Каждая лабораторная работа имеет набор индивидуальных вариантов заданий, выполняемых с использованием ЭВМ, имеющейся у обучаемого и предполагает построение логической схемы, создание теста ее проверки, создание модели схемы в среде моделирования, прогон теста на модели и получение временных диаграмм работы схемы. Учащийся проводит анализ диаграммы на предмет совпадения результатов с ожидаемыми, коррекцию схемы или теста в случае отрицательных результатов, составление отчета по работе в текстовом редакторе Word и пересылку его по электронной почте преподавателю для проверки и оценки.

Контролирующие тесты. Состав тестов.

ТЕСТ 1. Разработка и анализ комбинационных

схем на простых логических элементах

ТЕСТ 2. Разработка и анализ комбинационных

схем на дешифраторах , мультиплексорах и сумматорах

Тест 3. Элементы и УЗЛЫ ЭВМ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬ-

НОСТНОГО ТИПА

Тест 4. Регистры. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИНХРОННЫХ СХЕМ

Тест 5. Изучение АЛУ и ПЛИС

Тесты строятся в виде наборов вопросов, из которых учащемуся предлагается случайным образом выбранные 10. На каждый вопрос имеется не менее 3 вариантов ответов, из которых один – правильный. Время на ответ 40 сек. Тест считается успешно пройденным при более 60% верных ответов.

Тестирование проводится в режиме связи через Интернет через обучающую систему ПРОМЕТЕЙ. Опыт обучения показал склонность некоторой части учащихся ограничиться только попытками протии тесты по методике- угадал- не угадал и путем большого количества попыток угадать комбинацию правильных ответов, тем более , что на тест дается значительное время. Однако без правильного выполнения индивидуальных вариантов лабораторных работ эти тесты не дадут положительных оценок успеваемости.

Домашние задания

.Домашние задания( их 3) представляют набор задач, при решении которых учащимся приходится обращаться к материалам лекций и лабораторных работ.

Отчет по заданию пересылается преподавателю по электронной почте для проверки и оценки результатов.

Введение

Курс "Цифровая схемотехника, часть 1" предназначен для первоначального изучения принципов построения функциональных узлов компьютеров дистанционным способом. Основное внимание в курсе уделено вопросам практической реализации схем с применением современных средств описания и проектирования цифровой аппаратуры.

Изложение материала базируется на дополнении традиционного способа описания логических схем - графические изображения и временные диаграммы, описаниями их на языке описания цифровой аппаратуры VHDL (HDL-HARDWARE DESСRIPTION LANGUAGE). Следует сразу отметить, что пособие не является учебников по курсу моделирования и языку VHDL.

Преследуется цель лишь дать читателю представление об альтернативном(алгоритмическом) традиционному( графическому) способу описания цифровой аппаратуры. Рядом с названиями разделов присутствуют примерные номера соответствующих лекций.

Подход к проектированию цифровой аппаратуры, основанный на применении HDL и Систем Автоматизации Проектирования (САПР), предполагающий использование ЭВМ в процессе проектирования, позволяет создавать проекты сложных цифровых устройств за меньшие сроки и более высокого качества.

Лабораторный практикум по курсу ориентирован на дистанционный способ обучения и освоение учащимися навыков неавтоматизированного способа создания(синтеза)проектов простых цифровых устройств на элементах низкого (логические вентили) и среднего (функциональные узлы) уровня интеграции и автоматизированного анализа(верификации) этих проектов методом имитационного моделирования. Иными словами, дистанционный способ обучения предполагает выполнение заданий лабораторного практикума не на физических лабораторных стендах с использованием осциллографов, коммутационных проводов и т.п., а выполнение этих работ на моделях, реализуемых на ЭВМ.

Эти модели строятся и используются учащимися с использованием свободно распространяемых версий САПР и систем моделирования.

В 2016 г в перечне таких систем присутствовало более дюжины, из которых можно отметить такие ,как :

1. учебная система моделирования цифровых схем DEEDS

2.ознакомительная версия (evaluation version) САПР МИКРОКАП

3.студенческая версия (student edition) системы моделирования

ACTIV-HDL (фирма ALDEC),

4.версия ISE WEB PACK САПР Программируемых Интегральных

Логических Схем (ПЛИС) фирмы XILINX,

5.версия САПР QUARTUS фирмы ALTERA и ряд других.

В принципе учащийся сам может выбрать любую из них для освоения в рамках лабораторного практикума по данному курсу, но если параллельно с курсом «Схемотехника ЭВМ» изучается курс « МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ СХЕМ» ,который в МЭИ обычно базируется на использовании САПР ACTIV-HDL (фирмы ALDEC), этот вариант САПР предпочтительнее.

Ниже в таблице приводятся некоторые из пользовательских параметров трех САПР. Если говорить об этих САПР в общем, то система МИКРОКАП проста и подходит для начинающих и лиц, не ориентированных на углубленное изучение профессии, возможности двух других САПР (ACTIV-HDL и ISE WEB PACK) больше, но они более сложны в освоении и больше подходят для лиц, заинтересованных в последующей работе в области проектирования схем современной цифровой аппаратуры с применением HDL.

Глава 1. Элементы КОМБИНАЦИОННЫХ ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ.

(Лекции 1-2)

Работа любых электронных схем характеризуется изменением напряжений или токов в электронных компонентах. С этими напряжениями или токами можно связать сигналы, передающие полезную информацию. Сигналы в электронных схемах могут быть аналоговыми или цифровыми. Работы по созданию вычислительных устройств, точность результатов вычисления в которых не зависит от свойств электронных компонентов, привели к широкому использованию логических (цифровых) сигналов и обрабатывающих их логических электронных компонентов.

1.1. Сигналы и их модели

Сигнал - это любая физическая величина (например, напряжение, температура, давление воздуха, интенсивность света, сила тока и т.д.), изменяющаяся во времени и рассматриваемая как носитель информации.

Электрический сигнал - это электрическая величина (например, напряжение, ток, мощность). Современная электроника в основном работает с электрическими сигналами, хотя сейчас все больше используются оптические сигналы, которые характеризуются изменяющейся во времени интенсивностью света. К основным параметрам сигналов относятся амплитудные, частотные( временные) и мощностные характеристики.

Аналоговые и дискретные (цифровые) сигналы.

Аналоговый сигнал (analog signal)- это сигнал, который может принимать в определенных пределах любые различимые значения. Например, напряжение может плавно изменяться в пределах от нуля до десяти вольт. Устройства, работающие только с аналоговыми сигналами, называются аналоговыми устройствами. Название "аналоговый" подразумевает, что сигнал изменяется аналогично некоторой физической величине, то есть непрерывно.

Дискретный (цифровой) сигнал(digital signal, discrete signal) - это сигнал, в котором различают лишь несколько значений. Для систем обработки информации характерно использование двоичных сигналов, т.е. сигналов, в которых различимы только два из возможных значений (рис. 1.1). Например, напряжение может принимать значения: от 0 до 5 В, но различимыми будут считаться лишь два диапазона значений. Значение сигнала в диапазоне 0- 0,5 В принимают за уровень нуля ,а от 2,5 до 5 В за уровень единицы. Системы, работающие исключительно с цифровыми сигналами, называются цифровыми.

Рис.1.1. Электрический сигнал (слева) и его цифровое представление (справа)

Сигналы подвергаются действию шумов, наводок, помех.

Наводки и помехи(pickup) – это внешние или возникающие внутри системы возмущения, искажающие полезный сигнал. Например, источником внешних помех может стать проникающее в систему электромагнитное излучение, пролет космических частиц и т.п., источником внутренних помех могут быть электромагнитные наводки в проводниках от переключений сигналов в соседних проводниках, нестабильность источников питания и т.п.). В случае аналоговых систем все это существенно ухудшает полезный сигнал, так как все его значения разрешены (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Искажение помехами идеального аналогового (слева) и цифрового (справа) сигналов

В отличие от аналоговых, цифровые сигналы, имеющие обычно всего два различимых значения, лучше защищены от действия помех. Небольшие отклонения от разрешенных значений никак не искажают цифровой сигнал, так как существуют зоны допустимых отклонений (рис. 1.2). Все эти преимущества в настоящее время обеспечивают опережающее развитие цифровых систем обработки информации.

1.2. Логические функции и логические элементы.

Известны различные математические модели сигналов. Наиболее простой является двоичная или Булева модель.

В этой модели принято, что сигналы имеют лишь два уровня:

• 1(истинно-True)

• 0(ложно-False)

Все логические операции по преобразованию сигналов в этом двоичном алфавите описываются Булевой алгеброй.

Ниже в табл.1.1 представлены Булевские таблицы истинности логических операций (элементарных логических функций):

• НЕ(NOT-инверсия)

• И (AND- конъюнкция)

• И-НЕ (NAND- конъюнкция с инверсией)

• ИЛИ(OR- дизъюнкция)

• ИЛИ-НЕ(NOR- дизъюнкция с отрицанием)

• ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ(XOR-сложение по модулю)

• ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ(XNOR- равнозначность).

В табл.1.1 столбцы А и В содержат значения аргументов Булевых функций, под названиями функций – столбцы с результатами соответствующих операций.