Цифровые устройства и микропроцессоры. Тема 2. Основы схемотехники и элементная база цифровых электронных устройств

1.

ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОЗДУШНО-КОСМИЧЕСКОЙ ОБОРОНЫ
ИМЕНИ МАРШАЛА СОВЕТСКОГО СОЮЗА Г.К. ЖУКОВА
Кафедра № 13
основ построения радиоэлектронных средств и систем
Учебная дисциплина Д-1321
«ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И
МИКРОПРОЦЕССОРЫ»
Тверь 2018

2.

СТРУКТУРА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ ДС-1321
Номера и наименование
разделов и тем
Всего
часов
Из них по видам занятий
Лекции Лаб.раб. Пр.зан.
Зачет
5 семестр
Введение
2
2
Тема 1. Основы схемотехники и элементная база
комбинационных цифровых электронных
устройств
14
6
4
4
Тема 2. Основы схемотехники и элементная база
последовательностных цифровых электронных
устройств
24
10
8
6
Тема 3. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые 10
преобразователи
4
4
2
Тема 4. Запоминающие устройства ЭВМ и МПС
8
4
2
2
Тема 5. Микропроцессоры и микропроцессорные
системы
26
16
Заключение
2
2
Зачет с оценкой в конце 5-го семестра
4
Всего по дисциплине
90
10
4
44
18
24
4

3.

Содержание темы 1
«Основы схемотехники и элементная база
комбинационных цифровых электронных устройств»
Номера и вид
занятий
Лекция
№2
Наименование тем занятий
Математическое описание комбинационных
цифровых устройств
Пр.занятие Анализ и синтез комбинационных цифровых
№1
устройств
Основы схемотехники и элементная база
Лекция №3 типовых комбинационных цифровых
электронных устройств
Пр.занятие Анализ и расчет типовых комбинационных
№2
цифровых узлов ЭВМ.
Экспериментальное исследование типовых
Лаб. работа
комбинационных цифровых электронных узлов
№1
радиотехнических систем и ЭВМ

4.

ЛЕКЦИЯ №2
Математическое описание
комбинационных цифровых
устройств

5.

Устройство функционального контроля блока ФО583
Cхемы контроля автосъема и ОЗУ
ФО281-207
У281-207
С ==
Разр.Зп.ЗУ
С ==
ФО 583-207
ИЗап1
ИОФК
ИНФ.ПРОМЗУО
ИСФ К
ИНФ. ОЗУ1
ДШ2ФК
КК2
ДШ3ФК
КК3
S T
V1
D1
V2
D2
V3
D3
Пачка
ФК
ДШ1ФК
КК1
ДШ2ФК
КК2
ДШ3ФК
КК3
V1
D1
V2
D2
V3
D3
&
&
&
C
1
2
4
8
16
ИОФК
4
ИКОФ
СР1-1
S
Испр.
ОЗУ 2
Отказ
& АО
Испр.
АО
R T
S
ТК ФКо
Испр.
УУ
ФКо
ТК
ФКУ
СектАприб
T
&
СектАУдов
&
R1
R2
1
&
Отказ
УУ
1
1
&
S
Отказ
ОЗУ
ТКФКоАР
1
ДШ3ФК
&
&
17
ИНОФ
&
Испр.
ОЗУ 1
ВКЛ.
Дист.
ДШ4
Авт раб
ФКФО583
ДШ4ФК
R
ДШ17
R T
ИнФФК
R
25
DC
1
2
4
8
16
&
Север
ТК
&
R
СТ2
&
&
ФК ПУ
1
ФКоУ
ТК ФКоПУ
ВЫХ11рСу
R
S T
УИС
Формирователь циклов ФК
ВЫХ10рСу
C
1
2
4
8
16
V
D
D
ДШ1ФК
КК1
СТ2
1
2
4
8
16
ИС25ФК
&
S T
1
2
27
8
11
DC
R
ИСФК
ИЗФК
Испр.
ФКоу
Испр
А0
Испр
ОЗУ
1
&
Испр.
Ф0583

6.

ФОРМИРУЕМАЯ КОМПЕТЕНЦИЯ
Способность учитывать в профессиональной деятельности
современные
тенденции
развития
электроники,
измерительной и вычислительной техники (ОПК-6).
ПЛАНИРУЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОБУЧЕНИЯ
ЗНАТЬ:
основы схемотехники и элементную базу цифровых
электронных устройств, архитектуру, условия и способы
использования микропроцессоров и микропроцессорных
систем в электронных устройствах.
УЧЕБНАЯ ЦЕЛЬ ЛЕКЦИИ
Систематизировать основы научных знаний по методам
математического описания комбинационных цифровых
устройств.

7.

УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ ЛЕКЦИИ
1. Общие сведения о комбинационных цифровых
устройствах.
2. Методика анализа комбинационных цифровых
устройств.
3. Методика синтеза комбинационных цифровых
устройств.

8.

ЛИТЕРАТУРА
1. Цифровые устройства и микропроцессоры
[Электронный ресурс]: учеб. пособие / Е. Н. Жидков
и [др.]. – Тверь: ВА ВКО, 2016. URL:
http://ibook.akademy.org/book/46.
ЭЛ.1/о, м.2.1
2. Цифровые устройства и микропроцессоры.
Учебно-методическое пособие./ Е.Н.Жидков, [ и др.].
Тверь: ВА ВКО., 2019 168с.
Л.1/д, с. 13-23
3. Цифровые устройства: Учеб. Пособие для вузов/
Ю.А.Брамер, И.Н.Пащук. – М.: Высш.шк., 2004.
Л.2/д, с. 20-28

9.

1. Общие сведения о комбинационных
цифровых устройствах

10.

Цифровой автомат (ЦА) - устройство, предназначенное для
преобразования информации, представленной в цифровой
форме.
х1
х2
хn
у1
Цифровой
.
автомат
.
.
.
.
.
у2
уm
Комбинационное цифровое устройство (комбинационная
схема ) - ЦА, значения выходных сигналов которого в любой
момент времени зависят только от комбинации входных
сигналов и не зависят от предыдущих входных воздействий.
Поведение
КС
описывается
с
использованием
математического аппарата алгебры логики.

11.

2. Методика анализа комбинационных
цифровых устройств

12.

2.1. Сущность задачи анализа
Задача анализа состоит в выяснении функций, выполняемых заданной схемой.
Подзадачи анализа
запись выражений реализуемых схемой булевых функций;
заполнение таблиц истинности (ТИ) этих функций;

13.

2.2. Методика записи выражений функций,
реализуемых схемой
Пример 1. Записать выражение булевой функции, реализуемой заданной схемой.
х1
1
х1 х2 х3
х1
1
&
х2
1
х3
х2 х3
&
х2 х3
у = ( х1 х2 х3 ) х2 х3

14.

1.3. Методика заполнения таблиц истинности
функций, реализуемых схемой
Пример 2. Заполнить таблицу истинности булевой функции,
реализуемой заданной схемой.
а) Способ «прогона» через схему
х1
0
х2 0
1
1
1
1
1
&
х1 х2 х3 у
1
у
1
х3 0
&
1
б) Способ подстановки в выражение функции
0
0
0
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
1
0
0
1
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
0
у = ( х1 х2 х3 ) х2 х3 = ( 0 0 1) & 0 & 1 = (1 0) & 1 = 1.

15.

Этапы генерации КТ методом ЭНФ
1. Получение ЭНФ
Запись исходных выражений булевых функций, реализуемых КС, и преобразование их к эквивалентной дизъюнктивной нормальной форме (ЭНФ).
2. Генерация наборов, выявляющих неисправности вида
«константа 0»
Присвоение всем переменным первого терма ЭНФ значения 1, а переменным остальных термов - 0, за исключением переменных, которым уже присвоено значение 1. Эта
процедура поочередно выполняется для всех термов.
3. Генерация наборов, выявляющих неисправности вида
«константа 1»
Присвоение одной переменной каждого терма значения 0, а
остальным - 1, за исключением переменных, которым уже
присвоено значение 0. Эта процедура поочередно выполняется для каждой переменной во всех термах.
4. Составление таблицы КТ

16.

Пример 3. Построить КТ для КЦУ, рассмотренной выше
у = x1 х2 v x1х2 v x2х3
Таблица КТ
x1 х2 v x1х3 v x2х3
1 1 1 0 1 0
у
1
x1 x2 x3
1 1 0
1
0
1
1
0 1
1
1
0
1
0
1
0
1
1 1
1
0
1
1
0
1
0
0
1 0
0
0
1
0
1
0
1
0
0 0
0
1
0
0
0
0
0
1
0 1
0
0
0
1

17.

1. Задача анализа имеет самостоятельное значение при
эксплуатации и ремонте цифровой электронной аппаратуры. При анализе получают выражения функций, реализуемых КС, и таблицы истинности этих функций.
2. Путем анализа синтезированной схемы на соответствие заданным условиям ее работы можно проверить
правильность решения задачи синтеза.

18.

3. Методика синтеза
комбинационных цифровых
устройств

19.

3.1. Сущность задачи синтеза
Задача синтеза состоит в построении схемы по заданным
условиям ее работы.
Этапы решения задачи синтеза
1 этап. Формализация условий работы схемы.
Составление ТИ булевых функций, которые должна
реализовать схема, и переход от табличной к аналитической
форме.
2 этап. Минимизация булевых функций.
Упрощение выражений булевых функций для обеспечения наименьшей сложности синтезируемой схемы.
3 этап. Построение схемы на заданных ЛЭ

20.

3.2. Формализация условий работы схемы
Пример 1. Синтезировать схему сложения по модулю 2 с
двумя входами х1, х2 и одним выходом у, для которой при
нечетном количестве единиц на входах у = 1, а в остальных
случаях у = 0.
х1
х2
М2
у = х1 х2
а) Заполнение таблицы истинности и запись выражения БФ
х1
х2
у
0
0
0
0
1
1
0
1
1
1
1
0
у = хОСТАВИТЬ
1 х2 х1 х2
СВОБОДНОЕ МЕСТО !
ОСТАВИТЬ СВОБОДНОЕ МЕСТО !

21.

Пример 2. Синтезировать мажоритарную схему с тремя
входами х1, х2, х3 и одним выходом у, для которой значение у
совпадает с большинством значений переменных х1, х2, х3.
х1
х2
х3
2
у
х1 х2 х3 у
у = х1 х2 х3 х1 х2 х3 х1 х2 х3 х1 х2 х3
0
0
0
0
ОСТАВИТЬ СВОБОДНОЕ МЕСТО !
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1

22.

Продолжение примера 1:
1
1
у = х1 х2 х1 х2
&
&
1
Продолжение примера 2: у = х1 х2 х3 х1 х2 х3 х1 х2 х3 х1 х2 х3
1
1
1
&
&
&
1
&
Показатель сложности схемы по Квайну (S) - суммарное
число входов ЛЭ в ней.
Схема сложения по модулю 2: S = 8
Мажоритарная схема:
S = 19

23.

3.3. Минимизация булевых функций
Продолжение примера 1
х2
у = х1 х2 х1 х2
Вывод: исходная форма
функции является минимальной,
показатель
сложности S = 8.
х2
х1
0
1
х1
1
0
Продолжение примера 2
х2
у = х1 х2 х3 х1 х2 х3 х1 х2 х3 х1 х2 х3
х2
МДНФ: у = х1 х2 х1 х3 х2 х3
х1
1
1
1
0
Вывод: МДНФ имеет показатель сложности S = 9.
х1
0
1
0
0
х3
х3
х3

24.

Пример 3
Минимизировать СДНФ функции:
у = х1х2х3х4 х1х2х3х4 х1х2х3х4
х1х2х3х4 х1х2х3х4 х1х2х3х4
х2
х1
х2
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
S = 34
МДНФ: у = х1х2 х3 х3 х4
Вывод: МДНФ имеет показатель
сложности S = 9.
х1
х3
х3
х3
х4
х4
х4

25.

3.4. Построение схемы на ЛЭ И, ИЛИ, НЕ c
произвольным числом входов
Продолжение примера 1
у = х1 х2 х1 х2
х1
1
&
1
&
х2
1
S=8
у

26.

Продолжение примера 2
х1
&
х2
у = х1 х2 х1 х3 х2 х3
&
1
у
х3
&
S=9
Продолжение
примера 3
у = х1х2 х3 х3 х4
S=9
x3
x4
1
1
x1
x2
&
1
&
y

27.

3.5. Построение схемы на ЛЭ И-НЕ(ИЛИ-НЕ) c
заданным числом входов
3.5.1. Фактическое число входов ЛЭ больше требуемого
На «лишние» входы подают пассивные логические константы, не
влияющие на формирование выходного сигнала (1 – И-НЕ,И; 0 – ИЛИНЕ, И).
На несколько входов ЛЭ И-НЕ(И), ИЛИ-НЕ(ИЛИ) можно подавать одну
и ту же логическую переменную, т.к. x+x=x и xx=x.
Если на все входы n-входового элемента И-НЕ или ИЛИ-НЕ подать один
и тот же логический сигнал, то относительно этого сигнала элемент
превращается в инвертор.
Если на n-1 вход n-входового элемента И-НЕ или ИЛИ-НЕ подать
пассивные логические сигналы, то относительно n-го входа элемент
превращается в инвертор.

28.

3.5.2. Фактическое число входов ЛЭ меньше требуемого
Если имеются общие для нескольких термов переменные, то они могут
быть вынесены за скобку.
Продолжение примера 2
Скобочная форма:
у = х1( х2 х3) х2 х3
х1
х2
1
&
х3
S=8
&
1
у

29.

Продолжение примера 2
у х 1 х 2 Vх 1 х 3 Vx 2 x 3 х 1 х 2 Vх 3 Vx 2 x 3 х 1 х 2 х 3 х 2 х 3
x1
x2
&
&
&
&
x3
&
&
y

30.

Если общих для нескольких
воспользоваться тождеством
термов
переменных
нет,
можно
у х1 х 2 х 3 х1 х 2 х 3 .
Продолжение примера 3
у х 3 x 4 V x 1 x 2 x 3 х 3 x 4 x1 x 2 x 3 .
x1
&
x2
x3
x4
&
&
&
&
&
&
y

31.

1. Задача синтеза сводится к построению схемы по заданным условиям ее работы. Эти условия формализуются
путем составления таблицы истинности и записи по ней
выражений булевых функций, которые должна реализовать схема.
2. Чтобы обеспечить наименьшую сложность схемы,
полученные выражения подвергают минимизации, а при
необходимости дополнительным преобразованиям с учетом заданного базиса ЛЭ.

32.

Задание на самостоятельную работу
Отработать лекцию, используя:
ЭЛ.1/о, м.2.1
Л.1/д, с. 13-23,
Л.2/д, с. 20-28
Подготовиться к практическому занятию № 1 на тему
«Анализ и синтез комбинационных цифровых устройств».