85

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Запорізький національний технічний університет

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання лабораторних робіт з дисципліни

«Прикладна теорія цифрових автоматів»

для студентів спеціальності 8.091501 «Комп’ютерні системи та мережі» та 7.091503 «Спеціалізовані комп’ютерні системи»

усіх форм навчання.

2009

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни «Прикладна теорія цифрових автоматів» для студентів спеціальності 8.091501 «Комп’ютерні системи та мережі» та 7.091503 «Спеціалізовані комп’ютерні системи» усіх форм навчання/Укл. М.П.Проскурін, С.С.Грушко. - Запоріжжя: ЗНТУ, 2009. - 86с.

Укладачі: М.П.Проскурін, доцент, к.т.н.; С.С.Грушко, асистент.

Рецензент: А.К.Тимовський, доцент, к.т.н.

Відповідальний за випуск: С.С.Грушко, асистент

Затверджено на

засіданні кафедри «КС і М»

Протокол № 3

від 9 грудня2009 р.

ЗМІСТ

ВСТУП 5

1 ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1 6

ВИВИЧЕННЯ СХЕМ БУЛЕВИХ ФУНКЦІЙ ДВОХ ЗМІННИХ 6

1.1 Основні положення 6

1.2 Варіанти індивідуальних завдань 8

1.3 Загальні зауваження до виконання індивідуальних завдань 8

1.4 Порядок виконання роботи 8

1.5 Зміст звіту 9

1.6 Контрольні запитання 9

2 ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2 10

КОМБІНАЦІЙНІ СХЕМИ 10

2.1 Основні положення 10

2.2 Варіанти індивідуальних завдань 11

2.3 Порядок виконання роботи 25

2.4 Зміст звіту 25

2.5 Контрольні запитання 26

3 ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3 27

АНАЛІЗ І СИНТЕЗ ПОСЛІДОВНІСТНИХ СХЕМ. ТРИГЕРИ 27

3.1 Основні положення 27

3.2 Варіанти індивідуальних завдань 41

3.3 Порядок виконання роботи й зміст звіту 44

3.4 Контрольні запитання 46

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 4 47

РЕГІСТРИ Й ЛІЧИЛЬНИКИ НА ОСНОВІ ТРИГЕРІВ. АНАЛІЗ І СИНТЕЗ 47

4.1 Регістри. Основні положення 47

4.2 Лічильники. Основні положення 50

4.3 Індивідуальні завдання. Дослідження готових ІМС регістрів і лічильників в інтегральному виконанні 61

4.4 Порядок виконання роботи 65

4.5 Зміст звіту 65

4.5 Контрольні запитання 66

5 ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5 67

АНАЛІЗ І СИНТЕЗ МОДЕЛЕЙ ЦИФРОВИХ АВТОМАТІВ 67

5.1 Основні положення 67

5.2 Приклад синтезу ЦА із «жорсткою» логікою управління 77

5.3 Варіанти індивідуальних завдань (ІЗ) 83

5.4 Зміст звіту 84

ЛІТЕРАТУРА 84

ВСТУП

Дисципліна «Прикладна теорія цифрових автоматів» (ПТЦА) є однією з базових в системі знань i вмінь, що формують фахівця-інженера системотехніки (бакалавра, спеціаліста, магістра) за спеціальностями «Спеціалізовані комп’ютерні системи» та «Комп’ютерні системи та мережі».

Метоювикладення дисципліни ПТЦА є вивчення методів подання чисел в електронних обчислювальних машинах (ЕОМ), персональних комп’ютерах (ПК), числових пристроях та алгоритмів виконання основних арифметичних і логічних операцій з числами в різних системах числення, а також основ математичної логіки, аналізу і синтезу кінцевих цифрових автоматів (ЦА)операційних та керуючих. Вивчення дисципліни ПТЦА надає студентам можливість отримати необхідну теоретичну і практичну підготовку для складання (при необхідності) первинної уявної моделі цифрового пристрою у вигляді ЦА з яким він має справу, вміти розробляти i аналізувати алгоритми отримання, кодування (декодування), зберігання і переробки потоків дискретних даних, що несуть інформацію про протікання будь-яких процесів (стан параметрів: авіа чи ракетного двигуна, робота, автоматизованого комплексу, систем обробки зображень, ін.), складати структурні та електричні схеми комбінаційних логічних схем та ЦА з пам’яттю, ефективно розв’язувати практичні задачі ПТЦА з використанням ЕОМ, ПК та відповідного програмного забезпечення (ПЗ).

Виконання студентами лабораторних робіт (ЛР) з курсу ПТЦА дозволяє детально їм ознайомитись з основами схемотехніки ЦА, перевірити та закріпити отримані теоретичні знання і освоїти практичні навики.

Інтенсифікація проведення навчально-практичного процесу, курсів ЛР не можлива без використання сучасних математичних пакетів програм, що дозволяють в реальному масштабі часу робити аналіз и синтез моделей простих ЦА. До доступних програмних продуктів, що можуть бути вільно використані для досягнення поставленої мети, відносяться програмно-моделюючі середовища: Electronics Workbench (EWB версії від 5.0 і вище), Circuit Maker 5 та ін. Для користувача вони відрізняються тим, що мають «дружній» інтерфейс, простоту при використанні інструментів створення (готові схемні елементи NАБО-НІ, NІ-НІ, NАБО, NІ, ін.) та перевірки дії електричних схем проектів (задатчиків, генераторів вхідних та аналізаторів вихідних сигналів), розгалужену кількість віртуальних схем логічних вентилів, досить широку бібліотеку моделей (БМ) схем, які відповідають реально існуючим цифровим інтегральним схемам (ІС) і забезпечують наглядність проектів.

1 Лабораторна робота №1 вивичення схем булевих функцій двох змінних

Мета лабораторної роботи №1: вивчення улевих функцій двох змінних та ознайомлення з з використанням механізму імітаційного моделювання програми Electronics Workbench (EWB, демоверсія 5.12) і отримання первинних навичок роботи з нею.

1.1 Основні положення

Математичний апарат, який описує дії дискретних пристроїв, базується на алгебрі логіки, названої по імені автора – англійського математика Дж. Буля (1815–1864) булевою алгеброю. Практичне застосування алгебри логіки першим знайшов американський вчений К. Шеннон у 1938 р. при дослідженні електричних кіл з контактними вимикачами.

Для формального опису цифрових автоматів (ЦА) використовується апарат алгебри логіки. Логічною (булевою) змінною називається величина, яка може приймати тільки два значення «0» і «1». Сукупність різних значень вхідних Х (або вихідних У) змінних називаються набором.

Основним предметом булевої алгебри є висловлювання – просте твердження, про яке можна стверджувати: воно істинне («1») або хибне («0»). Прості вхідні висловлювання позначають буквами, наприклад х₁,х₂, …х_m , які у цифровій техніці називають змінними (аргументами).

Завдання функції алгебри логіки (ФАЛ) є аналіз, синтез і структурне моделювання будь-яких дискретних систем. Операція – це чітко визначена дія над одним (декількома) аргументами (вхідне слово Х), яка створює результат дії ЦАвихідне словоУ(останнє може бути вхіднимХдля ін. ЦА).

У булевій операції операнди Хі результатУнабувають значення «1» і «0». Булеві функції можуть залежати від однієї, двох і в ціломуn – вхідних змінних. Булева функціяn– аргументів може мати доM= 2ⁿ наборів. Оскільки функції приймають тільки два значення, загальне число булевих функційnаргументів дорівнює 2ⁿ. Отже, функція одного аргументу може мати чотири значення:y=x;y=x;y=1 (константа 1);y= 0 (константа 0).

Два аргументи надають 16 значень функції (вісім: прямих і їм інверсних). Логічні функції двох змінних наведені в таблиці 1.1, по номерам яких формуються і індивідуальні завдання (див. п. 1.2). Основними булевими операціями є заперечення операція НІ (інверсія), диз’юнкціяоперація nАБО (логічне додавання, об’єднання) і кон’юнкціяоперація nІ (логічне множення), де nкількість вхідних зміннихХ(аргументів).

Таблиця 1.1 – Назви логічних функцій (Y₁-Y₁₆)

X1 X2	0 0 1 1 0 1 0 1	Позначення	Назва
Y1	0 0 0 0	0	Константа 0
Y2	0 0 0 1	x1 x2	Кон’юнкція (логічне "І")
Y3	0 0 1 0	x1 ← x2	Заперечення імплікації (заборона x2)
Y4	0 0 1 1	x1	Повторення першого аргументу
Y5	0 1 0 0	x2 ← x1	Заперечення оберненої імплікації
Y6	0 1 0 1	x2	Повторення другого аргументу
Y7	0 1 1 0	x1 x2	Сума по модулю 2
Y8	0 1 1 1	x1 + x2	Диз’юнкція
Y9	1 0 0 0	x1 ↓ x2	Стрілка Пірса
Y10	1 0 0 1	x1 ~ x2	Еквіваленція
Y11	1 0 1 0		Заперечення другого аргументу
Y12	1 0 1 1	x2 → x1	Обернена імплікація
Y13	1 1 0 0		Заперечення першого аргументу
Y14	1 1 0 1	x1 → x2	Імплікація
Y15	1 1 1 0	x2 / x1	Штрих Шеффера
Y16	1 1 1 1	1	Константа 1