МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Челябинский металлургический колледж

Рабочая тетрадь

для лабораторных и практических работ

по дисциплинам:

«Микропроцессорная техника»

«Вычислительная техника»

для специальностей:

1806 «Техническая эксплуатация, обслуживание и ремонт электрического и электротехнического оборудования», 2101 «Автоматизация технологических процессов и

ПРОИЗВОДСТВ».

■4 Ж £¥5

Студент:

Группа:

Проверил^

Челябинск 2002

Настоящее учебное пособие предназначено для проведения лабораторных работ по курсу «Микропроцессорная техника» для специальности 1806 «Техническая эксплуатация, об­служивание и ремонт электрического и электротехнического оборудованиям «Вычислительная техника» для специальности 2101 «Автоматизация технологических процессов и производств».

Часть лабораторных работ проводится в компьютерном классе с использованием про­граммы «Electronics Workbench», часть в оборудованной микроконтроллерами MCS - 51 лабора­тории. Инструментарий программы «Electronics Workbench» позволяет наглядно исследовать ра­боту различных узлов ЭВМ, схем и элементов и закрепить пройденный в лекционном курсе мате­риал. Лабораторные работы по программированию микроконтроллеров MCS -51 на языке низ­кого уровня ASSEMBLER помогает в приобретении базовых знаний по решению простейших задач, реализации параллельного ввода - вывода и системы прерываний микроконтроллеров.

Комплекс лабораторных работ подготовлен в соответствии с существующими требова­ниями к современной подготовке специалистов. Основными задачами, которые преподаватель ставит перед студентами, являются систематизация знаний и умение анализировать логические схемы и узлы ЭВМ.

Накануне проведения лабораторной работы студент должен:

£□ повторить теоретический курс по данному материалу в лекциях и в разделе «Крат- хне сведения из теории», который находится перед соответствующей лабораторной работе;

— проконтролировать самостоятельно свои знания путем ответов на контрольные во- тт : :< данной лабораторной работе.

В начале занятия проводится контроль знаний студента ответом на вопросы коллок- Biro.ra теста . Студенты, не ответившие на три вопроса из пяти, к проведению лабораторной ра­боты не допускаются;

В ходе проведения работы студент должен провести все эксперименты и исследования, заполнить таблицы, сделать выводы и ответить на вопросы к соответствующей лабораторной ра- Т:те Зачет по лабораторной работе ставится после выполнения указанных требований и ответа на вопросы преподавателя по ходу проведения работы и сделанным выводам по работе схемы, ; зла ЭВМ или составленной программы.

\о лаб. работы	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	Итог
Оценка

Настоящее учебное пособие предназначено для проведения лабораторных работ по курсу «Микропроцессорная техника» для специальности 1806 «Техническая эксплуатация, об­служивание и ремонт электрического и электротехнического оборудования»и «Вычислительная техника» для специальности 2101 «Автоматизация технологических процессов и производств».

Часть лабораторных работ проводится в компьютерном классе с использованием про­граммы «Electronics Workbench», часть в оборудованной микроконтроллерами MCS -51 лабора­тории. Инструментарий программы «Electronics Workbench» позволяет наглядно исследовать ра­боту различных узлов ЭВМ, схем и элементов и закрепить пройденный в лекционном курсе мате­риал. Лабораторные работы по программированию микроконтроллеров MCS - 51 на языке низ­кого уровня ASSEMBLER помогает в приобретении базовых знаний по решению простейших задач, реализации параллельного ввода - вывода и системы прерываний микроконтроллеров.

Комплекс лабораторных работ подготовлен в соответствии с существующими требова­ниями к современной подготовке специалистов. Основными задачами, которые преподаватель ставит перед студентами, являются систематизация знаний и умение анализировать логические схемы и узлы ЭВМ.

Накануне проведения лабораторной работы студент должен:

Ш повторить теоретический курс по данному материалу в лекциях и в разделе «Крат­кие сведения из теории», который находится перед соответствующей лабораторной работе;

/' проконтролировать самостоятельно свои знания путем ответов на контрольные во­просы к данной лабораторной работе.

В начале занятия проводится контроль знаний студента ответом на вопросы коллок­виума (теста). Студенты, не ответившие на три вопроса из пяти, к проведению лабораторной ра­боты не допускаются;

В ходе проведения работы студент должен провести все эксперименты и исследования, заполнить таблицы, сделать выводы и ответить на вопросы к соответствующей лабораторной ра­боте. Зачет по лабораторной работе ставится после выполнения указанных требований и ответа на вопросы преподавателя по ходу проведения работы и сделанным выводам по работе схемы, узла ЭВМ или составленной программы.

№ лаб. работы	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	Итог
Оценка

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1_: «Возможности, компоненты и приборы программы Electronics Workbench».

Цель работы: Познакомиться с основными компонентами и приборами программы Elec tronics Workbench, научиться моделировать и исследовать схемы.

Приборы и элементы: Логический пробник, элементы И, ИЛИ, НЕ.

Общие сведения о структуре окон и системы меню

Рабочее окно программы версии 5.0 показано на рисунке 1. Окно программы содержит поле меню, линейку контрольно-измерительных приборов и линейку библиотек компонентов, одна из которых в развернутом виде показана в верхней части окна. В рабочем поле программы располагается моделируемая схема с подключенными к ней иконками контрольно-измерительных приборов. При необходимости каждый из приборов может быть развернут для установки режимов его работы и наблюдения результатов. Линейки прокрутки используются только для перемещения схемы.

Рисунок 1 - Окно программы EWB 5.0

1.1 Меню File

Меню File предназначено для загрузки и записи файлов, получения твердой копии вы­бранных для печати составных частей схемы.

"■ New, Open, Save, Save As - соответственно создание нового, открытие существующе­го, сохранение файла под существующим и под определенным именем.

,. Revent to Saved - стирание всех изменений, внесенных в текущем сеансе редактирова­ния, и восстановление схемы в первоначальном виде.

Exit - выход из программы.

л

1.2 Меню Edit

Меню Edit позволяет выполнять команды редактирования схем и копирования экрана.

Cut - стирание (вырезание) выделенной части схемы с сохранением ее в буфере обмена;

Сору - копирование выделенной части схемы в буфер обмена;

Paste Щ вставка содержимого буфера обмена на рабочее поле программы;

Delete - удаление выделенной части схемы;

Select All - выделение всей схемы;

Copybits - команда превращает курсор мыши в крестик, которым по правилу прямо­угольника можно выделить нужную часть на экране, после отпускания левой кнопки мыши выде­ленная часть копируется в буфер обмена;

Show Clipboard - показать содержимое буфера обмена.

1.3 Меню Circuit

Меню Circuit используется при подготовке схем, а также для задания параметров моде­лирования.

Rotate - поворот компонента на 90° по часовой стрелке;

Flip Horizontal - зеркальное отображение компонента по горизонтали;

Flip Vertical - зеркальное отображение компонента по вертикали;

(команда выполняется после

выделенного

компонента

Введены дополнительные команды управления расположением графического изображе­ния компонентов:

Component Properties - свойства компонентов двойного щелчка по компоненту или нажатия кнопки:

"Label... - ввод позиционного обозначения (например, для резистора - R1);

Value... - изменение номинального значения параметра компонента с помощью диалого­вого окна;

^ Fault — имитация неисправности выделенного компонента путем введения:

• Leakage - сопротивление утечки;

• Short - короткого замыкания;

• Open - обрыва;

• None - неисправность отсутствует (включено по умолчанию).

Display - задается характер вывода на экран обозначений компонента;

Zoom Im, Zoom Out - команды масштабирования схемы: увеличения Zoom Im и умень- шения Zoom Out с указанием масштаба в диапазоне 50 - 200%, Эти команды могут быть выпол­нены также с обозначениями:

1.4 Меню Mialysis

Activate - запуск моделирования;

Stop - остановка моделирования;

помощью мнемонических средств со стандартными

Pause - прерывание моделирования (кнопка находится под кнопкой пуска); ?

Команды запуска и остановки моделирования выполняются нажатием кнопки, распо­ложенной в правом верхнем углу.

Analysis Options - набор команд для установки параметров моделирования;

Display Graphs - уменьшение окна программы.

Model... - выбор модели компонента:

Library - перечень библиотек, в которых находятся компоненты выбранного типа;

Model - перечень моделей компонентов выбранной библиотеки;

Wire Color... - изменение цвета предварительно выделенного проводника (выделенный проводник утолщается). Необходимость расцветки особенно важна для проводников, соединяю­щих контрольные точки (узлы) схемы с осциллографом или логическим анализатором, - в этом случае цвет проводника определяет цвет осциллограммы.

Preferences... - выбор элементов оформления схемы в соответствии с меню, в котором опции имеют следующие значения:

Show grid - показывать сетку для удобства рисования схемы;

Show labels - показывать позиционные обозначения компонентов, например, CI, С2 для конденсатора;

Show models - показывать наименование моделей компонентов, например типов счетчи­ков;

Show values - показывать номиналы компонентов, например, сопротивления резисторов.

I Основные компоненты программы, используемые в лабораторных работах:

_vi .

Точка соединения проводников, используемая также для введения на схему надписей длиной более 14 символов (других способов введения текста в EWB не существует);

Источник произвольного постоянного напряжения и последовательно включенный резистор

Группа цифровых микросхем (в группе собраны модели цифровых ИМС серий SN74 и CD4000 (отечественные ИМС серий 155 и 176 соответственно)). Для конкретных ИМС вместо символов хх ставятся соответствующие номера.

Группа логических цифровых микросхем: соответственно логические элементы И, ИЛИ, НЕ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ, исключающее ИЛИ, исключающее ИЛИ-НЕ, тристабильный буфер (элемент с тремя состояниями), буфер и элемент НЕ на базе триггера Шмитта.

Группа цифровые микросхемы: соответственно полусумма­тор, полный сумматор, RS-триггер, JK-триггер, D-триггер. Внизу расположены иконки серийных микросхемы соответственно мультиплексоров, декодеров, кодеров и арифметико-логических устройств.

Группа индикаторных устройств: соответствен­но вольтметр, амперметр, лампа накаливания, светоиндикатор (логический пробник), семисег- ментный индикатор, семисегментный индикатор с дешифратором, зуммер, линейка из десяти независимых светодиодов и линейка из десяти свето- диодов со встроенными АЦП.

Панель контролъно-изерителъных приборов: соответственно цифрровой мультиметр, функциональный генератор, двухканальный осциллограф, измеритель амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик, генератор слов.. (кодовый генератор), 8-канальный логический

_{г г ч} „ _{г ГУ}, ■ анализатор

преобразователь. Общий порядок работы с приборами такой: иконка прибора мышью переносится на рабочее поле и подключается проводниками к исследуемой схеме.для приведения прибора в рабочее (развернутое) состояние необходимо дважды щелкнуть левой клавишей мыши по его иконке.

Основные приборы, используемые в лабораторных работах:

О IX

Генератор слова (Word Generator)

Внешний вид генератора в развернутом виде показан на рисунке 1. Генератор слов пред­назначен для генерации 16-ти разрядных двоичных слов, которые набираются пользователем на экране, расположенном в левой части лицевой панели. Для набора двоичных комбинаций необхо­димо щелкнуть мышью на соответствующем разряде и затем ввести с клавиатуры 0 или 1. Даль­нейшие перемещения по полю экрана удобнее проводить не с помощью мыши, а клавишами управления курсором. Номер редактируемой ячейки фиксируется в окошке EDIT блока ADRESS. В процессе работы генератора в отсеке ADRESS индицируется номер текущей ячейки (GURRENT), ячейки инициализации или начала работы (INITIAL) и конечной ячейки (FINAL). Выдаваемые на 16-ти выходов (в нижней части генератора) кодовые комбинации индицируются в текстовом (ASCII) и двоичном коде (BINARI).

К дополнительным органам управления относится кнопка BREAKPOINT - прерывание работы генератора в указанной ячейке. При этом требуемая ячейка выбирается на дисплее генера­тора курсором, а затем нажимается кнопка BREAKPOINT.

Рассмотрим функции кнопки PATTERN:

Clear buffer - стереть содержимое всех ячеек (содержимое буфера экрана);

Open - загрузить кодовые комбинации;

Save - записать все набранные на экране комбинации i

файл;

Up counter - заполнить буфер экрана кодовыми комбинациями, начиная с 0 в нулевой ячейке и далее с прибавлением 1 в каждой последующей ячейке;

Down counter - заполнить буфер экрана кодовым! комбинациями, начиная с 0 в нулевой ячейке и далее с уменьшением 1 в каждой последующей ячейке;

Shift right - заполнить каждые четыре ячейки комбинациями 1-2-4-8 со смещением их в следующих ячейках вправо:

Shift left - то же самое, но со смещением

влево.

Логический анализатор (Logic Analyzer)

Внешний вид логического анализатора показан на рисунке 2. анализатор предназначен для отображе­ния на экране монитора 8-ми разрядных кодовых

и логическии

последовательностей одновременно в восьми точ­ках схемы, а также в виде двоичных чисел на

входных клеммах-индикаторах и в виде шестнадцатеричных чисел в окне HEX. Длительность раз­вертки задается в окне TIME BASE, при нажатии кнопки CLFAR информация на экране стирается.

В блоке TRIGGER расположены кнопки запуска по положительному (включена по умол­чанию) или отрицательному спаду сигнала и клемма для подключения внешнего источника син­хронизации, например, генератора слова (подключается после нажатия кнопки EXTERNAL). Кроме того, предусмотрен автозапуск (после нажатия кнопки BURST) и запуск по заданной дво­ичной комбинации (после нажатия кнопки PATTERN), устанавливаемой пользователем в окошке под кнопкой путем введения туда с клавиатуры 1, 0 или X (неопределенной состоние),предварительно щелкнув мышью на нужном разряде.

Рисунок 3 - Развертка логического преобразователя

Логический преобразователь (Logic Converter) Внешний вид логического преобразователя показан на рисунке 3. на лицевой панели преобразователя показаны клеммы-индикаторы входов А, В,..., Н, и одного выхода OUT, экран для отображения таблицы истинности исследуемой схемы, экран- строка для отображения ее булева выражения (в нижней части). В правой части панели расположены кнопки управления процессом преобразования (CONVERSIONS).

Возможные варианты преобразования: 1. Логический анализ n-входового устройства с одним выходом (входы исследуемого устройства подключатся к клеммам А...Н, а выход - к клемме OUT). В этом случае, используя

па;

КНОПКИ УГТПЯОrmrrv/UMiv.f

1 - таблицу истинности исследуемого устройства;

• булево выражение, реализуемое устройством;

• минимизированное булево выражение;

• схему устройства на логических элементах без ограничения их ти-

• схему устройства только на логических элементах И-НЕ.

2. Синтез логического устройства по таблице истинности.

   1. Щелчком мыши по входным клеммам А, В, ..., Н, начиная с клеммы А, активизиру­ем мышью требуемое число входов анализатора, в результате чего на экране анализатора получим начальную таблицу истинности, в которой будут представлены все возможные комбинации вход­ных сигналов и соответствующие им значения логических сигналов (0 или 1) в столбце OUT.

   2. Отредактируем полученную таблицу в соответствии с заданием путем записи 0, 1 или X в столбце OUT в строках, которые по комбинациям входных сигналов соответствуют за­данным. Пусть, например, в первой строке при комбинации входных сигналов 0000 нужно полу­чить на выходе не 0, а 1. Для этого ставим курсор мыши на первую строку в столбце OUT, произ­водим щелчок и на клавиатуре вводим 1. Дальнейшие перемещения с целью редактирования ос­тальных строк столбца OUT удобнее производить с помощью клавиш управления курсором. При этом данные в столбцах F, D, С и D

3. Синтез логического устройства по булевому выражению.

   1. Булево выражение заносится в экран-строку, предварительно активизируя там мы­шью курсор. Используя символы А...Н при инверсии-А'...Н'.

   2. Нажимая кнопку zt... ¹ '-!¹ J, получаем таблицу истинности.

Порядок проведения работы

1. Войдите в программу Electronics Workbench, для чего:

   1. Включите компьютер (сначала монитор, затем системный блок);

   2. На рабочем столе Windows нажмите ярлык Wewb 32

2. Ознакомьтесь с основными компонентами и меню программы Electronics Workbench:

   1. Создайте новый файл (выберите в меню File - New);

   2. Ознакомьтесь со всеми группами компонентов, запомните основные (см. теоретиче­скую часть лабораторной работы);

   3. Соберите схему простейшей логической сети (см. рисунок 4):

      1. Для того чтобы переместить компонент на рабочее поле необходимо найти его в оп­ределенной группе компонентов, выделить, нажав левую клавишу мыши Меню Circuit, и не от­пуская клавиши перенести компонент;

      2. Для правильной ориентации компонента используйте кнопки зеркальных отобра­жений компонентов (см. описание в Меню Circuit)-,

xl	х2	хЗ	х4	У
0	0	0	0
0	0	0	1
0	0	1	0
0	0	1	1
0	1	0	0
0	1	0	1
0	1	1	0
0	1	1	1
1	0	0	0
1	0	0	1
1	0	1	0
1	0	1	1
1	1	0	0
1	1	0	1
1	1	1	0
1	1	1	1

Таблица 1 - Таблица истинности

Рисунок 4 - Логическая сеть

2.3.3 Для обозначения компонентов необходимо два­жды щелкнуть по компоненту и в окне Component Properties (свойства компонентов) выбрав параметр Label ввести желае­мое имя компонента.

4. Включите работу схемы, для чего нажмите кноп­ку «пуск» в правом верхнем углу;

5. Исследуйте работу схемы, подав на входы раз­личные комбинации, и заполните таблицу истинности (таблица 1)

6. Запишите булево выражение для выхода системы ворот, изображенной на рисунке 4.

7. Соберите логическую сеть, реализующую булево выражение у = ((а + Ь) & (с + cl))' покажите преподавателю, при выходе из программы на вопрос «Save changes mable to «имя фай­ла»» ответьте, НЕТ. '

Контрольные вопросы

1. Какой командой можно восстановить схему в ее первоначальном виде после внесе­ния изменений?

2. Что обозначает выделение объекта? Выделите часть схемы и попытайтесь перемес­тить в другое место экрана, пользуясь клавишами управления курсором или мышью.

3. Какой командой можно присвоить компоненту позиционное обозначение (xl,х2...)?

4. Каким образом можно масштабировать размеры изображения схемы?

5. Назовите элемент для образования в схеме узла соединений? Какие дополнительные функции может он выполнять?

6. Как можно повернуть компонент на определенный угол, зеркально отобразить его?

7. Для чего предназначен генератор слов?

3. Логические схемы.

Физическое устройство, реализующее одну из операций алгебры логики или простей­шую логическую функцию, называется логическим элементом. Схема, составленная из конечного числа логических элементов по определенным правилам, называется логической схемой (логиче­ской сетью). Основным логическим функциям соответствуют выполняющие их схемные элементы.

Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Исследование логической функции «И»

1.1. Задание уровней логических сигналов.

Откройте файл с12_01 со схемой, изображенной на ри­сунке 1.1. В этой схеме два двухпозиционных переключателя А и В подают на входы логической схемы «И» уровни 0 (контакт переключателя в нижнем положении) или 1 (контактпереключателя Рисунок 1.1-Схема «И» в верхнем положении).

Включите схему. Установите переключатель В в нижнее положение. Измерьте вольтметром напряжение на входе В и определите с помощью логического пробника уровень логического сигнала. Установите переключатель В в верхнее положение. Определите уровень ло­гического сигнала и запишите показания вольтметра; укажите, какой логический сигнал форми­руется на выходе Y. Результаты занесите в таблицу 1.1.

Таблица 1.1- Задание уровней логических сигналов в схеме «И».

Задание уровней логических сигналов	Измерение
Напряжение на входе В (ключ В в нижнем положении), В
Логический сигнал на входе В (ключ В в нижнем положении)
Напряжение на входе В (ключ В в верхнем положении), В
Логический сигнал на входе В (ключ В в верхнем положении)
Логический сигнал на выходе Y

1.2. Экспериментальное получение таблицы истинности элемента «И».

Входы		Выход
А	В	Y
0	0
0	1
1	0
1	1

Подайте на входы схемы все возможные комбинации уровней сигналов А и В и для каждой комбинации зафиксируйте уровень выходного сигнала Y. Заполните таблицу истинности логиче­ской схемы «И» (таблица 1.2.). Таблица 1.2 - Таблица истинности элемента «И»

1.3.Получение аналитического выражения для функции.

По таблице 1.2. составьте аналитическое выражение функции элемента «И».

аналитическое выражение функции: (ответ)

Эксперимент 2. Исследование логической функции «И-НЕ».

2.1. Экспериментальное получение таблицы истинно­сти логического элемента «2И-НЕ», составленного из логиче­ских элементов «2И» и «НЕ».

Соберите схему, изображенную на рисунке 2.1. Включите схему. Подайте на входы схемы все возможные комбинации уровней входных сигналов и, наблюдая уровни сигналов на входах и выходе с помощью логических пробников, заполните таблицу истинности логической схемы «2И-НЕ» (таблица 2.1.).

Рисунок 2.1- Схема «2И-НЕ» 2.2. Экспериментальное получение таблицы истинности логического элемента «2И-НЕ».

Соберите схему, изображенную на рисунке 2.2. Включите схему. Подайте на входы схемы все возможные комбинации уровней входных сигналов и, наблюдая уровни сигналов на входах и вы­ходах с помощью логических пробников, заполните таблицу истинности логической схемы «2И- НЕ» (таблица 2.2.).

Таблица 2.1 - Таблица истинности Таблица 2.2 - Таблица истинности

логического элемента «2И-НЕ» логического элемента «2И-НЕ»

Входы			Выход
А	В		Y
0	0
0	1
1	0
1	1
Входы				Выход
А		В		Y
0		0
0		1
1		0
1		1

Сравните таблицы 2.1 и 2.2 между собой. Сделайте вывод.

Эксперимент 3. Исследование логической функции «ИЛИ».

3.1.Экспериментальное получение таблицы истинности логического элемента «ИЛИ».

Соберите схему, представленную на рисунке 3.1. Вклю­чите схему. Подайте на входы схемы все возможные комбина­ции уровней входных сигналов и, наблюдая уровни сигналов на входах и выходе с помощью логических пробников, заполните таблицу истинности логической схемы «ИЛИ» (таблица 3.1). Рисунок 2.2 - Схема «2И-НЕ»

Рисунок 3.1-Схема «ИЛИ»

Таблица 3.1 - Таблица истинности логического элемента «ИЛИ»

Входы			Выход
А	В	Y
0	0
0	1
1	0
1	1

3.2. Получение аналитического выражения для функции.

По таблице 3.1 составьте аналитическое выражение функции элемента «ИЛИ».

аналитическое выражение функции: (ответ)

Эксперимент 4. Исследование логической функции «ИЛИ-НЕ».

4.1. Экспериментальное получение таблицы ис­тинности логического элемента «2ИЛИ-НЕ», составленного из элементов «2ИЛИ» и «НЕ».

Соберите схему, изображенную на рисунке 4.1. Включите схему. Подайте на входы схемы все возможные комбинации уровней входных сигналов и, наблюдая уровни сигналов на входах и выходе с помощью логических пробников, заполните таблицу истинности логической схемы «2ИЛИ-НЕ» (таблица 4.1.).

Рисунок 4.1 - Схема «ИЛИ-НЕ»

Таблица 4.1 - Таблица истинности логического элемента «2ИЛИ-НЕ»

Входы		Выход
А	В	Y
0	0
0	1
1	0
1	1

входы

сигналов на входах и выходе с помощью логических пробников, заполните таблицу истинности логической схемы «2ИЛИ-НЕ» (таблица 4.2.). Сравните таблицы 4.1 и 4.2 между собой. Сделайте вывод.

Соберите схему, изображенную Включите схему. Подайте на схемы все возможные комбинации уровней входных сигналов и, наблюдая уровни

рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 - Схема «2ИЛИ-НЕ»

4.2. Экспериментальное получение таблицы истинности логического элемента «2ИЛИ-НЕ».