609

2

УДК 004.384

Микропроцессорная техника: методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 15.03.04 –

Автоматизация технологических процессов и производств для очной формы обучения / А.В. Стариков; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО

«ВГЛТУ». – Воронеж, 2016. – 16 с.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ВГЛТУ

Рецензент: заведующий кафедрой электротехники и автоматики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», доктор технических наук, профессор Афоничев Д.Н.

3

Введение

Учебный план по направлению подготовки бакалавра 15.03.04 – «Автоматизация технологических процессов и производств» включает изучение дисциплины «Микропроцессорная техника» в течение 4-го семестра в объеме 144 часов, из которых 36 часов отводится для лекционных занятий, 36 часов − для лабораторных работ, 54 часа − для самостоятельной работы студентов. Итоговый контроль осуществляется в виде сдачи экзамена. Кроме того, учебным планом предусматривается выполнение и защита курсовой работы по данной дисциплине.

Рабочая программа дисциплины определяет в качестве основной цели − усвоение студентами основ микропроцессорной техники, методов построения и функционирования микропроцессоров, использования и программирования

микропроцессорных устройств для создания автоматизированных и автоматических систем регулирования и управления технологическими процессами и производствами.

Для достижения данной цели в ходе изучения дисциплины решаются следующие задачи:

∙ознакомление с общими вопросами организации микропроцессоров и микропроцессорных систем, систем ввода-вывода информации, основными принципами построения микрокомпьютеров (микро-ЭВМ);

∙изучение логических, математических и технических основ построения микропроцессоров и микропроцессорных систем;

∙уяснение логики построения цифровых элементов, а на их основе − запоминающих и процессорных устройств, интерфейсов;

∙усвоение основных принципов представления чисел в различных системах счисления, способов преобразования чисел из одной системы счисления в другую, правил алгебры логики, принципов

функционирования комбинационных и последовательностных устройств, элементов программирования микропроцессоров в машинных кодах и на языке ассемблера;

∙приобретение навыков работы с учебно-лабораторным стендом

«Основы автоматики и вычислительной техники» (ОАВТ).

В результате освоения дисциплины «Микропроцессорная техника» студент должен:

∙знать: логические, математические и технические основы построения цифровых элементов микропроцессорной техники, микропроцессоров и микро-ЭВМ; архитектуру микропроцессоров и принципы их построения; систему команд и язык программирования микропроцессоров; интерфейсы микропроцессора; основные задачи, решаемые при построении микро-ЭВМ; типы микроконтроллеров, применяемых в системах управления технологическим оборудованием;

∙уметь: осуществлять перевод чисел из одной системы счисления в другую; выполнять арифметические действия над двоичными числами в прямом и дополнительном кодах; применять законы алгебры логики

4

для формирования логических функций управления, минимизировать логические функции; анализировать работу и строить функциональные схемы цифровых элементов автоматики;

∙владеть: методикой и практическими приемами выполнения лабораторных работ с использованием учебно-лабораторного стенда «Основы автоматики и вычислительной техники» (ОАВТ).

1 Содержание учебной дисциплины

В соответствии с рабочей программой освоение дисциплины «Микропроцессорная техника» предусматривает изучение следующих разделов (тем) и вопросов, входящих в их состав:

Раздел 1. Введение. Задачи дисциплины. Понятие и классификация микро-ЭВМ. Современные микро-ЭВМ. Тенденции развития вычислительной техники.

Раздел 2. Представление информации в компьютере, кодирование числовых и символьных данных, арифметические операции с двоичными числами. Понятие системы счисления. Основные свойства позиционных систем счисления. Двоичные, восьмеричные и шестнадцатеричные числа. Двоично-десятичные числа. Прямой, обратный и дополнительный код числа. Двоичная арифметика. Буквенно-цифровое кодирование данных.

Раздел 3. Основы алгебры логики (булевой алгебры). Общие сведения.

Логические переменные и логические функции. Виды логических функций. Аксиомы и основные законы алгебры логики. Понятие конъюнктивной и дизъюнктивной нормальных форм. Минимизация логических функций. Синтез логических устройств.

Раздел 4. Элементы цифровых устройств. Общие сведения о цифровых устройствах. Триггеры: асинхронный и синхронный RS-триггер, D-триггер, T- триггер, JK-триггер. Регистры. Счетчики. Сумматоры. Шифраторы и дешифраторы. Мультиплексоры и демультиплексоры. Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Элементы полупроводниковой памяти.

Раздел 5. Основы построения микропроцессоров и микро-ЭВМ.

Классификация микропроцессоров. Общая структура микропроцессора. Состав команд микропроцессора. Архитектура и функционирование простой микро- ЭВМ. Организация памяти микро-ЭВМ.

Раздел 6. Принципы функционирования микропроцессоров.

Функциональная схема микропроцессора КР580ИК80А (Intel 8080). Циклы прохождения команд в микропроцессоре КР580ИК80А. Последовательность выполнения команды структурно-логическими элементами микропроцессора. Извлечение кода команды, данных из памяти или внешнего устройства. Работа в режиме захвата шины. Выполнение команды HALT (останов).

Раздел 7. Программирование микропроцессоров. Машинный язык и язык ассемблера. Состав и форматы команд. Режимы (методы) адресации. Программная модель микропроцессорной системы.

5

Раздел 8. Интерфейсы микропроцессора. Общее понятие интерфейса.

Интерфейс микропроцессора с постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) и оперативным запоминающим устройством (ОЗУ). Основные элементы интерфейса микропроцессора с подсистемой ввода-вывода.

Раздел 9. Основные задачи, решаемые при построении микро-ЭВМ.

Временнáя синхронизация процессов в микро-ЭВМ. Структура магистралей микро-ЭВМ. Протоколы обмена информацией. Протоколы арбитража. Режимы работы микро-ЭВМ. Организация прерываний в микро-ЭВМ. Организация обмена информацией с микро-ЭВМ в последовательном коде.

Раздел 10. Применение микропроцессорных систем в управлении технологическими процессами. Применение микропроцессорных систем в информационно-управляющих комплексах технологических процессов и производств. Микропроцессорные сети. Микроконтроллеры.

Назначение лекционных занятий по дисциплине «Микропроцессорная техника» − получение теоретических знаний студентами по важнейшим разделам дисциплины, а также формирование общего представления по обзорным темам (вопросам) дисциплины.

Помимо лекционных занятий, обязательным элементом изучения дисциплины «Микропроцессорная техника» является прохождение студентом лабораторного практикума. Согласно Положению о сдаче экзаменов в ФГБОУ ВО ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова студент, не выполнивший лабораторный практикум, не допускается к сдаче экзамена.

В соответствии с рабочей программой дисциплины «Микропроцессорная техника» предусматривается следующая тематика лабораторных работ (в

скобках указано нормативное количество времени, отводимое на выполнение и защиту лабораторной работы):

1.Двоичное представление информации. Арифметические операции с двоичными числами. Перевод чисел из одной системы счисления в другую (4 часа).

2.Логические переменные, функции и выражения. Вычисление логических выражений в MATLAB (4 часа).

3.Минимизация логических функций с использованием диаграмм Вейча- Карно (карт Карно). Синтез логических устройств (4 часа).

4.Исследование работы логических элементов с использованием учебно- лабораторного стенда ОАВТ (4 часа).

5.Исследование работы триггеров с использованием учебно- лабораторного стенда ОАВТ (4 часа).

6.Исследование работы регистров с использованием учебно- лабораторного стенда ОАВТ (4 часа).

7.Исследование работы сумматоров с использованием учебно- лабораторного стенда ОАВТ (4 часа).

8.Исследование работы комбинационных устройств с использованием учебно-лабораторного стенда ОАВТ (4 часов).

9.Исследование работы универсального счетчика с использованием учебно-лабораторного стенда ОАВТ (4 часа).

6

Каждая работа лабораторного практикума предполагает выполнение практической части с использованием учебно-лабораторного оборудования,

подготовку письменного отчёта о выполненной лабораторной работе и его защиту. Требования к оформлению отчёта обычно излагаются в методических указаниях к лабораторным работам. При защите отчёта студент должен

продемонстрировать знание необходимого теоретического минимума по теме лабораторной работы, аргументировано ответить на вопросы преподавателя, касающиеся практической части работы.

В соответствии с учебным планом на самостоятельную работу студента предусматривается 50 % общего времени, отводимого на изучение дисциплины. При этом одну часть времени, планируемого для самостоятельной работы,

предполагается использовать для самостоятельного изучения отдельных вопросов лекционного курса, другую − для доработки отчётов о выполненных лабораторных работах и подготовки к их защите, третью − для выполнения курсовой работы и подготовки к её защите.

2 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы

При осуществлении самостоятельной работы студент должен руководствоваться указаниями преподавателя, данными методическими указаниями, методическими указаниями к лабораторным работам, методическими указаниями к выполнению курсовой работы, материалами конспекта лекций, рекомендованной основной и дополнительной учебной литературой, включая электронные источники информации.

Ниже приведен перечень основной и дополнительной литературы, имеющейся в учебной библиотеке ВГЛТУ.

Основная литература

1.Гусев, В. Н. Электроника и микропроцессорная техника [Текст] : учеб. для вузов; 4-е издание / В. Н. Гусев. – М. : Высшая школа, 2006. – 799 с.

2.Новожилов, О. П. Основы микропроцессорной техники [Текст] : учеб. пособие: в 2 т. / О. П. Новожилов. – М. : РадиоСофт, 2007. – Т. 1. – 432 с.; Т. 2.

–336 с.

Дополнительная литература

1.Букреев, И. Н. Микропроцессорные схемы цифровых устройств [Текст] / И. Н. Букреев, В. И. Горячев, Б. М. Мансуров. – М. : Техносфера, 2009. – 712 с.

2.Кузин, А. В. Микропроцессорная техника [Техника] : учеб. / А. В. Кузин, М. А. Жаворонков; 3-е изд. – М. : Академия, 2007. – 304 с.

3.Стариков, А. В. Основы информатики [Текст] : учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 1. Введение в информатику. Программно-техническая организация персонального компьютера / А. В. Стариков; Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА». – Воронеж, 2007. – 144 с.

7

Для качественного освоения дисциплины, возможно, потребуются следующие ресурсы информационно-телекоммуникационной сети «Интернет»:

−ЭБС «Единое окно доступа к образовательным ресурсам»: http://window.edu.ru/;

−Интернет-университет информационных технологий: http://www.intuit.ru;

−сайт для тех, кто интересуется электроникой, микроконтроллерами,

программированием: http://chipenable.ru;

−сайт с обширной подборкой научной, учебной и учебно-методической литературы, представленной в виде библиотеки открытых электронных источников: http://www.twirpx.com.

Поскольку лекции читаются не в полном объеме дисциплины, то студентам на самостоятельное изучение выносится ряд тем (табл. 1).

Преподаватель сообщает студентам их общее содержание и организует контроль знаний по заявленным темам.

8

Проверка качества освоения разделов (тем) дисциплины осуществляется

посредством текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации студентов. Результаты текущего контроля отражаются в баллах модульно- рейтинговой системы оценки знаний.

Контроль результатов самостоятельной работы студентов выполняется преподавателем. При этом для проверки ряда разделов (тем) целесообразно организовать тестовую форму контроля знаний обучающихся. Например, часть тестовых заданий для раздела 2 «Представление информации в компьютере, кодирование числовых и символьных данных, арифметические операции с двоичными числами» может быть следующей (только один из предложенных ответов является верным):

1. Выбрать правильный эквивалент для числа 16510: 1) 101001012; 2) 2438; 3) А716;

4)ни один из предложенных выше вариантов.

2.Выбрать правильный эквивалент для числа 011011012:

4)ни один из предложенных выше вариантов.

3.Выбрать правильный эквивалент для числа 2158:

1) 010101012; 2) 13110; 3) 8D16;

4)ни один из предложенных выше вариантов.

4.Выбрать правильный эквивалент для числа B716:

1) 101001112; 2) 2278; 3) 15910;

4)ни один из предложенных выше вариантов.

5.Выбрать правильный эквивалент двоичного представления в прямом коде для числа -12510:

1) 111111012; 2) 100000102; 3) 100000112;

4)ни один из предложенных выше вариантов.

6.Выбрать правильный эквивалент двоичного представления в обратном коде для числа -12510:

1) 111111012; 2) 100000102; 3) 100000112;

4)ни один из предложенных выше вариантов.

7.Выбрать правильный эквивалент двоичного представления в дополнительном коде для числа -12510:

1) 111111012; 2) 100000102; 3) 100000112;

4) ни один из предложенных выше вариантов.

8.При сложении 2-х двоичных чисел получен следующий результат: 0101100 + ? = 0110011

Выбрать двоичное число, использованное в качестве второго

5)ни один из предложенных выше вариантов.

9.Выполнено сложение положительного числа 01100002, представленного в прямом коде, с отрицательным числом 110110112,

9

представленным в дополнительном коде. Выбрать число, представляющее

Также в качестве примеров части тестовых заданий для раздела 3 «Основы алгебры логики (булевой алгебры)» могут быть предложены следующие:

1. Таблица истинности

соответствует логической (булевой) функции:

1)конъюнкции (И);

2)дизъюнкции (ИЛИ);

3)сложение по модулю 2 (исключающее ИЛИ, неравнозначность);

4)инверсия функции конъюнкции (И-НЕ, штрих Шеффера);

5)инверсия функции дизъюнкции (ИЛИ-НЕ, стрелка Пирса).

2.Таблица истинности

соответствует логической (булевой) функции:

1)конъюнкции («И»);

2)дизъюнкции («ИЛИ»);

3)сложение по модулю 2 («Исключающее ИЛИ», неравнозначность);

4)инверсия функции конъюнкции («И-НЕ», штрих Шеффера);

5)инверсия функции дизъюнкции («ИЛИ-НЕ», стрелка Пирса).

3.Таблица истинности

соответствует логической (булевой) функции:

1)конъюнкции («И»);

2)дизъюнкции («ИЛИ»);

3)сложение по модулю 2 («Исключающее ИЛИ», неравнозначность);

4)инверсия функции конъюнкции («И-НЕ», штрих Шеффера);

5)инверсия функции дизъюнкции («ИЛИ-НЕ», стрелка Пирса).

10

4. Условное графическое изображение 2-входового логического элемента

соответствует логической (булевой) функции F(X,Y):

1)конъюнкции («И»);

2)дизъюнкции («ИЛИ»);

3)сложение по модулю 2 («Исключающее ИЛИ», неравнозначность);

4)инверсия функции конъюнкции («И-НЕ», штрих Шеффера);

5)инверсия функции дизъюнкции («ИЛИ-НЕ», стрелка Пирса).

5.Условное графическое изображение 2-входового логического элемента

соответствует логической (булевой) функции F(X,Y):

1)конъюнкции («И»);

2)дизъюнкции («ИЛИ»);

3)сложение по модулю 2 («Исключающее ИЛИ», неравнозначность);

4)инверсия функции конъюнкции («И-НЕ», штрих Шеффера);

5)инверсия функции дизъюнкции («ИЛИ-НЕ», стрелка Пирса).

6.Следующая запись логических выражений

(x + y) + z = x + (y + z) ; (x× y) × z = x × (y × z)

представляет:

1)ассоциативный (сочетательный) закон;

2)коммутативный (переместительный) закон;

3)распределительный закон;

4)закон инверсии (правило де Моргана);

5)закон двойной инверсии.

7.Следующая запись логических выражений

x + y = y + x ; x× y = y × x

представляет:

1)ассоциативный (сочетательный) закон;

2)коммутативный (переместительный) закон;

3)распределительный закон;

4)закон инверсии (правило де Моргана);

5)закон двойной инверсии.

8.Следующая запись логических выражений

x + y × z = (x + y)(x + z) ; x ( y + z) = x × y + x × z

представляет:

1)ассоциативный (сочетательный) закон;

2)коммутативный (переместительный) закон;

3)распределительный закон;

4)закон инверсии (правило де Моргана);

5)закон двойной инверсии.

9.Следующая запись логических выражений