Министерство образования и науки Российской Федерации
Новосибирский государственный технический университет
А.М. Сажнёв
Цифровые устройства и микропроцессоры
Часть 1
Новосибирск
2012
УДК 681.325.5-181.8(07)
Доцент А.М. Сажнев
Конспект лекций содержит сведения о логических и арифметических основах цифровых устройств. Рассматриваются начала синтеза комбинационных и последовательностных логических схем. Приводится схемотехника отдельных узлов, на основе которых базируются современные вычислители, микропроцессоры и микроконтроллеры, применяемые в радиоаппаратуре и аппаратуре связи. Конспект составлен на основе курса лекций, читаемого автором по цифровым устройствам и микропроцессорам в течение ряда лет на факультете “Радиотехники, Электроники и Физики” в Новосибирском государственном техническом университете.
Кафедра РП и РПУ
Иллюстраций - 000, список литературы - 12 назв.
Рецензенты: доцент В.Р. Снурницин , доцент А.В. Кривецкий
Для специальностей «Радиотехника», «Радиосвязь, радиовещание и телевидение», «Бытовая радиоаппаратура» и «Аудиовизуальная техника».
Утверждено РИО НГТУ в качестве конспекта лекций
Содержание
Введение……………………………………………………………………………4
1 Логические основы электронно-вычислительных устройств…………………5
1.1 Основные понятия..……………………………………………………………5
1.2 Аксиомы и основные свойства алгебры логики. ………………..….......…10
1.3 Понятие базиса.……………………………………………………………….11
1.4 Формы представления функций алгебры логики.………………………….12
1.5 Минимизация функций…..…………………………………………………..14
1.5.1 Задача минимизации……………………………………………………..14
1.5.2 Метод карт Карно .………………………………………………….........16
1.5.3 Минимизация не полностью определённых функций…………………23
1.6 Синтез логических схем..…………………………………………………….24
1.6.1 Синтез схем с одним выходом…….…………………………………….24
1.6.2 Синтез схем с несколькими выходами….………………………………26
1.6.3 Скобочная форма функций алгебры логики….………………………...27
2 Арифметические основы электронно-вычислительных устройств………....28
2.1 Системы счисления…………………………………………………………..28
2.2 Перевод чисел из одной системы в другую…..……………………………29
2.3 Арифметические операции в различных системах счисления...………...32
2.4 Формы представления чисел……..…………………………………………34
2.5 Машинные коды…………………..…………………………………………37
2.6 Операции над числами в машинных кодах……...…………………………39
2.7 Двоично – десятичная система кодирования ………………………….…. 42
2.8 Переполнение разрядной сетки машины…..………………………………44
2.9 Контроль информации…………………………..…………………………..45
2.10 Представление алфавитно – цифровой информации…………………….47
3 Комбинационные устройства………………………………………………….50
3.1 Дешифратор и шифратор……..…………………………………………….50
3.2 Мультиплексор и демультиплексор…..…………………………………..53
3.3 Сумматоры…………………….…………………………………………….57
3.4 Преобразователи кодов…………………….……………………………….61
3.5 Шинный формирователь…………….……………………………………..63
4 Последовательностные устройства…………………………………………..65
4.1 Асинхронные триггеры………….…………………………………………66
4.2 Синхронные триггеры……………..……………………………………….73
4.3 Способы управления триггерами….………………………………………78
5 Элементы цифровых устройств……..………………………………………..79
5.1 Уровни представления вычислительных устройств….………………….79
5.2 Структура цифрового устройства……………………..…………………..80
5.3 Операционные элементы……………………………..……………............81 5.3.1 Регистры……………………………...………………………………….81
5.3.2 Счётчики……………………………..………………………………….90
5.3.3 Арифметико - логические устройства…...……………………………97
Литература ……………………………………………………………………….99
Введение
В зависимости от принципа организации вычислительного процесса все вычислительные устройства делятся на аналоговые (ЭВМ непрерывного действия) и цифровые (ЭВМ дискретного действия).
В аналоговых машинах сложность задачи влияет на количество задействованного оборудования и при смене программы требуется переделка схемы. Вычислительный процесс разворачивается, как бы, в пространстве. В цифровых вычислительных машинах увеличение сложности задачи приводит к увеличению времени счета и не влияет на количество оборудования. Процесс вычисления разворачивается во времени. Здесь легко хранить результаты и переходить с одной программы на другую.
Этим двум типам вычислительных машин соответствуют электрические
сигналы: аналоговый и цифровой.
Аналоговый сигнал есть непрерывная функция непрерывного времени. Это значит, что в произвольный момент времени можно найти значение сигнала с любой точностью.
Цифровой сигнал - дискретная функция дискретного времени nT (рис.1), где n-номер такта (n = 1,2,3,4,...), T- шаг дискретизации по времени.
Рисунок 1 – Цифровой сигнал
Здесь сигнал принимает только фиксированные значения, определяемые шагом квантования по амплитуде - dU (связано с разрядностью счета или точностью представления числа).
Аналоговые машины работают с аналоговыми сигналами, поэтому их быстродействие принципиально выше, чем у цифровых так как отсутствует квантование по времени.
Цифровые ЭВМ работают с цифровыми сигналами. Их быстродействие определяется шагом дискретизации по времени, а точность представления сигнала – числом уровней квантования. Конечно, это недостатки цифровых вычислителей, но уже существуют машины с быстродействием до 100 млрд. оп /сек , а точность – до 40 десятичных разрядов, что достаточно для решения большинства технических задач, возлагаемых на вычислительную технику.
Мы будем рассматривать только цифровые вычислительные машины. В их основу положена цифровая схемотехника.
В зависимости от назначения все цифровые машины делятся на:
1) микрокалькуляторы.
2) микро ЭВМ – это вычислитель, встроенный в прибор, станок, автомобиль или другое устройство.
3) мини ЭВМ – более мощные машины с развитой периферией. На их основе создают автоматизированные системы управления (например, диспетчерские пульты или системы продажи билетов).
4) персональные компьютеры (ПК)– по параметрам соответствуют мини ЭВМ, но значительно меньше по габаритам. Первые ПК появились в 1975 году, когда фирма APPLE выпустила их в количестве 575 шт. В 2001 году каждая семья в США имела по два ПК.
5) универсальные ЭВМ.
6) быстродействующие ЭВМ, на их основе строятся вычислительные центры (кустовые и региональные) для решения сложных управленческих задач. Например, гидрометеослужба, системы наблюдения за воздушным пространством, управление флотами и др.
7) сверхбыстродействующие ЭВМ - престижные ЭВМ для решения специальных задач.
Особую группу вычислительных устройств составляют микропроцессоры (МП). МП - это большая интегральная схема (ИС) с программируемой логикой работы. МП самостоятельного значения не имеет (у него нет памяти и устройств ввода/ вывода информации) и может работать только в составе микропроцессорной системы (МПС). МП имеют разрядность 4,8,10,12,16,32,64 бит (двоичных разрядов). Тактовая частота работы достигает единиц ГГц и они являются базой любого современного вычислителя.
1 Логические основы электронно-вычислительных
устройств