Цифровые устройства и микропроцессоры МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОРОНЕЖСКИЙ ИНСТИТУТ № 1 по предмету “Цифровые устройства и микропроцессоры” Вариант 8 Выполнил: слушатель ­­31 учебной группы радиотехнического факультета з/о Оларь Андрей Геннадьевич шифр 00/72 347800 Ростовская область г. Каменск ул. Героев-Пионеров д. 71 кв. 72 Проверил: “_____” _______________ 200__ г. ВОРОНЕЖ 2002 г. Задания стр. 1. Расставить числа в порядке возрастания и объяснить свой выбор (8910 , 2Е16 , 578 , 1110112 ) ......................................................................... - 4 2. Выполнить арифметические операции над двоичными числами, используя обратный код: а) 10111012 -1101112 ; b )10101112 -11100112 .......... - 4 3. Упростить выражение, применив правила де Моргана и основные тождества алгебры логики: а) , b ) ................................................................... - 4 4. По таблице работы логического устройства записать СКНФ:..... - 5 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 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 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.......... - 7 8. Построить схему суммирующего счётчика Т-триггеров ёмкостью 28...................................................................................................... - 8 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) ................................................................................... - 8 10. Найти по справочнику микросхему К555ИР9 . Нарисовать её условное изображение и выписать параметры (с учётом обозначения):.................................................................................................. - 11 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 12. Назначение и основные функции микропроцессора?.................... - 13 13. Используя команды типового МП К1804, составить программу в машинных кодах:............................................................................ - 14 - 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........................................................... - 14 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) 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 100 С до 700 С; - 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 (U0 пор ) и логической единицы (U1 пор ). Напряжение низкого и высокого уровня на выходе микросхем ТТЛ U0 пор <2,4 В; U1 пор >0,4 В. Для микросхем на КНОП структурах U0 пор <0,3*Uпит ; U1 пор >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.