1570

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»

Микропроцессорная техника в

мехатронике и робототехнике

Методические указания для самостоятельной работы студентов

по направлению подготовки

15.03.06 Мехатроника и робототехника

Воронеж 2018

2

УДК 004.384

Микропроцессорная техника в мехатронике и робототехнике [Электронный ресурс]: методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 15.03.06 Мехатроника и робототехника / А. В. Стариков; М-во науки и высшего образования РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2018. – 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 15.03.06 – «Мехатроника и робототехника» включает изучение дисциплины «Микропроцессорная техника в мехатронике и робототехнике» в течение 5-го семестра в объеме 144 часов. Из них 18 часов отводится для лекционных занятий, 36 часов для лабораторных работ, 54 часа для самостоятельной работы студентов, 36 часов на подготовку к прохождению итогового контроля (сдача экзамена).

Рабочая программа дисциплины определяет в качестве основной цели усвоение студентами основ микропроцессорной техники, методов построения и функционирования микропроцессоров, программирования микропроцессорных устройств и использования их в управлении мехатронными и робототехническими системами.

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 в мехатронике и робототехнике» 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 для формирования логических функций управления, минимизировать

4

логические функции; анализировать работу и строить функциональные схемы цифровых элементов автоматики;

владеть: методикой и практическими приемами выполнения 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 в мехатронике и робототехнике» 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. Двоичнодесятичные числа. Прямой, обратный и дополнительный код числа. Двоичная арифметика. Кодирование символьных 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

5

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.

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 микроЭВМ. Организация обмена информацией с микро-ЭВМ в последовательном коде.

Раздел 10. МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА В УПРАВЛЕНИИ МЕХАТРОННЫМИ И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ

Применение микропроцессоров в информационно-управляющих комплексах мехатронных и робототехнических систем. Микропроцессорные сети. Микроконтроллеры.

команд микропроцессора. Архитектура и функционирование простой микро-ЭВМ. Организация памяти микро-ЭВМ.

Назначение лекционных занятий по дисциплине «Микропроцессорная техника в мехатронике и робототехнике» 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 в мехатронике и робототехнике» является выполнение 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 в мехатронике и робототехнике» предусматривается следующая тематика лабораторных работ (в скобках указано нормативное количество времени, отводимое на выполнение и защиту работы):

1.Общее знакомство с универсальным стендом для изучения основ автоматики и вычислительной техники (2 часа).

2.Знакомство с логическими элементами и простейшими комбинационными устройствами (6 часов).

3.Исследование триггеров (4 часа).

8.Изучение работы арифметико-логического устройства (4 часа).

9.Изучение работы оперативного запоминающего устройства и мульти-

плексного способа организации общей шины (4 часа).

При выполнении лабораторных работ предусматривается использование учебно-лабораторного оборудования. При защите отчёта студент должен продемонстрировать знание необходимого теоретического материала по теме практического занятия, аргументировано ответить на вопросы преподавателя, касающиеся практической части работы.

В соответствии с учебным планом на самостоятельную работу студента предусматривается более трети от 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.

2 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы

При осуществлении самостоятельной работы студент должен руководствоваться указаниями преподавателя, данными методическими указаниями, методическими указаниями к практическим работам, 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, а также в доступных электронных библиотечных системах (ЭБС): Знаниум, Единое окно доступа к образовательным ресурсам и других.

Основная литература

1.Гуров, В. В. Микропроцессорные системы [Электронный ресурс] : учебник / В. В. Гуров. – М. : ИНФРА, 2018. – 336 с. – ЭБС «Знаниум».

2.Беккер, В. Ф. Технические средства автоматизации. Интерфейсные устройства и микропроцессорные средства [Электронный ресурс] : учеб. пособие / В. Ф. Беккер. – 2-е изд. – М. : РИОР: ИНФРА-М, 2019. – 152 с. – ЭБС «Знаниум».

Дополнительная литература

1. Стариков, А.В. Микропроцессорная техника в мехатронике и робототехнике [Электронный ресурс] : лабораторный практикум по направлению подготовки бакалавра 15.03.06 «Мехатроника и робототехника» для очной формы обучения / А.В. Стариков; М-во науки и высшего образования РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». Воронеж, 2018. 88 с. – ЭБС ВГЛТУ.

7

2.Стариков, А. В. Микропроцессорная техника в мехатронике и робототехнике [Электронный ресурс] : методические указания к выполнению курсовой работы по направлению подготовки бакалавра 15.03.06 – «Мехатроника и робототехника» для очной формы обучения / А. В. Стариков; М-во науки и высшего образования РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2016. – 16 с. – ЭБС ВГЛТУ.

3.Смирнов, Ю. А. Основы микроэлектроники и микропроцессорной техники [Электронный ресурс] : учеб. пособие / Ю. А. Смирнов, С. В. Соколов, Е. В. Титов. – СПб : Лань, 2013. – 496 с. – ЭБС «Издательство «Лань».

4.Чернышев, А. Ю. Электронная и микропроцессорная техника [Электронный ресурс] : учеб. пособие / А. Ю. Чернышев, Е. А. Шутов. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. – 135 с. – ЭБС «Единое окно доступа к образовательным ресурсам».

Как отмечалось выше, для качественного освоения дисциплины, потребуются следующие ресурсы информационно-телекоммуникационной сети «Интернет»:

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

ЭБС «Знаниум»: http://www.znanium.com/;

ЭБС «Издательство «Лань»: https://e.lanbook.com/;

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.

9

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, представленным в дополнительном коде. Выбрать число, представляющее сумму (результат сложения):

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);

10

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).

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

y y x ; x y y xx

представляет: