Спиридонов С.Б. - Схемотехника дискретных устройств

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТ им. Н.Э.БауманаСпиридонов С.Б."Схемотехника дискретных устройств”Учебное пособие2015 г.УДКБККРецензенты:Рассмотрены основные понятия базовых логических элементоввходящих в основные узлы и блоки вычислительных устройств широкогокласса. Изложены принципы описания функционирования, методологиипроектирования улов и блоков на основе логических элементов. Рассмотренраздел булевой алгебры, нашедший применение на этапах синтезасхемотехнических решений узлов и устройств. Рассмотрены основныеметоды проектирования и оптимизации решений.Для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 230100«Информатика и вычислительная техника» специальности«Автоматизированные системы обработки информации и управления».2ОглавлениеПредисловие………………………………………………………………………6Задачи и результаты изучения теоретического материала…………….………9Модуль 1.

Базовые элементы дискретных устройств АСОИУ……..………..12Глава 1. Логические элементы…………………………………………………121.1 Базовые схемы реализации логических функций………………….…….121.2. Типовые примеры проектных решений……………….………….…..…..191.3. Контрольные вопросы……………………………………………..……....201.4.

Задачи для самостоятельного решения……………………………..……22Глава 2. Применение булевой алгебры в проектировании схем…..……….262.1. Основные понятия и определения булевой алгебры…….………..…….262.2 Типовые примеры проектных решений……………….………….…...….412.3. Контрольные вопросы……………………………………………………...412.4. Задачи для самостоятельного решения…………………….……………..42Глава 3.

Математический аппарат проектирования схем дискретныхустройств…………………………………………………………………..…….443.1 Синтез комбинационных схем……………………………….…………..443.2. Типовые примеры проектных решений……………….……….….…….533.3 Контрольные вопросы……………………………………………………593.4. Задачи для самостоятельного решения…………………….……………60Глава 4.

Схемотехника устройств выборки, кодирования и связи………….654.1. Мультиплексоры, демультиплексоры, дешифраторы, шифраторы,преобразователи кодов.…………………………………………………………654.2. Типовые примеры проектных решений……………….………….………804.3. Контрольные вопросы……………………………………………………..844.4. Задачи для самостоятельного решения…………………….…………….85Глава 5. Бинарные схемы с временной зависимостью………………….……895.1.Назначение, классификация и типовое устройство триггеров……….895.2. Триггеры RS, D, JK, Т типа……………………………………………..945.3. Применение триггеров в схемах управления и переключения…..…..11335.4. Типовые примеры проектных решений с использованиемтриггеров……….………………………………………………………………1165.5Контрольные вопросы………………………………………………….1185.6.

Задачи для самостоятельного решения………………………….…….121Глава 6. Задания и вопросы для самостоятельной подготовки к рубежномуконтролю по модулю 1.………………………………………………………..125Модуль 2. Базовые узлы и блоки дискретных устройств АСОИУ…………137Глава 7. Регистры……………………………………………………………..1377.1. Назначение, классификация, параметры и типовое устройстворегистров………………………………………………………………………..1377.2. Регистр с приёмом информации параллельным кодом………………...1387.3. Сдвигающие регистры…………………………………………………….1407.4.

Реверсивные сдвигающие регистры……………………………………..1417.5. Универсальный регистр…………………………………………………..1427.6. Применение регистров………………………………………………..…1437.7. Типовые примеры проектных решений с использованием регистров..1447.8. Контрольные вопросы…………………………………………………..1457.9. Задачи для самостоятельного решения……………………….………..145Глава 8. Счетчики и делители частоты……………………………………..1468.1.Назначение,классификация,параметрыитиповоеустройствосчётчиков……………………………………………………………………….1468.2.

Синтез счетчиков и пересчетных схем на универсальныхD–триггерах и JK–триггерах………………………………………………….147Итоги изучения главы 8.8.2. Типовые примеры проектных решений…………………………………1558.3. Контрольные вопросы……………………………………………………1568.4. Задачи для самостоятельного решения…………………………………156Глава 9. Арифметические устройства………………………………….……1579.1. Назначение и классификация арифметических устройств………….....1579.2. Классификация и основные типы вычитателей……………….……….16649.3.

Сумматоры накапливающего типа………………….…………………..1699.4. Двоично-десятичный сумматор…………………………………………1729.5 Универсальный многоразрядный сумматор-вычитатель………………1739.6. Сумматоры дополнительного кода и сумматоры обратного кода….…1759.7. Методы ускорения распространения переносов в сумматорах……..…1779.8. Инкременторы и декременторы………………………………………....1789.9. Цифровые компараторы……………………………………………….…180Итоги изучения главы 9………………………………………………………1849.10.

Типовые примеры проектных решений арифметических устройств..1859.11 Контрольные вопросы……………………………………………….…..1859.12. Задачи для самостоятельного решения…………………………….…..186Глава 10. Запоминающие устройства…………………………………….…18710.1 Назначение и классификация запоминающих устройств……………..18710.2. Постоянные и оперативные запоминающие устройства…………..…187Итоги изучения главы 10………………………………………………………20110.4.

Контрольные вопросы…………………………………………………..202Глава 11. Задания и вопросы для самостоятельной подготовки к рубежномуконтролю по модулю 2…………………………………………………………203Глоссарий. Список сокращение и обозначений……………………………..205Литература…………………………………...…………………………………2065ПредисловиеБурное развитие интегрированных схемотехнических решений во всехобластях использования вычислительной техники и системах управления,требует потребности в базовых знаниях основ проектированияэлементов и устройств.базовыхБольшинство структурных и схемотехническихрешений, применяемых в компьютерах, микропроцессорных системах,микроконтроллерах и т.д.

являются универсальными и типовыми.Схемотехника дискретных устройств – учебная дисциплина, в которойрассматривают схемотехнический базиспроектныхиконструкторскихвычислительной техники,устройств, лежащих в основерешенииприсозданиисредствматематический аппарат булевой алгебры,применяемый для анализа, проектирования и оптимизации архитектурысхемотехнических решений.Учебное пособиеохватываетчасть, соответствующую первомумодулю «Комбинационные схемы и устройства» программы курса подисциплине «Схемотехника дискретных устройств».В настоящем пособии изложены основные понятия схемотехническогобазиса устройств вычислительной техники иматематический аппарат,лежащий в основе проектирования широкого класса элементов и узловвычислительных устройств.Опыт преподаваниястудентам основ проектирования показал, чтотеоретический материал прочно и быстро усваивается студентами только припрактическом выполнениизадач.

Часть этой проблемы решается в ходелабораторного практикумаи при практическом выполнении домашнегозадания.Помимо этого в данное учебное пособие внесены разделы длясамостоятельного контроля знаний студентов.Изложенные в пособиитестовые примеры и задачи служат целью подготовить студента кконтрольным мероприятиям по данному курсу.примерахВ приведённых типовыхобосновывается использование рассмотренных теоретическихметодов и подходов.6Пособие состоит из пяти глав и приложения.В первой главе рассмотрены основные схемы самого нижнего базовогоуровня,накоторомсоздаютсясамыеосновныеузлыиблокивычислительных устройств.

Даны основные вводные понятия о логическихэлементах и зависимостях выходных сигналов от множества входныхсигналов. Обосновывается тождественность понятий двоичной арифметики,булевой алгебры и теории переключательных схем.Во второй главе приведено описание той частипонятий, теорем,законов булевой алгебры, которая применима для задач схемотехническогопроектирования устройств вычислительной техники.Рассмотрены булевы функции, которые имеют однозначное соответствиефункционированиютиповыхполупроводниковыхприборов.элементов,реализованныхРассмотренонаприменениеосновезаконовпреобразования булевых функций и показаны практические примерыальтернативных вариантов решения одного и того же узла на различнойэлементной базе.

В пособии значительное место уделено одному из удобныхметодов минимизации булевых функций, имеющих практическую цельсокращенияразмерностиразрабатываемыхузловиустройствприсохранении их функциональных возможностей. На основе применении этогометода минимизации сформулировано большое количество примеров изадач, приведённых в последующих разделах.В третьей главе изложена технология синтеза, то есть определениеструктуры и архитектуры схем на основе описания их работы средствамибулевой алгебры. Подробно рассмотрены этапы этого проектного подхода.Рассмотрены примеры практической направленности. Показано, что синтезкомбинационных схем лежит в основе проектирования более сложных пофункционированию устройств вычислительной техники.В чётвёртой главе рассмотрена архитектура и схемная реализациядешифраторов,шифраторов,мультиплексоровидемультиплексоров.Приведены примеры их применения и функционального назначения.7В пятой главерассмотрена классификация триггеров, являющихсяосновой схемотехнической базы подавляющего большинства устройстввычислительной техники.

Рассматриваются триггеры RS, D, JK и Е типа.Рассматриваютсявариантысхемотехническойархитектурытриггеров.Приводятся примеры использования триггеров в схемах управления иселекции сигналов. Приводятся контрольные вопросы и задачи длясамостоятельного решения.В шестой главе приводятся примеры практического выполнения техтеоретических основ и принципов, которые рассмотрены в предыдущихглавах.Далееприведены контрольные вопросы для самоконтроля усвоениятеоретического материала данного курса, сформулированы тестовые заданияи задачи для самостоятельного решения, а также приведены ответы иподробные решения предложенных задач.Самостоятельное выполнение тестовых заданий и задач даст студентувозможностьуспешноподготовитьсяквыполнениюконтрольныхмероприятий по дисциплине.Пособиепредназначенодлястудентоввузов,обучающихсяпонаправлению подготовки 230100 «Информатика и вычислительная техника»специальности «Автоматизированные системы обработки информации иуправления».слушателямОтдельныевторогозанимающихсяглавывысшегопроектированиемучебногообразованияпособияикругуспециализированныхбудутполезныспециалистов,вычислительныхсредств автоматики и управления.Автор выражает благодарность рецензентам пособия за замечания иполезные рекомендации, сделанные в процессе детального изученияучебного пособия.Задачи и результаты изучения теоретического материала модулей 1 и 2.81.