В.Б. Венславский
УЧЕБНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ
Учебное пособие
для студентов физико-математических и индустриальнотехнологических факультетов педагогических университетов
Чита
ЗабГГПУ
2010
ББК 32.85 я 7
УДК 621.37 / 39 (075)
В 295
Печатается по решению Ученого совета
Забайкальского государственного гуманитарно-педагогического
университета им. <...> Б.Б. Жалсабон, канд. физ.-мат. наук, доцент ЗабГГПУ
В 297 Венславский, В.Б.
Учебное проектирование цифровых устройств: учеб. пособие для
студентов педагогических университетов / В.Б. Венславский ; Забайкал. гос.
гум.-пед. ун-т. <...> Книга будет
полезна всем интересующимся преподаванием основ цифровой электроники
и схемотехники. <...> Булева алгебра или алгебра двоичных чисел является языком моделирования физических устройств – языком программирования на физическом уровне цифровой техники. <...> Для расчёта релейных
схем булева алгебра была применена Клодом Элвудом Шенноном (1916–
2001) в публикации 1937 г., за которую в 1940 году ему была присуждена премия объединения инженерной общественности США. <...> Языком описания функционала интегральных микросхем и сборных из них конструкций является булева алгебра двоичных
чисел. <...> Учебная технология изыскания принципиальной схемы как информационной модели системы, построенной на моделях дискретной элементной базы, предусматривает следующие этапы моделирования:
– постановку задания в форме словесного портрета;
– поиск информационной модели в форме функционального модуля
(с использованием УГО);
– изыскание математической модели в форме таблицы истинности
(прямой или обратной);
– изыскание математической модели в форме временной диаграммы
(эпюры);
– изыскание математической модели в форме ориентированного
графа;
– изыскание математической модели в форме булевых уравнений;
– оптимизацию математической модели (программы) и перевод в заданный базис;
– построение принципиальной схемы – программирование на физическом уровне <...>
Учебное_проектирование_цифровых_устройств_учеб._пособие_для_студентов_педагогических_университетов.pdf
Забайкальский государственный гуманитарно-педагогический
университет им. Н.Г. Чернышевского
В.Б. Венславский
УЧЕБНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ
Учебное пособие
для студентов физико-математических и индустриальнотехнологических
факультетов педагогических университетов
Чита
ЗабГГПУ
2010
Стр.2
ББК 32.85 я 7
УДК 621.37 / 39 (075)
В 295
Печатается по решению Ученого совета
Забайкальского государственного гуманитарно-педагогического
университета им. Н.Г. Чернышевского
Ответственнй за выпуск: А.А. Томских, канд. геогр. наук,
первый проректор ЗабГГПУ
Рецензенты:
Ю.Л. Хотунцев, д-р физ.-мат. наук, профессор, МПГУ;
Б.Б. Жалсабон, канд. физ.-мат. наук, доцент ЗабГГПУ
В 297
Венславский, В.Б.
Учебное проектирование цифровых устройств: учеб. пособие для
студентов педагогических университетов / В.Б. Венславский ; Забайкал. гос.
гум.-пед. ун-т. – Чита, 2010. – 136 с.
ISBN 978-5-85158-627-9
В учебном пособии рассмотрены основы учебного проектирования
и моделирования комбинационных логических и последовательных цифровых
устройств. Каждая глава содержит примеры и учебные технические задания
для организации учебного моделирования цифровых схем. Все задания
и мини-проекты ориентированы на использование имитационных программ и
технических средств учебного назначения. Лабораторный практикум моделирования
цифровых схем содержит 18 работ. В заданиях практикума предусмотрено
освоение элементов педагогического проектирования учебных модулей
и элементов учебно-методических комплексов.
Пособие предназначено для студентов физико-математических и
индустриально-технологических факультетов педагогических университетов
и учителей, которым предстоит работать по направлениям «Вычислительная
техника» и «Электроника» в условиях профильного обучения. Книга будет
полезна всем интересующимся преподаванием основ цифровой электроники
и схемотехники.
ББК ББК 32.85 я 7
УДК 621.37 / 39 (075)
ISBN 978-5-85158-627-9
© В.Б. Венславский
© ЗабГГПУ, 2010
Стр.3
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ ......................................................................................6
ВВЕДЕНИЕ ...............................................................................................7
ГЛАВА 1. АЛГЕБРА ДВОИЧНЫХ ЧИСЕЛ ......................................13
1.1. Позиционные системы счисления ..........................................13
1.2. Операторы булевой алгебры ...................................................16
1.3. Методы минимизации булевых функций ..............................18
1.3.1. Алгебраический метод .....................................................19
1.3.2. Метод карт Карно ............................................................19
1.3.3. Методы минимизации сложных систем .....................24
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ...29
2.1. Схемотехника релейных переключательных схем ..............29
2.2. Схемотехника релейно-контактных элементов ...................32
2.3. Основы моделирования логических элементов ..................34
2.4. Логический инвертор – элемент НЕ .......................................35
2.5. Логический элемент И .............................................................37
2.6. Логический элемент ИЛИ ........................................................39
2.7. Логический элемент Шеффера – И-НЕ ..................................40
2.8. Логический элемент Пирса – ИЛИ-НЕ ..................................42
2.9. Логический элемент «сложение по модулю два» ...............43
2.10. Комбинационная сборка «эквивалентность» ..................45
2.11. Логические элементы И-ИЛИ-НЕ.........................................46
2.12. Логические «повторители» ....................................................46
2.13. Комбинационная сборка «импликация» –
«если … то» ........................................................................................47
2.14. Комбинационная сборка «коимпликация» –
«запрет» ...............................................................................................48
ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМБИНАЦИОННЫХ
СХЕМ ........................................................................................................50
3.1. Основы анализа и синтеза КЛС ..............................................50
3.2. Синтез КЛС на основе булевых уравнений ...........................51
3.3. Синтез КЛС на основе модели в форме таблицы ................53
3.4. Синтез КЛС на основе модели в форме эпюры ....................55
3.5. Технологии учебного проектирования цифровых ЭУ ........56
3
Стр.4
3.5.1. Технологии договорных отношений
на разработку ЭУ ........................................................................57
3.5.2. Технологии выполнения учебного проекта ...................57
3.6. Технологии учебного проектирования КЛС ........................59
ГЛАВА 4. ПРАКТИКУМ: МОДЕЛИРОВАНИЕ
КОМБИНАЦИОННЫХ СХЕМ ............................................................62
4.1. Технические задания мини-проектов ....................................62
4.2. Технические средства учебного назначения .........................63
4.2.1. Универсальный цифровой стенд «УЦС-1» ....................64
4.2.2. Стенд универсальный «ОАВТ» ......................................66
4.2.3. Цифровая лаборатория «V1.01» .....................................67
4.2.4. L-микро® – учебное оборудование ................................68
4.2.5. Универсальные стенды «УМ-11М» и «УМ-12М» ........69
4.2.6. Аппаратно-програмный комплекс NI Elvis ...................69
4.3. Программные средства учебного назначения ......................70
4.4. Лабораторный практикум: моделирование КЛС ...............73
4.4.1. Лабораторная работа № 1.
Технические и программные средства для учебного
моделирования цифровых устройств .....................................74
4.4.2. Лабораторная работа № 2.
Минимизация комбинационных схем ......................................75
4.4.3. Лабораторная работа № 3.
Моделирование преобразователей кодов .................................80
4.4.4. Лабораторная работа № 4.
Синтез клавиатурных шифраторов ........................................82
4.4.5. Лабораторная работа № 5.
Моделирование дешифраторов .................................................84
4.4.6. Лабораторная работа № 6.
Моделирование мультиплексоров ............................................86
4.4.7. Лабораторная работа № 7.
Моделирование демультиплексоров ........................................87
4.4.7. Лабораторная работа № 8.
Моделирование одноразрядных сумматоров ...........................88
4.4.8. Лабораторная работа № 9.
Моделирование устройств защиты информации .................90
ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ
СХЕМ .......................................................................................................92
5.1. Моделирование элементарных полуавтоматов ....................92
5.2. Моделирование RS-триггеров ..................................................94
5.2.1. Моделирование RS-триггера S-типа .............................97
4
Стр.5
5.2.2. Моделирование RS-триггера R-типа ...........................99
5.2.3. Моделирование RS-триггера E-типа .........................100
5.3. Моделирование синхронного RCS-триггера .......................101
5.4. Моделирование D-триггера ....................................................104
5.5. Моделирование Т-триггера ....................................................106
5.6. Моделирование JK-триггера ..................................................108
5.7. Моделирование регистров .....................................................109
5.8. Моделирование цифровых счётчиков импульсов ...........110
5.9. Моделирование запоминающих устройств .........................111
ГЛАВА 6. ПРАКТИКУМ: МОДЕЛИРОВАНИЕ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ СХЕМ ................................................115
6.1. Лабораторная работа № 10.
Моделирование асинхронных RS-триггеров ...............................116
6.2. Лабораторная работа № 11.
Моделирование синхронных RCS-триггеров ..............................117
6.3. Лабораторная работа № 12.
Моделирование D-триггера ............................................................118
6.4. Лабораторная работа № 13.
Моделирование Т-триггера ...........................................................120
6.5. Лабораторная работа № 14.
Моделирование асинхронного JK-триггера ................................121
6.6. Лабораторная работа № 15.
Моделирование синхронного JСK-триггера ................................123
6.7. Лабораторная работа № 16.
Моделирование последовательных регистров ...........................125
6.8. Лабораторная работа № 17.
Моделирование параллельных регистров ..................................126
6.9. Лабораторная работа № 18.
Моделирование цифровых счётчиков импульсов .....................127
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................129
ГЛОССАРИЙ ..........................................................................................131
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ ........................................132
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .........................................133
Методические рекомендации и технические описания ..................134
Справочники по цифровой электронике ...........................................135
5
Стр.6
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное пособие предназначено для студентов физико-математических
и индустриально-технологических факультетов педагогических университетов
и учителей, которым предстоит работать в условиях профильного
обучения школьников, разрабатывать элективные курсы и курсы по
выбору. В учебном пособии уделяется большое внимание технологии учебного
проектирования и моделирования цифровых устройств, обсуждаются
различные формы моделей и процесс перехода от информационных
математических форм моделей к информационным символьным моделям
в форме принципиальных схем. Книга ориентирована на выполнение студентами
учебных изысканий всех форм моделей как проектных решений в
области цифровой схемотехники с последующим выполнением практикумов
имитационного и лабораторного моделирования.
Содержание учебного пособия соответствует дисциплинам предметной
подготовки «Физическая электроника» и ГОС ВПО РФ по направлениям:
540200
Физико-математическое образование, квалификация «бакалавр»
образования;
540500 Технологическое образование, квалификация «бакалавр» образования.
Учебное
пособие «Основы учебного проектирования цифровых
устройств» может быть использовано в рамках элективных курсов и при
подготовке по индивидуальным программам магистерского уровня:
050200.68 Физико-математическое образование, магистерская программа
540202М Физическое образование;
050500.68 Технологическое образование, магистерская программа
050500.68.01 Профессиональное образование.
В основу учебного пособия положены методические материалы, которые
использовались автором при организации НИРС и при чтении раздела
курса «Физическая электроника» для студентов Забайкальского государственного
гуманитарно-педагогического университета им. Н.Г. Чернышевского
(http://www.zabspu.ru).
Автор благодарит соавторов по разработке элементов учебнометодического
комплекса (УМК) по дисциплине «Физическая электроника
А.Н. Грицаенко и студентов-выпускников физико-математического
факультета К. Янковского и А. Выходцева.
Автор будет благодарен читателям за любые конструктивные замечания
или пожелания по усовершенствованию учебного пособия (venslav@mail.ru).
6
Стр.7