2-3 параграфа (подпункта,
раздела).
Здесь достаточно полно и логично излагаются главные положения в
используемых источниках, раскрываются все пункты плана с сохранением
связи между ними и последовательности перехода от одного к другому.
Автор должен следить за тем, чтобы изложение материала точно
соответствовало цели и названию главы (параграфа). Материал в реферате
рекомендуется излагать своими словами, не допуская дословного
переписывания из литературных источников. В тексте обязательны ссылки
на первоисточники, т.е. на тех авторов, у которых взят данный материал в
виде мысли, идеи, вывода, числовых данных, таблиц, графиков, иллюстраций
и пр.
Работа должна быть написана грамотным литературным языком.
Сокращение слов в тексте не допускается, кроме общеизвестных сокращений
и аббревиатуры. Каждый раздел рекомендуется заканчивать кратким
выводом.
Заключение (выводы). В этой части обобщается изложенный в
основной части материал, формулируются общие выводы, указывается, что
нового лично для себя вынес автор реферата из работы над ним. Выводы
делаются с учетом опубликованных в литературе различных точек зрения по
проблеме рассматриваемой в реферате, сопоставления их и личного мнения
автора реферата. Заключение по объему не должно превышать 1,5-2 страниц.
Приложения могут включать графики, таблицы, расчеты. Они должны
иметь внутреннюю (собственную) нумерацию страниц.
Библиография (список литературы) здесь указывается реально
использованная для написания реферата литература, периодические издания
и электронные источники информации. Список составляется согласно
правилам библиографического описания.
Требования к оформлению реферата
По оформлению реферата предъявляются следующие требования.
1. Текст представляется в компьютерном исполнении (в виде
исключения допускается рукописный вариант), без стилистических и
грамматических ошибок.
2. Текст должен иметь книжную ориентацию, набираться через 1,5
интервала на листах формата А4 (210 х 297 мм). Для набора текста в
39
текстовом редакторе Microsoft Word, рекомендуется использовать шрифты:
Times New Roman Cyr или Arial Cyr, размер шрифта – 14 пт. При
использовании других текстовых редакторов шрифт выбирается
самостоятельно, исходя из требований – 60 строк на лист (через 2 интервала).
3. Поля страницы: левое – 3 см., правое – 1,5 см., нижнее – 2 см.,
верхнее – 2. Абзац (красная строка) должен равняться четырем знакам (1,25
см).
4. Выравнивание текста на листах должно производиться по ширине
строк.
5. Каждая структурная часть реферата (введение, разделы основной
части, заключение и т. д.) начинается с новой страницы.
6. Заголовки разделов, введение, заключение, библиографический
список набираются прописным полужирным шрифтом.
7. Не допускаются подчеркивание заголовка и переносы в словах
заголовков.
8. После заголовка, располагаемого посередине строки, точка не
ставится.
9. Расстояние между заголовком и следующим за ней текстом, а также
между главой и параграфом составляет 2 интервала.
10. Формулы внутри реферата должны иметь сквозную нумерацию и
все пояснения используемых в них символов.
11. Иллюстрации, рисунки, чертежи, графики, фотографии, которые
приводятся по тексту работы должны иметь нумерацию.
12. Ссылки на литературные источники оформляются в квадратных
скобках, где вначале указывается порядковый номер по библиографическому
списку, а через запятую номер страницы.
13. Все страницы реферата, кроме титульного листа, нумеруются
арабскими цифрами. Номер проставляется вверху в центре страницы.
14. Титульный лист реферата включается в общую нумерацию, но
номер страницы на нем не проставляется.
15. Объем реферата в среднем - 15-20 страниц (или 25-40 тыс. печатных
знаков) формата А4, набранных на компьютере на одной (лицевой) стороне.
16. В списке использованной литературе в реферате должно быть не
менее пяти источников.
17. Все структурные части реферата сшиваются в той же
последовательности, как они представлены в структуре (см. п. 2.1).
Критерии оценки качества реферата преподавателем
Подготовленный и оформленный в соответствии с требованиями
реферат оценивается преподавателем по следующим критериям:
- достижение поставленной цели и задач исследования (новизна и
актуальность
поставленных
в
реферате
проблем,
правильность
формулирования цели, определения задач исследования, правильность
выбора методов решения задач и реализации цели; соответствие выводов
решаемым задачам, поставленной цели, убедительность выводов);
40
- уровень эрудированности автора по изученной теме (знание автором
состояния изучаемой проблематики, цитирование источников, степень
использования в работе результатов исследований);
- личные заслуги автора реферата (новые знания, которые получены
помимо образовательной программы, новизна материала и рассмотренной
проблемы, научное значение исследуемого вопроса);
- культура письменного изложения материала (логичность подачи
материала, грамотность автора)
- культура оформления материалов работы (соответствие реферата
всем стандартным требованиям);
- знания и умения на уровне требований стандарта данной дисциплины:
знание фактического материала, усвоение общих понятий и идей;
- степень обоснованности аргументов и обобщений (полнота, глубина,
всесторонность раскрытия темы, корректность аргументации и системы
доказательств, характер и достоверность примеров, иллюстративного
материала, наличие знаний интегрированного характера, способность к
обобщению);
- качество и ценность полученных результатов (степень завершенности
реферативного исследования, спорность или однозначность выводов);
- использование литературных источников.
Объективность оценки работы преподавателем заключается в
определении ее положительных и отрицательных сторон, по совокупности
которых он окончательно оценивает представленную работу.
СПИСОК ТЕМ РЕФЕРАТОВ
1. Элементная база современной вычислительной техники.
2. Нано-технологии в разработке интегральных схем широкого пользования
и специального назначения.
3. Технология внутрисхемного программирования больших и сверхбольших
логических интегральных схем.
4. Программируемые аналоговые интегральные схемы.
5. Системы на кристалле.
6. Современные средства телекоммуникаций и перспективы их развития.
7. Программируемые интегральные схемы фирмы ALTERA.
8. Программируемые интегральные схемы фирмы MOTOROLA.
9. Программируемые интегральные схемы фирмы INTEL.
10.Программируемые интегральные схемы фирмы ATMEL.
11.Программируемые интегральные схемы фирмы XILINX.
12.Аналого-цифровые преобразователи ведущих фирм.
13.Цифроаналоговые преобразователи ведущих фирм.
14.Технологии и элементная база беспроводной передачи данных.
15.Синтезаторы частот.
16.Приборы Фурье-преобразований.
17.Аппаратная реализация алгоритма CORDIC.
18.Системы дистанционного сбора данных и управления.
41
19.Интегральные схемы пространственной ориентации и навигации.
7. ПОДГОТОВКА К ЭКЗАМЕНАМ
Цель: закрепление полученных в ходе изучения дисциплины знаний,
умений и навыков по определенному перечню вопросов для самоподготовки,
включающему теоретическую и практическую части, подготовка к успешной
сдаче экзамена.
Подготовка к экзаменационной сессии и сдача экзаменов (зачетов)
является ответственейшим периодом в работе студента. Серьезно
подготовиться к сессии и успешно сдать все экзамены - долг каждого
студента.
Основное в подготовке к сессии - это повторение всего материала,
курса или предмета, по которому необходимо сдавать экзамен. Только тот
успевает, кто умеет хорошо повторять материал, который был прослушан на
лекциях, законспектирован и закреплен на самостоятельных занятиях. Такое
повторение предполагает обобщение, углубление, а в ряде случаев и
расширение
усвоенных
за
семестр
знаний.
Если студент плохо работал в семестре, пропускал лекции либо слушал
их невнимательно и не конспектировал, не изучал рекомендованную
литературу, то в процессе подготовки к сессии ему придется не повторять
уже знакомое, а заново в короткий срок изучать весь материал, который его
товарищи усвоили серьезно, основательно и поэтапно в течение семестра.
Для такого студента подготовка к экзаменам будет трудным, а иногда и
непосильным делом.
При
подготовке
к
экзаменам
необходимо
помнить:
1. Подготовка к экзамену выполняется студентами самостоятельно используя
материал лекционного курса, дополнительный материал, а также совместно с
преподавателем во время консультационных занятий.
2. Готовиться к сессии надо с первых дней семестра: не пропускать лекций,
работать над закреплением лекционного материала, выполнять все практические
и
лабораторные
работы.
3. Приступать к повторению и обобщению материала необходимо задолго до
сессии
(примерно
за
месяц).
4. Перед повторением учебного материала необходимо еще раз свериться с
типовой и рабочей программами (имеются в библиотеке университета, в
методическом кабинете или на соответствующей кафедре), по которым
велось преподавание. В случае какой-либо неясности следует получить у
преподавателя
необходимые
разъяснения.
5. Готовиться к экзамену рекомендуется каждый день в одном и том же помещении и на одном и том же рабочем месте, т.к. в этом случае устанавливается ассоциативная взаимосвязь между окружающей обстановкой и процессом
переработки информации. Это дает возможность в дальнейшем на экзамене
воспроизводить все мельчайшие детали этой обстановки (что сделать довольно легко), а через установившиеся ассоциативные связи - саму информацию,
которую требовалось запомнить непосредственно для экзамена. Возможны и
42
другие искусственные приемы для запоминания, которых великое множество
и которые должны быть в арсенале у каждого студента. Но одно из важных
условий укрепления памяти - это ее постоянная тренировка. Хотя мысль о
том, что повторение - мать учения, не оригинальна, нельзя лишний раз не
сказать, что именно это упражнение - самое действенное и результативное.
6. Начинать повторение следует с чтения конспектов. Прочитав внимательно
материал по предмету, приступить к тщательному повторению по темам и
разделам. На этом этапе повторения следует использовать учебник и
рекомендованную преподавателем дополнительную литературу. Нельзя
ограничиваться при повторении только конспектами, ибо в них все записано
весьма кратко, сжато, только самое основное. Вузовские же дисциплины
надо усвоить достаточно широко с учетом всей программы курса. Это можно
сделать только с помощью учебника и дополнительной литературы.
7. Повторяя материал по темам, надо добиваться его отчетливого усвоения.
Рекомендуется при повторении использовать такие приемы овладения
знаниями:
а)
про
себя
или
вслух
рассказывать
материал;
б) ставить самому себе различные вопросы и отвечать на них;
в)
руководствуясь
программой
(применять
самоконтроль);
г) делать дополнительные записи, схемы, помогающие обобщить материал,
синтезировать
его;
д) рассказывать повторенный и усвоенный материал своим товарищам,
отвечать на их вопросы и критически оценивать изложенное;
е) повторяя и обобщая, записывать в блокнот все непонятное, всякие
сомнения, вновь возникающие вопросы и обязательно выяснить их на
консультациях.
5.5.3 Описание курсового проекта (курсовой работы)
(Курсовой проект учебным планом не предусмотрен)
6. Применяемые образовательные технологии
При реализации данной программы применяются инновационные
технологии обучения, активные и интерактивные формы проведения занятий,
указанные в таблице 2.
Таблица 2 - Применяемые образовательные технологии
Технологии
Виды занятий
Лекции Лаб.
Практ./
СРС Курсовой
раб.
Сем. зан.
проект
Проблемное обучение
Групповая дискуссия
Проектный метод
1
Исследовательский метод
1
Виртуальное моделирование
1
Работа в команде
1
43




Все лабораторные работы проводятся в интерактивной форме:
Лабораторная работа представляет собой проект реализации поставленной
задачи на аппаратном и программном уровне;
Отладка проекта выполняется путем моделирование его работы;
После реализации аппаратной части проекта на ПЛИС выполняется
исследование работы спроектированного устройства;
Лабораторные работы выполняются в составе команды от 2-х до 4-х
человек.
7 Методы и технологии контроля уровня подготовки по дисциплине
7.1 Виды контрольных мероприятий, применяемых контрольноизмерительных технологий и средств.
1 Выполнение контрольной работы.
2 Выполнение лабораторных работ.
3 Подготовка реферата.
4 Экзамен.
7.2 Критерии оценки уровня освоения учебной программы
(рейтинг).
Рейтинги контрольных мероприятий:
1. Выполнение контрольной работы
12 балл х 1 =
12 баллов
2. Выполнение лабораторных работ
3 балл х 4 =
12 баллов
3. Подготовка реферата
6 балл х 1 =
6 баллов
До экзамена по дисциплине допускаются студенты, выполнившие
контрольную работу, выполнившие и защитившие все лабораторные работы,
предусмотренные планом. При наличии сданных в срок контрольной
работы, лабораторных работ, активной работе на лекции и выполнении всех
видов СРС, возможно выставление автоматического экзамена после
предварительного собеседования с преподавателем (обычно в форме
тестирования).
7.3 Контрольно-измерительные материалы и другие оценочные
средства для итоговой аттестации по дисциплине.
Контрольные вопросы к экзамену:
1. Типы сигналов
2. Виды интегральных микросхем
3. Транзисторно-транзисторная логика
4. Нагрузочная способность ТТЛ-схем по входу и выходу
5. Трехстабильные интегральные схемы
6. Эмиттерно-связанная логика
7. Логические элементы
8. Характеристики интегральных схем
9. Помехоустойчивость цифровых интегральных микросхем
44
10.Комбинационные схемы и цифровые автоматы
11.Универсальный логический элемент «И-НЕ»
12.Селектор данных
13.Буферные элементы
14.Шинные усилители
15.Цифровые интегральные схемы КМОП
16.Типы триггеров
17.RS-триггеры
18.JK-триггеры
19.D-триггеры
20.Т-триггеры
21.Регистры хранения
22.Регистры сдвига
23.Счетчики сквозного переноса
24.Синхронные счетчики
25.Двоичный сумматор
26.Двоичный вычитатель
27.Вычитание суммированием
28.Сложение/вычитание в дополнительном коде
29.Умножение многократным сложением
30.Умножение сложением со сдвигом
31.Операционный усилитель
32.Отрицательная обратная связь
33.Аналоговое суммирование
34.Аналоговое дифференцирование
35.Аналоговое интегрирование
36.Условие самовозбуждения генератора
37.Генератор прямоугольных импульсов
38.Генератор гармонических колебаний
39.Синтезатор частоты
40.Цифро-аналоговый преобразователь
41.Аналого-цифровой преобразователь параллельного типа
42.Аналого-цифровой преобразователь последовательного типа
43.Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь
8. Рекомендуемое информационное обеспечение дисциплины
8.1. Основная учебная литература
1. Микушин А.В., Сажнев А.М., Сединин В.И. Цифровые устройства и
микропроцессоры. — СПб.: БХВ-Петербург, 2010. — 832 с.
2. Амосов В.В. Схемотехника и средства проектирования цифровых
устройств. – СПб.:БХВ-Петербург, 2007. – 560 с.
8.2. Дополнительная учебная и справочная литература.
1. Глухих В.И. Цифровая схемотехника. Технология внутрисхемного
программирования. –Иркутск: Изд-во ИрГТУ,2001. –160 с.
45
2. Шило В.Л Популярные цифровые микросхемы: Справочник. –
М.:Металлургия, 1988. –352 с
3. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника.-СПб:БХВ-Петербург,2001.-528 с.
4. Алексеенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника: Учеб.пособие для
вузов.- М.:Радио и связь,2004.-496 с.
5. Хоровиц П.,Хилл У. Искусство схемотехники.-М.:Мир,2002. –704 с.
6. Антонов А.П. Язык описания цифровых устройств AlteraHDL.
Практический курс. – М.:ИП РадиоСофт, 2001. – 224 с.
8.3. Электронные образовательные ресурсы:
8.3.1. Ресурсы ИрГТУ, доступные в библиотеке университета или в
локальной сети университета.
 Сетевой диск кафедры ВТ \\172.27.100.23\Cyber\Program
 Антонов А.П. Язык описания цифровых устройств AlteraHDL: Практический курс. – М.: ИП РадиоСофт, 2001. –224 с.
 Амосов В.В. Схемотехника и средства проектирования цифровых
устройств. – СПб.: БХВ-Петербург, 2007. – 560с.
 Глухих В.И. Цифровая схемотехника.Технология внутрисхемного
программирования. –Иркутск: Изд-во ИрГТУ,2001. –160 с.
8.3.2. Ресурсы сети Интернет
 www.altera.com
 Семейство стандартов IEEE 802.11 //
 http://www.wireless.ru/wireless/wrl_base80211
 http://delphibasics.ru/
 http://base.vingrad.ru/view/130-Algoritmyi-sortirovki
 http://www.codenet.ru/
 http://delphid.dax.ru/
 http://www.cmcspec.ru/ipb/index.php?showtopic=426
9. Рекомендуемые специализированные программные средства
1. Free Pascal (свободно-распространяемый продукт)
2. Delphi
4. Quartus II
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Лекции по дисциплине проводятся в мультимедийном классе,
оборудованном проектором и экраном.
Лабораторные работы по дисциплине проводятся в компьютерном
классе ИрГТУ, оборудованном лабораторными стендами «УНИЛ».
46
Программа
составлена
в
соответствии
с
ФГОС
высшего
профессионального образования по направлению 230100 «Информатика и
вычислительная техника» (квалификация (степень) «бакалавр»).
Программу составил:
Глухих В.И., доцент кафедры вычислительной техники, к.х.н.
_________________________ ―____‖_________ 20__ г.
(подпись)
Программа согласована
с кафедрой: _________________________________________________
Зав. кафедрой ____________________ /ФИО/ ―____‖_________ 20__ г.
(подпись)
Программа одобрена на заседании кафедры
__________________________________________________________________
Протокол № ___ от ―___‖ _________________ 20__ г.
Зав. кафедрой ____________________ /ФИО/ ―____‖_________ 20__ г.
(подпись)
Руководитель ООП __________________ /ФИО/ ―____‖_________ 20__ г.
Программа одобрена на заседании Методической комиссии
факультета / института______________________________________________
Протокол № _____ от ―___‖ _________________ 20__г.
Декан ____________________ /ФИО/ ―____‖_________ 20__ г.
47