Сборник методичка ВТиИТ
.pdf
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО СВЯЗИ
Московский технический университет связи и информатики
Кафедра математической кибернетики и информационных технологий
Лабораторные работы
по дисциплине
ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ
Москва 2010
План УМД на 2009/2010 уч.г.
Лабораторные работы
по дисциплине
ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ
Составитель Курасов П.В.
Издание утверждено советом факультета ИТ. Протокол №9 от 20.05.2010г.
Рецензент Кириллова Л.В., доцент
2
Лабораторная работа №1
Программа моделирования цифровых устройств
Цель работы: изучить программу моделирования цифровых устройств “ЦУМ”. Получить навыки создания и редактирования моделей (схем) цифровых устройств, а также исследования цифровых устройств с помощью данной программы.
Задание
1.Изучить пользовательский интерфейс программы моделирования цифровых устройств “ЦУМ”.
2.В режиме редактирования создать модель (схему) цифрового устройства (рис. 1), содержащего генератор последовательности прямоугольных импульсов (тактовый генератор), двоичный 4- разрядный счетчик, 16-ричный индикатор и двоичные индикаторы (светодиоды).
3.Запустить процесс моделирования в асинхронном или синхронном режиме, наблюдать работу цифрового устройства (поведение модели) по индикаторам и продемонстрировать преподавателю.
Методика выполнения работы
Программа моделирования цифровых устройств “ЦУМ” (исполняемый файл “Mdd.exe”) имеет многодокументный интерфейс (MDI), т.е. в программе могут быть открыты одновременно несколько схем (моделей) цифровых устройств, каждая в отдельном окне, однако запускать процесс моделирования можно только для последней открытой или созданной схемы.
Окно схемы представляет собой графический редактор, в котором можно добавлять, удалять, перемещать, а также изменять параметры типовых цифровых элементов, одиночных проводников и шин. Для удобства редактирования в окне схемы
3
имеется координатная сетка. Режим редактирования схемы включается автоматически после открытия файла схемы, создания новой схемы или добавления в схему нового типового элемента. Для принудительного перехода в режим редактирования (из режимов моделирования или режимов ввода проводников) необходимо щелкнуть левой кнопкой “мыши” по кнопке “Переместить” на панели режимов. Если включен режим моделирования, предварительно его нужно выключить. Для изменения параметров элемента схемы в режиме редактирования щелкните по элементу правой кнопкой “мыши”. В появившемся контекстном меню выберите пункт “Свойства…” и после задания свойств элемента в открывшемся диалоговом окне щелкните по кнопке “OK”.
Основное окно программы в своей верхней части имеет главное меню (рис. 1), некоторые команды которого продублированы кнопками на нижележащей панели главного меню. Еще ниже находится панель типовых устройств, каждое из которых можно добавлять в схему.
Крайняя левая кнопка на панели устройств соответствует тактовому генератору. Правее расположены шесть кнопок типовых логических элементов. Каждый элемент, кроме инвертора, может иметь от двух до восьми входов. Разрядность других типовых устройств можно менять в определенных пределах.
Правее группы кнопок логических элементов расположена группа кнопок типовых КЦУ:
-дешифратор,
-мультиплексор,
-сумматор,
-компаратор.
Далее расположена группа кнопок типовых устройств с памятью:
-D-триггер,
-универсальный регистр,
-универсальный счетчик,
-делитель частоты.
4
Рис.1. Интерфейс программы моделирования цифровых устройств “ЦУМ”
Еще правее расположена группа кнопок элементов, задающих постоянные логические уровни:
+U (постоянный уровень лог. 1),
-Gnd (постоянный уровень лог. 0),
-одиночная кнопка (лог. 1, если кнопка нажата, и лог. 0, если кнопка отпущена). Фиксируется в нажатом положении правой кнопкой “мыши”. Переводится в исходное состояние щелчком левой кнопкой “мыши”,
-группа переключателей.
Последняя доступная на панели группа кнопок – элементы индикации:
-светодиод (светится, если на его входе уровень лог. 1),
-7-сегментный индикатор, отображающий 16-ричный символ (у индикатора 4 двоичных входа),
-вход многоканального осциллографа.
5
Слева от окна схемы расположена панель режимов с пятью кнопками:
-моделирование в синхронном режиме (модельное время совпадает с реальным, т.к. в этом режиме есть привязка к системным часам компьютера),
-моделирование в асинхронном режиме (модельное время может опережать реальное в зависимости от быстродействия компьютера; моделирование выполняется так быстро, насколько это возможно),
-режим редактирования (“перетаскивание” элементов в окне схемы и изменение параметров элементов),
-режим ввода одиночных проводников,
-режим ввода шин (групп проводников).
Под окном схемы расположено окно виртуального многоканального осциллографа. Следует заметить, что при большом числе включенных каналов процесс моделирования сильно замедляется.
Под окном осциллографа находится строка состояния программы. В этой строке появляются подсказки при выборе некоторого пункта меню или кнопки на панели устройств или режимов.
Панель главного меню, панель устройств, панель режимов, окно осциллографа, а также строка состояния могут быть скрыты или развернуты с помощью выбора соответствующей команды из подменю “Вид”.
После ознакомления с интерфейсом программы моделирования необходимо создать схему устройства, показанную на рис. 1. Для этого сначала расставьте необходимые элементы: тактовый генератор, счетчик, 16-ричный индикатор, светодиоды. Для добавления каждого элемента в схему нажмите кнопку нужного элемента на панели устройств, а затем, переместив курсор “мыши” на подходящее свободное место окна схемы, щелкните левой кнопкой “мыши” для фиксации элемента. Если необходимо удалить элемент, в режиме редактирования переместите курсор “мыши” на элемент и щелкните левой кнопкой “мыши”; элемент будет выделен штриховой линией, после чего для его удаления нажмите на клавиатуре клавишу <Del>. Если необходимо переместить
6
элемент, выделите его и, не отпуская левую кнопку “мыши”, “перетащите” элемент курсором “мыши” на новое место.
Для соединения выходов одних элементов с входами других, нажмите на панели режимов кнопку “Проводник”. Поместите курсор “мыши” на выход элемента и нажмите левую кнопку “мыши”. Удерживая нажатой левую кнопку “мыши”, переместите курсор “мыши” на вход другого элемента, с которым нужно выполнить соединение, и отпустите левую кнопку “мыши”. Одиночный проводник также может начинаться и заканчиваться на других одиночных проводниках или на шинах. В последнем случае в открывшемся диалоговом окне необходимо указать номер разряда шины (0,1,2,…), к которому подключается одиночный проводник. Если вход элемента не подключен, считается, что на вход постоянно подан уровень лог. 0.
После ввода всей схемы необходимо запустить процесс моделирования в соответствии с п. 3 задания. Для этого нажмите на панели режимов одну из двух кнопок моделирования (“Синхронный режим” или “Асинхронный режим”).
Содержание отчета
1.Название и цель работы.
2.Схема исследуемого цифрового устройства.
3.Таблица с параметрами элементов цифрового устройства (генератора и счетчика).
7
Лабораторная работа №2
Синтез комбинационных цифровых устройств
Цель работы: изучить методы синтеза комбинационных цифровых устройств (КЦУ). Экспериментально проверить результаты синтеза КЦУ.
Задание
1.Используя метод карт Вейча-Карно или метод Квайна, получить минимальную дизъюнктивную нормальную форму (МДНФ) функции, заданной таблицей истинности (табл. 1). Номер варианта соответствует номеру, под которым записана фамилия студента в лабораторном журнале.
2.Представить полученное выражение МДНФ в базисе “И-НЕ”.
3.По полученному выражению составить функционально-логическую схему КЦУ.
4.Ввести составленную схему в программу “ЦУМ”, добавив на входе тактовый генератор, 4-разрядный двоичный счетчик, а также инверторы аргументов (рис. 2). Счетчик на своих выходах циклически формирует все 16 возможных комбинаций аргументов функции для исследования КЦУ в динамическом режиме. Для проверки работы КЦУ в статическом режиме вместо счетчика на входы КЦУ необходимо подключить двоичные переключатели (кнопки).
5.Проверить правильность работы синтезированного КЦУ в статическом режиме и продемонстрировать результаты преподавателю.
6.Проверить правильность работы синтезированного КЦУ в динамическом режиме и продемонстрировать результаты преподавателю.
8
Таблица 1. Индивидуальные варианты задания для синтеза КЦУ
Аргументы |
|
|
|
|
|
|
Значения функции по вариантам |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X3 |
X2 |
X1 |
X0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
Рис. 2. Генератор значений аргументов на входе КЦУ (динамический режим)
9
Методика выполнения работы
Для исследования КЦУ в статическом режиме создайте новую схему и добавьте в нее слева 4 кнопки, расположив их по вертикали одну под другой на некотором расстоянии. С их помощью Вы будете формировать различные комбинации аргументов (x0, x1, x2, x3). Кнопку x0 расположите сверху. Для формирования инверсных значений аргументов, если такие есть в Вашем выражении МДНФ, правее кнопок расположите элементы-инверторы. Далее вводите схему в базисе “И-НЕ”, полученную в ходе предварительного расчета. В качестве устройства индикации в статическом режиме на выход схемы подключите светодиод.
Запустите режим моделирования и, перебирая с помощью кнопок (x0, x1, x2, x3) все 16 возможных комбинаций аргументов от 0000 до 1111, наблюдайте состояние светодиода на выходе. Все 16 значений функции (Y=1, если светодиод светится) должны совпасть с заданными в табл. 1 для Вашего варианта. В случае несовпадений проверьте правильность ввода схемы и соединений элементов. Если ошибок при вводе схемы не найдено, проверьте правильность предварительного расчета.
При исследовании КЦУ в динамическом режиме для формирования комбинаций аргументов используются генератор и счетчик (рис. 2), а в качестве устройства индикации – канал осциллографа (“Y”). Параметры генератора: период – 20мс, длина импульса – 10мс. После ввода схемы включите режим асинхронного моделирования на несколько секунд. После останова моделирования проанализируйте полученную осциллограмму. Ориентируясь на сигнал “Clock”, необходимо выделить на изображении выходного сигнала “Y” один 16тактовый цикл, соответствующий Вашему варианту таблицы истинности, и перенести осциллограмму в отчет по работе.
10