Цифровые устройства и микропроцессоры
1. Расставить числа в порядке возрастания и объяснить свой выбор (8910, 2Е16, 578, 1110112)
2. Выполнить арифметические операции над двоичными числами, используя обратный код: а) 10111012-1101112; b)10101112-11100112
3. Упростить выражение, применив правила де Моргана и основные тождества алгебры логики: а) , b)
4. По таблице работы логического устройства записать СКНФ:
a) получить минимальную нормальную форму (МКНФ) с помощью метода Квайна;
b) построить логическую схему устройства в базисе ИЛИ-НЕ;
c) провести анализ работы полученной схемы при х1=1, х2=0, х3=0.
5. Нарисовать символическое изображение и таблицу работы синхронного RS-триггера. В какое состояние перейдёт триггер, если на его входы последовательно подавать сигналы:
6. Построить схему регистра D-триггеров для записи числа 1010, начиная с цифры младшего разряда. Составить таблицу состояний его триггеров, показывающую запись отдельных цифр
7. Частота следования импульсов на выходе второго триггера счётчика – 256 кГц. Сколько триггеров должен иметь счётчик, чтобы на его выходе получить импульс с частотой 32 кГц, 4 кГц
8. Построить схему суммирующего счётчика Т-триггеров ёмкостью 28
9. Разработать логическую схему таймера с прямым отсчётом времени и выдачей звукового сигнала. Частота генератора – 1700 герц. Предусмотреть кнопки пуска, остановки и сброса. Указание: для сравнения заданного времени, следует использовать микросхему сравнения (типа К531СП1)
10. Найти по справочнику микросхему К555ИР9. Нарисовать её условное изображение и выписать параметры (с учётом обозначения):
а) типоразмер и изображение корпуса; б) напряжение питания и выводы, на которые оно подаётся; в) напряжения логических нуля и единицы; г) ток потребления (потребляемая мощность); д)диапазон рабочих частот; е) интервал рабочих температур; ж)время задержки включения (выключения); з) коэффициент объединения по входу; и) коэффициент разветвления по входу.
11. Что означают сокращения: ТТЛ, ДТЛ, n-МОП? Указать их основные отличительные характеристики
12. Назначение и основные функции микропроцессора?
13. Используя команды типового МП К1804, составить программу в машинных кодах:
> выполнить загрузку числа 12 в ячейку Q, а 9 в РОН с адресом 3;
> из первого числа вычесть число 8 из шины данных, результат разместить в РОН с адресом первого числа;
> третье число сдвинуть на один разряд вправо и сложить с суммой первых двух чисел. Результат разместить в РОН с адресом 9.
14. Использованная литература
1. Расставить числа в порядке возрастания и объяснить свой выбор:
(8910, 2Е16, 578, 1110112)
Переведём данные числа в десятичную систему исчисления, кроме 8910, так как это число уже является десятичным.
1) 2Е16 - так как 2Е16=2*16+14=4610;
2) 578 - так как 578=5*8+7=4710;
3) 1110112 - так как 1110112=32+16+8+2=5910;
4) 8910
46<47<59<89
2. Выполнить арифметические операции над двоичными числами, используя обратный код:
а) 10111012-1101112; b) 10101112-11100112
a) 10111012-1101112=1001102 _ 1011101
110111
+01011101
11001001
00100110
100110
b) 10101112-11100112=-11011 _ 1010111
1110011
+ 01010111
10001101
11100100
- 11011
3. Упростить выражение, применив правила де Моргана и основные тождества алгебры логики:
а) , b)
a)
b)
c)
4. По таблице работы логического устройства записать СКНФ:
a) получить минимальную нормальную форму (МКНФ) с помощью метода Квайна;
b) построить логическую схему устройства в базисе ИЛИ-НЕ;
c) провести анализ работы полученной схемы при х1=1, х2=0, х3=0.
Для данной функции СКНФ будет иметь вид:
a) получим МКНФ данной функции с помощью метода Квайна:
Сравним попарно все члены функции: 1 и 2 члены не имеют общих импликант; 1 и 3 члены ; 3 и 5 члены ; 4 и 5 члены .
Составим таблицу:
* *
* *
* *
Из таблицы видно, что МКНФ данной функции будет иметь вид:
b) построить логическую схему устройства в базисе ИЛИ-НЕ;
Логическая схема данного устройства в базисе ИЛИ-НЕ:
c) провести анализ работы полученной схемы при х1=1, х2=0, х3=0.
Данное устройство состоит из элементов ИЛИ-НЕ, а на его входе присутствует лог «1» (х1=1), то на его выходе тоже будет лог «1», так как для данных логических элементов активным логическим сигналом является «1», следовательно, у(1,0,0) = 1.
5. Нарисовать символическое изображение и таблицу работы синхронного RS-триггера. В какое состояние перейдёт триггер, если на его входы последовательно подавать сигналы:
Символическое изображение RS-триггера с инверсными входами:
Таблица работы синхронного RS-триггера:
Таблица-1 Таблица-2
S R C Q Режим работы Входы Выходы
Н Н / Инверсия C S R Q
L Н / Н Запись Н 0 0 0 Q
Н L / L Запись L 0 1 0 Q
L L / Q* Предшествующее состояние 0 0 1 Q
0 1 1 Q
1 0 0 Q
1 1 0 1 0
1 0 1 0 1
1 1 1 * *
Как видно из таблицы № 2, состояние сигналов на входах S=R=C=1 недопустимо, что обозначено «*» (это является основным недостатком RS-триггеров).
6. Построить схему регистра D-триггеров для записи числа 1010, начиная с цифры младшего разряда. Составить таблицу состояний его триггеров, показывающую запись отдельных цифр
Для записи 4-х разрядного числа, начиная с цифры младшего разряда, целесообразно применить не отдельные D-триггеры (К555ТМ2, ТМ7, ТМ8, ТМ9), а сдвигающий регистр К555ИР11А (смотреть рисунок). Биты 4-х разрядного числа надо подавать на вход D и сдвигать импульсами с входа L.
Десятичная запись 10 5 2 1
Двоичная запись 1010 101 10 1
7. Частота следования импульсов на выходе второго триггера счётчика – 256 кГц. Сколько триггеров должен иметь счётчик, чтобы на его выходе получить импульс с частотой 32 кГц, 4 кГц
Каждый триггер счётчика уменьшает частоту в два раза, следовательно, частота на входе счётчика – 210=1024 кГц.
Составим таблицу падения частоты на триггерах счётчика:
Частота, кГц
Вход счётчика 1024
Выход 1-го триггера 512
Выход 2-го триггера 256
Выход 3-го триггера 128
Выход 4-го триггера 64
Выход 5-го триггера 32
Выход 6-го триггера 16
Выход 7-го триггера 8
Выход 8-го триггера 4
Выход 9-го триггера 2
Выход 10-го триггера 1
Из чего следует, что для получения на выходе счётчика импульса с частотой 32 кГц, счётчик должен состоять из 5-ти триггеров. А для получения, на выходе счётчика, импульса с частотой 4 кГц, счётчик должен состоять из 8-ми триггеров.
8. Частота следования импульсов на выходе второго триггера счётчика – 256 кГц. Сколько триггеров должен иметь счётчик, чтобы на его выходе получить импульс с частотой 32 кГц, 4 кГц
Т – триггеры, в отличие от D и JK – триггеров, выпускаются в интегральной форме не в виде отдельных микросхем, а виде двоичных счётчиков, например: К555ИЕ19 – два 4-х разрядных двоичных счётчика. Ёмкость счётчика 28=4*7. При этом 710=1112.
Ниже приведена схема счётчика:
9. Разработать логическую схему таймера с прямым отсчётом времени и выдачей звукового сигнала. Частота генератора – 1700 герц. Предусмотреть кнопки пуска, остановки и сброса.
Указание: для сравнения заданного времени, следует использовать микросхему сравнения (типа К531СП1)
Частота 1,7 кГц является не стандартной частотой (в большинстве случаев применяются генераторы с кварцевым резонатором частоты, например: 100 кГц, либо с синхронизацией от сети 50 Гц). Если таймер должен отсчитывать время в секундах (в задании это не оговорено), то входную последовательность импульсов необходимо разделить на 1700=17*10*10, что легко может быть реализовано с применением микросхем К555ИЕ19 и К555ИЕ20.
Микросхема К555СП1 позволяет сравнивать без приращения разрядности 4-х разрядные двоичные коды. Так как в задании не оговорен предел измерений таймера, то мы можем ограничиться пределом 16 секунд.
Функциональная и принципиальная схемы таймера представлены ниже:
10. Найти по справочнику микросхему К555ИР9. Нарисовать её условное изображение и выписать параметры (с учётом обозначения):
а) типоразмер и изображение корпуса; б) напряжение питания и выводы, на которые оно подаётся; в) напряжения логических нуля и единицы; г) ток потребления (потребляемая мощность); д)диапазон рабочих частот; е) интервал рабочих температур; ж)время задержки включения (выключения); з) коэффициент объединения по входу; и) коэффициент разветвления по входу.
Условное изображение ИМС К555ИР9:
Корпус 2103-16.2 (старое обозначение 238.16-1):
> шаг выводов 2,5 мм (изображение корпуса приведено на рисунке ниже);
> напряжение питания 5?5% В на 16 вывод, 0 В на 8 вывод;
> L – не более 0,4 В; Н – не менее 2,5 В, не более 5,5 В;
> ток потребления не более 3 мА;
> диапазон рабочих частот не более 25 МГц;
> интервал рабочих температур от 100С до 700С;
> время задержки включения/выключения 20 нс (Сн=15 пФ);
> коэффициент объединения по входу – 1;
> коэффициент разветвления по входу – 10.
>
11. Что означают сокращения: ТТЛ, ДТЛ, n-МОП? Указать их основные отличительные характеристики.
ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика, ДТЛ – диодно-транзисторная логика, n-МОП – логика на униполярных транзисторах с n-каналом. Все эти сокращения обозначают тип схемотехники и конструкции цифровых микросхем.
В настоящее время ДТЛ не применяется, ТТЛ вытеснены совместимыми с ними по уровням питания и сигналов сериями ТТЛШ (ТТЛ с диодами и транзисторами Шоттки (К555, К1531 и т.д.)), а n-МОП логика вытеснена КМОП (К564, К1564, К1554).
Основными параметрами, которые позволяют производить сравнение базовых ЛЭ различных серий, являются:
* напряжение источника питания – определяется величиной напряжения и величиной его изменения. ТТЛ – рассчитаны на напряжение источника питания равное 5 В ? 5%. Большая часть микросхем на КНОП структурах устойчиво работает при напряжении питания от 3 до 15 В, некоторые – при напряжении 9 В ? 10%;
* уровень напряжения логического нуля и логической единицы – это уровни напряжения, при которых гарантируется устойчивое различение логических сигналов, как нуля, так и единицы. Различают пороговое напряжение логического нуля (U0пор) и логической единицы (U1пор). Напряжение низкого и высокого уровня на выходе микросхем ТТЛ U0пор<2,4 В; U1пор>0,4 В. Для микросхем на КНОП структурах U0пор<0,3*Uпит; U1пор>0,7*Uпит. В тоже время отклонение выходных напряжений от нулевого значения и напряжения питания, достигают всего нескольких милливольт;
* нагрузочная способность – характеризуется количеством элементов той же серии, которые можно подключить к выходу элемента без дополнительных устройств согласования и называется коэффициентом разветвления по выходу. Для большинства логических элементов серии ТТЛ составляет 10, а для серии КМОП – до 100;
* помехоустойчивость – характеризуется уровнем логического сигнала помехи, которая не вызывает изменения логических уровней сигнала на выходе элемента. Для элементов ТТЛ статическая помехоустойчивость составляет не менее 0,4 В, а для серии КНОП – не менее 30% напряжения питания;
* быстродействие – определяется скорость переключения логического элемента при поступлении на его вход прямоугольного управляющего сигнала требуемой величины. Предельная рабочая частота микросхем серии ТТЛ составляет 10 МГц, а микросхем на КНОП структурах – лишь 1 МГц. Быстродействие определяется так же, как и среднее время задержки распространения сигнала: , где и - времена задержки распространения сигнала при включении и выключении. Для микросхем ТТЛ составляет около 20 нс, а для микросхем на КНОП структурах – 200 нс;
* потребляемая микросхемой от источника питания мощность – зависит от режима работы (статистический и динамический). Статистическая средняя мощность потребления базовых элементов ТТЛ составляет несколько десятков милливатт, а у элементов на КНОП структурах она более чем в тысячу раз меньше. Следует учитывать, что в динамическом режиме, мощность, потребляемая логическими элементами, возрастает;
* надёжность – характеризуется интенсивностью частоты отказов. Средняя частота отказов микросхем со средним со средним уровнем интеграции составляет: 1/час.
Для согласования уровня сигналов ТТЛ и КНОП применяют специальные ИМС (например, К564ПУ4).
12. Назначение и основные функции микропроцессора?
Процессор предназначен для выполнения арифметической и логической обработки информации. Арифметические и логические операции можно выполнять как на дискретных элементах и на основе микросхем малой и средней степени интеграции, что приводит к росту размеров процессора, так и на БИС. В последнем случае говорят о микропроцессоре (МП).
К функциям микропроцессора можно отнести:
> выбор из программной памяти ЭВМ команд, дешифрация и выполнение их;
> организация обращения к памяти и устройствам ввода-вывода;
> выполнение запросов на прерывание;
> подача сигналов ожидания для синхронизации работы с медленно действующими устройствами памяти и ввода-вывода информации;
> подача сигналов прямого доступа к памяти и другие сигналы;
> формирование сигналов управления для обращения к периферийным устройствам.
Работа МП организуется по командам, записанным в памяти и поступающим в МП в порядке возрастания номеров ячеек, в которые они записаны.
13. Используя команды типового МП К1804, составить программу в машинных кодах:
> выполнить загрузку числа 12 в ячейку Q, а 9 в РОН с адресом 3;
> из первого числа вычесть число 8 из шины данных, результат разместить в РОН с адресом первого числа;
> третье число сдвинуть на один разряд вправо и сложить с суммой первых двух чисел. Результат разместить в РОН с адресом 9.
Программа в машинных кодах
М2 Т8 Т7 Т6 М1 Т2 Т1 Т0 С Т5 Т4 Т3 А3 А2 А1 А0 В3 В2 В1 В0 D3 D2 D1 D0
а 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0
0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1
б 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0
в 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0
0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1
14. Использованная литература
1. «Цифровые интегральные микросхемы устройств охранно-пожарной сигнализации», В. Болгов - Воронеж 1997 г.
2. «Основы микропроцессорной техники», В. Болгов, С. Скрыль, С Алексеенко – Воронеж 1997 г.
3. «Цифровые устройства и микропроцессоры», учебно-методическое пособие, Болгов В.В. – Воронеж 1998 г.
11