3369

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

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

Схемотехника микроэлектронных приборов

Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки

09.03.02 – Информационные системы и технологии

Воронеж 2018

УДК 681.3

Юдина Н.Ю. Схемотехника микроэлектронных приборов Текст : методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 09.03.02 – Информационные системы и технологии / Н.Ю. Юдина; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова». – Воронеж,

2018. – 20 с.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова» (протокол № __ от _______ 2018 г.)

Рецензент заведующий кафедрой электротехники и автоматики ФГБОУ ВПО ВГАУ д-р.техн.наук., проф. Д.Н. Афоничев

4

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания подготовлены в соответствии с рабочей программой дисциплины «Схемотехника микроэлектронных приборов» для студентов по направлению подготовки бакалавра 09.03.02 – «Информационные системы и технологии», профиль «Информационные системы и технологии в микроэлектронике».

Целью изучения дисциплины является овладение студентами методами построения функциональных узлов и устройств технического обеспечения информационных систем, вычислительных машин, комплексов и систем, в том числе с использованием систем автоматизированного проектирования.

В результате освоения дисциплины студент должен:

–знать: современную элементную базу (СИС, БИС, СБИС, ПЛМ, БК, ПЛИС и др.); систему параметров и характеристики микросхем различного уровня интеграции; методы построения функциональных устройств и узлов технического обеспечения ИС и ЭВМ, в том числе подсистемы полупроводниковой памяти; принципы автоматизации функционально-логического этапа проектирования цифровых узлов и устройств;

–уметь: формировать структуру специализированных логических функций предназначенных для аппаратной реализации; грамотно выбирать средства вычислительной техники и информационных технологий для решения практических инженернотехнических, технологических и организационных задач; разработать структурную схему вычислительного комплекса специального назначения для решения конкретной производственной задачи;

–владеть: методами выбора элементной базы для построения того или иного узла ИС и ЭВМ; методикой разработки цифровых блоков и устройств; методами оценки рисков сбоя в комбинационных и последовательностных устройствах; методикой расчета основных технических характеристик разрабатываемого устройства.

5

Содержание дисциплины Раздел 1. Основы цифровой техники

Тема 1.1. Общие сведения о цифровом сигнале и цифровом устройстве Иметь представление о цифровом сигнале в импульсивной и потенциаль-

ной форме, параметрах и характеристиках импульсных и цифровых сигналов; цифровом устройстве и признаках классификации цифровых устройств

Тема 1.2. Логические основы цифровой техники Логические функции и способы из задания, логические функции одного и

двух аргументов; основные тождества и законы алгебры логики; полные системы функций алгебры логики; полные и минимальные базисы.

Логические элементы, их основные параметры. Интегральные логические элементы ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ, И2Л, МОП – и КМОП-технологий.

Тема 1.3. Синтез комбинационных цифровых устройств Канонические формы представления логических функций: СДНД и

СКНФ. Минимизация логических функций. Способы минимизации: метод Квайна, метод Петрика, метод карт (диаграмм)Вейча, метод карт Карно.

Синтез не полностью заданных логических функций и логических устройств с несколькими выходами.

Построение логических устройств в различных элементных базисах, особенности цифровой схем техники.

Тема 1.4. Арифметические основы цифровой техники Представление чисел в различных системах счисления и перевод чисел из

одной системы счисления в другую. Формы представления чисел в цифровых устройствах. Выполнение арифметических операций. Понятие об обратном и дополнительном кодах. Умножение и деление двоичных чисел.

Раздел 2. Цифровые устройства.

Тема 2.1. Шифраторы, дешифраторы, преобразователи кодов Шифраторы и дешифраторы, их назначение. Принцип построения схем в

требуемом элементном базисе. Условные графические обозначения шифраторов и дешифраторов.

Линейные и прямоугольные дешифраторы. Назначение преобразователей кодов. Два принципа построения преобразователей кодов. Преобразователь для цифровой индикации

Тема 2.2. Мультиплексоры, демультиплексоры

6

Назначение мультиплексоров и демультиплексоров. Принцип работы. Условное графическое обозначение; мультиплексорное дерево. Мультиплексоры, как цифровые многопозиционные переключатели – коммутаторы. Демультиплексоры – селекторы распределения входного сигнала, расширители каналов.

Тема 2.3. Компараторы Назначение цифрового компаратора. Таблица функционирования. Логи-

ческая схема. Условное графическое обозначение. Способы наращивания разрядности компараторов. Области применения.

Тема 2.4. Сумматоры Назначение сумматора, классификация. Функционирование одноразряд-

ного сумматора. Многоразрядные двоичные сумматоры: последовательного и параллельного действия. Десятичные сумматоры.

Тема 2.5. Интегральные триггеры Назначение триггеров. Типы триггеров. Таблицы переходов триггеров.

Разновидности триггерных схем по способу кодирования информации: статические и динамические, асинхронные и тактируемые. Классификация по функциональному назначению. Асинхронные RS – триггеры с прямыми и инверсными входами. Синхронные триггеры со статическим управлением: RS; Д; Т.

Синхронные триггеры с двухступенчатым запоминанием информации

(JK; Т).

Триггеры с динамическим управлением Тема 2.6. Регистры

Назначение регистров. Типы. Принцип построения схем. Временные диаграммы работы. Схемы однофазного и парофазного параллельного регистра; последовательного регистра и параллельно-последовательного.

Тема 2.7. Счетчики Назначение. Классификация. Разрядность и коэффициент пересчета счет-

чиков. Синхронные и асинхронные счетчики, суммирующие и вычитающие, с применяемым направлением счета (реверсивный). Декадный двоичнодесятичный счетчик.

Тема 2.8. Делители частоты импульсной последовательности Принцип построения. Отличие от счетчиков. Построение схем делителей

с различными коэффициентами деления. Построение временных диаграмм. Тема 2.9. Распределители

7

Распределители. Назначение. Принцип функционирования. Распределители на регистрах и счетчиках

Тема 2.10. Программируемые логические матрицы Структура ПЛМ. Принцип программирования. Типовые узлы цифровых

устройств на ПЛМ Тема 2.11. Полупроводниковые запоминающие устройства

Назначение и классификация запоминающих устройств. Основные характеристики. Построение ЗУ заданной емкости и разрядности. Средства и методы перепрограммирования ППЗУ

Тема 2.12. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи информации

Назначение ЦАП и АЦП. Принцип аналогово-цифрового преобразования информации. Схемотехника аналого-цифровых преобразователей. Методы цифро-аналогового преобразования (ЦАП). Схемотехнические принципы ЦАП.

Тема 2.13. Контроль цифровых устройств Причины возникновения ошибок при работе цифровых устройств. Мето-

ды обнаружения одиночных ошибок и их исправление. Контроль арифметических операций. Средства и методы выявления неисправностей узлов и элементов цифровых схем

Раздел 3. Процессоры Тема 3.1. Структура процессорного устройства

Определение процессора, назначение. Структура процессора. Два подхода к построению процессоров: принцип схемной логики и программируемой логики

Тема 3.2. Цифровые микропрограммные автоматы (МПА)

Процессор – как микропрограммный автомат (МПА) алгоритм функционирования МПА, таблицы переходов и выходов или граф состояния; Формы задания МПА; автоматы Мили и Мура

Тема 3.3. Синтез процессора с использованием схемной логики Методика построения процессора на примере устройства умножения дво-

ичных чисел. Синтез операционного устройства; синтез управляющего устройства, построение графа функционирования, построение таблицы функционирования комбинационного узла, построение логической схемы.

Синтез управляющего устройства.

Тема 3.4. Синтез процессора с использованием принципа программируемой логики

8

Принцип микропрограммного управления. Структурная схема процессора с управляющим устройством, построенным по принципу программируемой логики; составление микропрограммы для операции умножения, определение времени выполнения операции, способы повышения быстродействия

Раздел 4 Микропроцессоры и микропроцессорные системы Тема 4.1. Микропроцессоры (МП) и микропроцессорные комплекты

(МПК)

Общие сведения о микропроцессорных. Классификация МП. Место микропроцессоров в вычислительной технике, многофункциональность МП. Структура микропроцессорной системы. Построение МП с использованием различных МПК

Тема 4.2. Архитектура микропроцессора (МП) на МПК конкретной серии Структура. Функционирование МП. Основные устройства, их взаимодей-

ствие

Тема 4.3. Система микрокоманд и реализация типовых функций МП Классификация команд МП. Формат команд и данных. Типы команд. Ме-

тоды адресации Тема 4.4. Программирование микропроцессорных систем

Приемы программирования микропроцессора на языке кодовых комбинаций: программирование последовательных вычислительных процессов; разветвлений; циклических вычислительных процессов. Составление программ.

Программирование МП на языке ассемблера. Особенности программирования. Примеры программирования. Сравнение программирования на языке ассемблера и кодовых комбинаций

Тема 4.5. Интерфейсные БИС Интерфейс и его функции. Логические основы организации интерфейса.

Способы обмена данными между микропроцессорными и периферийными устройствами.

Аппаратные средства интерфейса: буферные регистры, блоки прерывания, шинные формирователи, универсальный синхронный приемопередатчик, таймер, устройство сопряжения вычислительных машин.

Тема 4.6. Применение МП для цифровой обработки информации и моделирования узлов аппаратуры.

Структура микро ЭВМ КМ1813ВЕ1. Назначение и состав узлов: аналогового; устройства цифровой обработки, памяти команд; управление

9

режимом работы; Система команд и программирование.

Применение микросхемы КМ1813ВЕ1 для цифрового моделирования уз-

лов

аппаратуры

Раздел 1. Основы цифровой техники Тема 1.1. Общие сведения о цифровом сигнале и цифровом устройстве

Иметь представление о цифровом сигнале в импульсивной и потенциальной форме, параметрах и характеристиках импульсных и цифровых сигналов; цифровом устройстве и признаках классификации цифровых устройств

Тема 1.2. Логические основы цифровой техники Логические функции и способы из задания, логические функции одного и

двух аргументов; основные тождества и законы алгебры логики; полные системы функций алгебры логики; полные и минимальные базисы.

Логические элементы, их основные параметры. Интегральные логические элементы ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ, И2Л, МОП – и КМОП-технологий.

Тема 1.3. Синтез комбинационных цифровых устройств Канонические формы представления логических функций: СДНД и

СКНФ. Минимизация логических функций. Способы минимизации: метод Квайна, метод Петрика, метод карт (диаграмм)Вейча, метод карт Карно.

Синтез не полностью заданных логических функций и логических устройств с несколькими выходами.

Построение логических устройств в различных элементных базисах, особенности цифровой схем техники.

Тема 1.4. Арифметические основы цифровой техники Представление чисел в различных системах счисления и перевод чисел из

одной системы счисления в другую. Формы представления чисел в цифровых устройствах. Выполнение арифметических операций. Понятие об обратном и дополнительном кодах. Умножение и деление двоичных чисел.

Раздел 2. Цифровые устройства.

Тема 2.1. Шифраторы, дешифраторы, преобразователи кодов Шифраторы и дешифраторы, их назначение. Принцип построения схем в

требуемом элементном базисе. Условные графические обозначения шифраторов и дешифраторов.

10

Линейные и прямоугольные дешифраторы. Назначение преобразователей кодов. Два принципа построения преобразователей кодов. Преобразователь для цифровой индикации

Тема 2.2. Мультиплексоры, демультиплексоры Назначение мультиплексоров и демультиплексоров. Принцип работы.

Условное графическое обозначение; мультиплексорное дерево. Мультиплексоры, как цифровые многопозиционные переключатели – коммутаторы. Демультиплексоры – селекторы распределения входного сигнала, расширители каналов.

Тема 2.3. Компараторы Назначение цифрового компаратора. Таблица функционирования. Логи-

ческая схема. Условное графическое обозначение. Способы наращивания разрядности компараторов. Области применения.

Тема 2.4. Сумматоры Назначение сумматора, классификация. Функционирование одноразряд-

ного сумматора. Многоразрядные двоичные сумматоры: последовательного и параллельного действия. Десятичные сумматоры.

Тема 2.5. Интегральные триггеры Назначение триггеров. Типы триггеров. Таблицы переходов триггеров.

Разновидности триггерных схем по способу кодирования информации: статические и динамические, асинхронные и тактируемые. Классификация по функциональному назначению. Асинхронные RS – триггеры с прямыми и инверсными входами. Синхронные триггеры со статическим управлением: RS; Д; Т.

Синхронные триггеры с двухступенчатым запоминанием информации

(JK; Т).

Триггеры с динамическим управлением Тема 2.6. Регистры

Назначение регистров. Типы. Принцип построения схем. Временные диаграммы работы. Схемы однофазного и парофазного параллельного регистра; последовательного регистра и параллельно-последовательного.

Тема 2.7. Счетчики Назначение. Классификация. Разрядность и коэффициент пересчета счет-

чиков. Синхронные и асинхронные счетчики, суммирующие и вычитающие, с применяемым направлением счета (реверсивный). Декадный двоичнодесятичный счетчик.

Тема 2.8. Делители частоты импульсной последовательности