Цифровые устройства и микропроцессоры

МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОРОНЕЖСКИЙ ИНСТИТУТ

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1

по предмету “Цифровые устройства и микропроцессоры”

Вариант 8 Выполнил: слушатель ­­31 учебной группы

радиотехнического факультета з/о

Оларь Андрей Геннадьевич

шифр 00/72

347800 Ростовская область г. Каменск

ул. Героев-Пионеров д. 71 кв. 72

Проверил:

 

“_____” _______________ 200__ г.

ВОРОНЕЖ 2002 г.

Задания

стр.

1.    Расставить числа в порядке возрастания и объяснить свой выбор (89₁₀, 2Е₁₆, 57₈, 111011₂)................................................................................. - 4

2.    Выполнить арифметические операции над двоичными числами, используя обратный код: а) 1011101₂-110111₂; b)1010111₂-1110011₂.......... - 4

3.    Упростить выражение, применив правила де Моргана и основные тождества алгебры логики: а) , b) - 4

4.    По таблице работы логического устройства записать СКНФ:..... - 5

 

a)    получить минимальную нормальную форму (мкнф) с помощью метода Квайна;

b)    построить логическую схему устройства в базисе ИЛИ-НЕ;

c)    провести анализ работы полученной схемы при х₁=1, х₂=0, х₃=0.

5.    Нарисовать символическое изображение и таблицу работы синхронного RS-триггера. В какое состояние перейдёт триггер, если на его входы последовательно подавать сигналы:............................................... - 6

6.    Построить схему регистра D-триггеров для записи числа 10₁₀, начиная с цифры младшего разряда. Составить таблицу состояний его триггеров, показывающую запись отдельных цифр................................ - 7

7.    Частота следования импульсов на выходе второго триггера счётчика – 256 кГц. Сколько триггеров должен иметь счётчик, чтобы на его выходе получить импульс с частотой 32 кГц, 4 кГц.............................. - 7

8.    Построить схему суммирующего счётчика Т-триггеров ёмкостью 28 - 8

9.    Разработать логическую схему таймера с прямым отсчётом времени и выдачей звукового сигнала. Частота генератора – 1700 герц. Предусмотреть кнопки пуска, остановки и сброса. Указание: для сравнения заданного времени, следует использовать микросхему сравнения (типа К531СП1). - 8

10. Найти по справочнику микросхему К555ИР9. Нарисовать её условное изображение и выписать параметры (с учётом обозначения):...... - 11

а) типоразмер и изображение корпуса; б) напряжение питания и выводы, на которые оно подаётся; в) напряжения логических нуля и единицы; г) ток потребления (потребляемая мощность); д)диапазон рабочих частот; е) интервал рабочих температур; ж)время задержки включения (выключения); з) коэффициент объединения по входу; и) коэффициент разветвления по входу.

11. Что означают сокращения: ТТЛ, ДТЛ, n-МОП? Указать их основные отличительные характеристики...................................................... - 12

12. Назначение и основные функции микропроцессора?.................... - 13

13. Используя команды типового МП К1804, составить программу в машинных кодах:................................................................................. - 14

Ø выполнить загрузку числа 12 в ячейку Q , а 9 в РОН с адресом 3;

Ø из первого числа вычесть число 8 из шины данных, результат разместить в РОН с адресом первого числа;

Ø третье число сдвинуть на один разряд вправо и сложить с суммой первых двух чисел. Результат разместить в РОН с адресом 9.

14. Использованная литература........................................................... - 14

1.   Расставить числа в порядке возрастания и объяснить свой выбор:

 (89₁₀, 2Е₁₆, 57₈, 111011₂)

Переведём данные числа в десятичную систему исчисления, кроме 89₁₀, так как это число уже является десятичным.

1)   2Е₁₆ - так как 2Е₁₆=2*16+14=46₁₀;

2)   57₈ - так как 57₈=5*8+7=47₁₀;

3)   111011₂ - так как 111011₂=32+16+8+2=59₁₀;

4)   89₁₀

46<47<59<89

2.   Выполнить арифметические операции над двоичными числами, используя обратный код:

а) 1011101₂-110111₂;  b) 1010111₂-1110011₂

a)   1011101₂-110111₂=100110₂ _ 1011101

110111

₊01011101

 11001001

 00100110

100110

b)   1010111₂-1110011₂=-11011 _ 1010111

1110011

₊ 01010111

10001101

11100100

- 11011

3.   Упростить выражение, применив правила де Моргана и основные тождества алгебры логики:

а) , b)

a)  

b)  

4.   По таблице работы логического устройства записать СКНФ:

 

a)    получить минимальную нормальную форму (мкнф) с помощью метода Квайна;

b)    построить логическую схему устройства в базисе ИЛИ-НЕ;

c)    провести анализ работы полученной схемы при х₁=1, х₂=0, х₃=0.

Для данной функции СКНФ будет иметь вид:

a)   получим МКНФ данной функции с помощью метода Квайна:

Сравним попарно все члены функции: 1 и 2 члены не имеют общих импликант; 1 и 3 члены ; 3 и 5 члены ; 4 и 5 члены .

Составим таблицу:

	*		*
			*		*
				*	*

Из таблицы видно, что МКНФ данной функции будет иметь вид:

b)   построить логическую схему устройства в базисе ИЛИ-НЕ;

Логическая схема данного устройства в базисе ИЛИ-НЕ:

c)   провести анализ работы полученной схемы при х₁=1, х₂=0, х₃=0.

Данное устройство состоит из элементов ИЛИ-НЕ, а на его входе присутствует лог «1» (х₁=1), то на его выходе тоже будет лог «1», так как для данных логических элементов активным логическим сигналом является «1», следовательно, у(1,0,0) = 1.

5.   Нарисовать символическое изображение и таблицу работы синхронного RS-триггера. В какое состояние перейдёт триггер, если на его входы последовательно подавать сигналы:

Символическое изображение RS-триггера с инверсными входами:

Таблица работы синхронного RS-триггера:

Таблица-1						Таблица-2
S	R	C	Q	Режим работы		Входы			Выходы
Н	Н	/		Инверсия		C	S	R	Q
L	Н	/	Н	Запись Н		0	0	0	Q
Н	L	/	L	Запись L		0	1	0	Q
L	L	/	Q*	Предшествующее состояние		0	0	1	Q
						0	1	1	Q
						1	0	0	Q
						1	1	0	1	0
						1	0	1	0	1
						1	1	1	*	*

Как видно из таблицы № 2, состояние сигналов на входах S=R=C=1 недопустимо, что обозначено «*» (это является основным недостатком RS-триггеров).

6.   Построить схему регистра D-триггеров для записи числа 10₁₀, начиная с цифры младшего разряда. Составить таблицу состояний его триггеров, показывающую запись отдельных цифр

Для записи 4-х разрядного числа, начиная с цифры младшего разряда, целесообразно применить не отдельные D-триггеры (К555ТМ2, ТМ7, ТМ8, ТМ9), а сдвигающий регистр К555ИР11А (смотреть рисунок). Биты 4-х разрядного числа надо подавать на вход D и сдвигать импульсами с входа L.

Десятичная запись	10	5	2	1
Двоичная запись	1010	101	10	1

7.   Частота следования импульсов на выходе второго триггера счётчика – 256 кГц. Сколько триггеров должен иметь счётчик, чтобы на его выходе получить импульс с частотой 32 кГц, 4 кГц

Каждый триггер счётчика уменьшает частоту в два раза, следовательно, частота на входе счётчика – 2¹⁰=1024 кГц.

Составим таблицу падения частоты на триггерах счётчика:

	Частота, кГц
Вход счётчика	1024
Выход 1-го триггера	512
Выход 2-го триггера	256
Выход 3-го триггера	128
Выход 4-го триггера	64
Выход 5-го триггера	32
Выход 6-го триггера	16
Выход 7-го триггера	8
Выход 8-го триггера	4
Выход 9-го триггера	2
Выход 10-го триггера	1

Из чего следует, что для получения на выходе счётчика импульса с частотой 32 кГц, счётчик должен состоять из 5-ти триггеров. А для получения, на выходе счётчика, импульса с частотой 4 кГц, счётчик должен состоять из 8-ми триггеров.

8.   Частота следования импульсов на выходе второго триггера счётчика – 256 кГц. Сколько триггеров должен иметь счётчик, чтобы на его выходе получить импульс с частотой 32 кГц, 4 кГц

Т – триггеры, в отличие от D и JK – триггеров, выпускаются в интегральной форме не в виде отдельных микросхем, а виде двоичных счётчиков, например: К555ИЕ19 – два 4-х разрядных двоичных счётчика. Ёмкость счётчика 28=4*7. При этом 7₁₀=111₂.

Ниже приведена схема счётчика:

9.   Разработать логическую схему таймера с прямым отсчётом времени и выдачей звукового сигнала. Частота генератора – 1700 герц. Предусмотреть кнопки пуска, остановки и сброса.

Указание: для сравнения заданного времени, следует использовать микросхему сравнения (типа К531СП1)

Частота 1,7 кГц является не стандартной частотой (в большинстве случаев применяются генераторы с кварцевым резонатором частоты, например: 100 кГц, либо с синхронизацией от сети 50 Гц). Если таймер должен отсчитывать время в секундах (в задании это не оговорено), то входную последовательность импульсов необходимо разделить на 1700=17*10*10, что легко может быть реализовано с применением микросхем К555ИЕ19 и К555ИЕ20.

Микросхема К555СП1 позволяет сравнивать без приращения разрядности 4-х разрядные двоичные коды. Так как в задании не оговорен предел измерений таймера, то мы можем ограничиться пределом 16 секунд.

Функциональная и принципиальная схемы таймера представлены ниже:

 

10.      Найти по справочнику микросхему К555ИР9. Нарисовать её условное изображение и выписать параметры (с учётом обозначения):

а) типоразмер и изображение корпуса; б) напряжение питания и выводы, на которые оно подаётся; в) напряжения логических нуля и единицы; г) ток потребления (потребляемая мощность); д)диапазон рабочих частот; е) интервал рабочих температур; ж)время задержки включения (выключения); з) коэффициент объединения по входу; и) коэффициент разветвления по входу.

Условное изображение ИМС К555ИР9:

Корпус 2103-16.2 (старое обозначение 238.16-1):

Ø  шаг выводов 2,5 мм (изображение корпуса приведено на рисунке ниже);

Ø  напряжение питания 5±5% В на 16 вывод, 0 В на 8 вывод;

Ø  L – не более 0,4 В; Н – не менее 2,5 В, не более 5,5 В;

Ø  ток потребления не более 3 мА;

Ø  диапазон рабочих частот не более 25 МГц;

Ø  интервал рабочих температур от 10⁰С до 70⁰С;

Ø  время задержки включения/выключения 20 нс (С_н=15 пФ);

Ø  коэффициент объединения по входу – 1;

Ø  коэффициент разветвления по входу – 10.

11.      Что означают сокращения: ТТЛ, ДТЛ, n-МОП? Указать их основные отличительные характеристики.

ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика, ДТЛ – диодно-транзисторная логика, n-МОП – логика на униполярных транзисторах с n-каналом. Все эти сокращения обозначают тип схемотехники и конструкции цифровых микросхем.

В настоящее время ДТЛ не применяется, ТТЛ вытеснены совместимыми с ними по уровням питания и сигналов сериями ТТЛШ (ТТЛ с диодами и транзисторами Шоттки (К555, К1531 и т.д.)), а n-МОП логика вытеснена КМОП (К564, К1564, К1554).

Основными параметрами, которые позволяют производить сравнение базовых ЛЭ различных серий, являются:

Ä напряжение источника питания – определяется величиной напряжения и величиной его изменения. ТТЛ – рассчитаны на напряжение источника питания равное 5 В ± 5%. Большая часть микросхем на КНОП структурах устойчиво работает при напряжении питания от 3 до 15 В, некоторые – при напряжении 9 В ± 10%;

Ä уровень напряжения логического нуля и логической единицы – это уровни напряжения, при которых гарантируется устойчивое различение логических сигналов, как нуля, так и единицы. Различают пороговое напряжение логического нуля (U⁰_пор) и логической единицы (U¹_пор). Напряжение низкого и высокого уровня на выходе микросхем ТТЛ U⁰_пор<2,4 В; U¹_пор>0,4 В. Для микросхем на КНОП структурах U⁰_пор<0,3*U_пит; U¹_пор>0,7*U_пит. В тоже время отклонение выходных напряжений от нулевого значения и напряжения питания, достигают всего нескольких милливольт;

Ä нагрузочная способность – характеризуется количеством элементов той же серии, которые можно подключить к выходу элемента без дополнительных устройств согласования и называется коэффициентом разветвления по выходу. Для большинства логических элементов серии ТТЛ составляет 10, а для серии КМОП – до 100;

Ä помехоустойчивость – характеризуется уровнем логического сигнала помехи, которая не вызывает изменения логических уровней сигнала на выходе элемента. Для элементов ТТЛ статическая помехоустойчивость составляет не менее 0,4 В, а для серии КНОП – не менее 30% напряжения питания;

Ä быстродействие – определяется скорость переключения логического элемента при поступлении на его вход прямоугольного управляющего сигнала требуемой величины. Предельная рабочая частота микросхем серии ТТЛ составляет 10 МГц, а микросхем на КНОП структурах – лишь 1 МГц. Быстродействие определяется так же, как и среднее время задержки распространения сигнала: , где и - времена задержки распространения сигнала при включении и выключении. Для микросхем ТТЛ составляет около 20 нс, а для микросхем на КНОП структурах – 200 нс;

Ä потребляемая микросхемой от источника питания мощность – зависит от режима работы (статистический и динамический). Статистическая средняя мощность потребления базовых элементов ТТЛ составляет несколько десятков милливатт, а у элементов на КНОП структурах она более чем в тысячу раз меньше. Следует учитывать, что в динамическом режиме, мощность, потребляемая логическими элементами, возрастает;

Ä надёжность – характеризуется интенсивностью частоты отказов. Средняя частота отказов микросхем со средним со средним уровнем интеграции составляет: 1/час.

Для согласования уровня сигналов ТТЛ и КНОП применяют специальные ИМС (например, К564ПУ4).

12.      Назначение и основные функции микропроцессора?

Процессор предназначен для выполнения арифметической и логической обработки информации. Арифметические и логические операции можно выполнять как на дискретных элементах и на основе микросхем малой и средней степени интеграции, что приводит к росту размеров процессора, так и на БИС. В последнем случае говорят о микропроцессоре (МП).

К функциям микропроцессора можно отнести:

Ø  выбор из программной памяти ЭВМ команд, дешифрация и выполнение их;

Ø  организация обращения к памяти и устройствам ввода-вывода;

Ø  выполнение запросов на прерывание;

Ø  подача сигналов ожидания для синхронизации работы с медленно действующими устройствами памяти и ввода-вывода информации;

Ø  подача сигналов прямого доступа к памяти и другие сигналы;

Ø  формирование сигналов управления для обращения к периферийным устройствам.

Работа МП организуется по командам, записанным в памяти и поступающим в МП в порядке возрастания номеров ячеек, в которые они записаны.

13.      Используя команды типового МП К1804, составить программу в машинных кодах:

Ø выполнить загрузку числа 12 в ячейку Q , а 9 в РОН с адресом 3;

Ø из первого числа вычесть число 8 из шины данных, результат разместить в РОН с адресом первого числа;

Ø третье число сдвинуть на один разряд вправо и сложить с суммой первых двух чисел. Результат разместить в РОН с адресом 9.

Программа в машинных кодах

	М2	Т8	Т7	Т6	М1	Т2	Т1	Т0	С	Т5	Т4	Т3	А3	А2	А1	А0	В3	В2	В1	В0	D3	D2	D1	D0
а		0	0	0		1	1	1		0	0	0									1	1	0	0
		0	1	1		1	1	1		0	0	0					0	0	1	1	1	0	0	1
б		1	0	0		1	1	0	1	0	0	1	0	0	0	1	1	1	0	0	1	0	0	0
в	0	0	0	1		1	0	0		0	0	1	1	1	0	0
		0	0	0		0	0	0	0	0	0	0	1	1	0	0
		0	1	1		0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	1	1	0	0	1

14.      Использованная литература

 

1.   «Цифровые интегральные микросхемы устройств охранно-пожарной сигнализации», В. Болгов - Воронеж 1997 г.

2.   «Основы микропроцессорной техники», В. Болгов, С. Скрыль, С Алексеенко – Воронеж 1997 г.

3.   «Цифровые устройства и микропроцессоры», учебно-методическое пособие, Болгов В.В. – Воронеж 1998 г.