close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

KaspinTryshina

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
ЦИФРОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА
Методические указания
к проведению лабораторных работ
с применением эмуляторов
Часть 1
Санкт-Петербург
2014
Составители: Д. Я. Каспин, Н. П. Трушина, Д. Д. Куликов
Рецензент –преподаватель высшей категории ФСПО ГУАП
Т. А. Густова
Рассмотрены общие правила выполнения лабораторных работ с
применением программных моделей – эмуляторов. На основе программной модели « Эмулятор контроля АЛУ по модулю 3» студентам предлагается выполнить пять лабораторных работ, которые
предназначены для привития практических навыков по построению и работе со сложными цифровыми устройствами, а также проведения простейших исследований по поиску и устранению неисправностей в цифровых схемах.
Методические указания предназначены для студентов специальностей 230113 – «Компьютерные системы и комплексы», 200105 –
«Авиационные приборы и комплексы», 220703-«Автоматизация
технологических процессов и производств», 230115 – «Программирование в компьютерных системах».
Методические указания подготовлены цикловой комиссией вычислительной техники и программирования 12 факультета, соответствует требованиям ФГОС СПО к содержанию подготовки студентов по перечисленным специальностям и рекомендованы к изданию редакционно-издательским советом ГУАП.
Публикуется в авторской редакции
Компьютерная верстка С. Б. Мацапуры
Сдано в набор 16.05.14. Подписано к печати 18.06.14.
Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,21.
Уч.-изд. л. 2,38. Тираж 100 экз. Заказ № 338.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2014
ВВЕДЕНИЕ
Наиболее эффективным путём увеличения числа новых перспективных лабораторных работ по темам, связанным с цифровой схемотехникой, является разработка на основе современных компьютерных технологий – эмуляторов, то есть программных моделей
современных цифровых схем. Эмуляция (англ.emulation) – воспроизведение программными или аппаратурными средствами, либо их
комбинациями, работы других программ или устройств. Создание
программной модели, позволяющей в доступной и наглядной форме объяснять студентам процессы, происходящие в моделируемых
устройствах, является в настоящее время актуальной задачей.
На 12 факультете ГУАП, существует практика – отдельным выпускникам, в качестве дипломных проектов предлагается разработать новые программные модели, эмулирующие процессы, происходящие в цифровых схемах разной сложности. Так в 2010 году
выпускники факультета Максимов А. В., Нестерук И. В. и Шабанов А. И. разработали программную модель под общим названием
«Эмулятор контроля АЛУ по модулю три», представляющую собой
совокупность нескольких программных моделей, предназначенных для привития практических навыков по освоению принципов
построения и изучению работы отдельных, достаточно сложных
цифровых узлов и устройств цифровой техники, а также для проведения простейших исследований по поиску и устранению неисправностей в цифровых схемах и системах. Данный эмулятор позволяет студенту выполнить следующие лабораторные работы:
1) изучение принципа построения и работы одноразрядного двоичного сумматора;
2) изучение принципа построения и работы одноразрядного десятичного сумматора;
3) изучение принципа построения и работы АЛУ последовательного действия;
4) изучение принципа построения и работы АЛУ параллельного
действия;
5) изучение принципа построения и работы схемы контроля
АЛУ с использованием остаточного кода по модулю 3.
3
ОБЩИЕ ПРАВИЛА РАБОТЫ С ЭМУЛЯТОРОМ
1. После запуска эмулятора на экране монитора появляется
ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА эмулятора, представленная на рис. 1. Все
кнопки реагируют на одинарный «клик» левой клавиши мыши.
2. Вызов справки. Для вызова справки по работе с эмулятором
необходимо открыть ОКНО СПРАВКИ (помощь), которое представлено на рис. 2.
Окно справки можно вызвать клавишей <F1> (клавиатуры) или
кнопки «Вызов», рис. 1, из любой части эмулятора. Все кнопки,
представленные на рис. 2, реагируют на одинарный «клик» левой
клавиши мыши.
Для изменения размера окна по ширине (высоте) необходимо
выполнить следующие действия:
– установить курсор на правый (нижний) край окна до появления стрелок;
– после появления стрелок нажать и удерживать левую клавишу мыши, растягивая (сжимая) данное окно.
3. Для вывода исследуемой схемы с экрана монитора на печать
необходимо нажать правую клавишу мыши и в контекстном меню
выбрать пункт Print.
4. Работа в выбранном режиме.
4.1. Режим студента.
Рис. 1. Главная страница эмулятора
4
Рис. 2. Основное меню эмулятора
При нажатии кнопки «Версия для студента», рис. 1, пользователь попадает в соответствующую рабочую область, рис. 3.
Рис. 3. Рабочее поле эмулятора с названием папок всех лабораторных работ
5
При выборе любой папки (кроме папки «Свободного режима»)
открывается окно, в верхней части которого, указан заголовок выполняемой лабораторной работы, рис. 4. При одинарном нажатии на
папку «Свободный режим» открывается пустое рабочее поле, на котором можно собрать любую схему выполняемой лабораторной работы. Элементы и узлы для сборки схемы выбираются из библиотеки
элементов. Окно можно перемещать за верхнюю панель. Все ярлыки
внутри окна реагируют на двойной «клик» левой клавиши мыши.
4.1.1. Методические указания.
При нажатии на ярлык «Методические указания» (рис. 4) откроется окно с соответствующим текстом (рис. 5). Текст можно
Рис. 4. Рабочее поле эмулятора для выбранной лабораторной работы
Рис. 5. Текст методических указаний для выбранной лабораторной работы
6
прокручивать с помощью ползунков прокрутки или с помощью
стрелок прокрутки. Для прокрутки необходимо нажать и удерживать элемент прокрутки.
4.1.2 Тестирование.
При нажатии на ярлык «Тестирование» (рис. 4) откроется окно
тестирования (рис. 6).
Рис. 6. Текущий вопрос с вариантами ответов
При получении оценки от 3 до 5 баллов (рис. 7), осуществляется автоматический переход к дальнейшей работе (сборка схемы) либо вручную, с помощью одинарного «клика» по кнопке «Переход к схеме».
Рис. 7. Положительный результат тестирования
7
Если же результаты тестирования – неудовлетворительные
(рис. 8), то через 3 секунды эмулятор откроет соответствующие методические указания.
Рис. 8. Отрицательный результат тестирования
4.1.3. Работа со схемами в режиме студента.
При нажатии на ярлык «Схема» (рис. 4) открывается поле для
сборки схемы по требуемой лабораторной работе (рис. 9).
Нажатием на кнопку «Элементы» (или клавиши «Enter») можно
вызвать окно со списком цифровых элементов (рис. 10), которые будут использоваться для сборки необходимой схемы. Выбирать необходимый для сборки схемы элемент или узел из библиотеки можно
с помощью кнопок прокрутки (или клавишами «PgUp»/«PgDn»).
Выбрав нужный элемент необходимо нажать клавишу «Enter». После нажатия на данную клавишу выбранный элемент появляется в
пустом поле. Если выбираются логические элементы (типа – дизъюнктора), то при нажатием клавиши «Enter» можно задать количество входов (от 2 до 9) у элементов (рис. 11), а затем кнопку «ОК».
Рис. 9. Поле для сборки схем по выполняемой лабораторной работе
8
Рис. 10. Список элементов, которые могут быть использованы для построения схемы
Рис. 11. Поле для выбора числа входов некоторых логических элементов
4.1.3.1. Соединение и перемещение элементов.
Для соединения элементов необходимо нажать один раз левой
клавишей мыши кнопку «Соединение» (рис. 9) одного элемента
и кнопку «Соединение» другого элемента. Вид линии зависит от
порядка нажатия кнопок «Соединение». При наведении курсора мыши на соединительную линию она подсвечивается красным
цветом.
9
Для удаления ошибочно проведенной линии необходимо указать курсором мыши на соответствующую линию до выделения ее
красным цветом. Затем нажать правую клавишу мыши – появится
контекстное меню, далее выбрать пункт «Удалить линию».
Для перемещения элементов необходимо указать курсором
мыши на соответствующий элемент. Затем нажать и удерживать
левую клавишу, перемещая элемент. При большом числе линий
и элементов требуется значительное время для построения схемы,
что может привести к срабатыванию сторожевого таймера и появлению сообщения о закрытии программы. В этом случае необходимо нажать кнопку «Нет» и подождать некоторое время. Перемещение всей схемы вверх/вниз осуществляется с помощью колесика
прокрутки мыши.
4.1.3.2. Возможные проблемы при работе со схемами:
– если при выполнении пункта 4.1.3.1 линия не отображается,
это означает, что кнопки «Соединение» (рис. 9) данных элементов
находятся слишком близко друг от друга, поэтому необходимо увеличить расстояние между элементами;
– если линия соединений отобразилась, но некорректно, не в соответствии с ГОСТом, рис. 12, а, то в этом случае необходимо раздвинуть кнопки (элементы), рис. 12, б;
– при нажатии клавиши «Enter» – окно выбора элементов не открывается, поэтому необходимо щелкнуть левой клавишей мыши
в любом свободном месте, а затем снова нажать клавишу «Enter»;
– при сборке схемы и проверке ее работы, например RS-триггера
(рис. 13), сигналы «скачут как бешеные», триггер попал в неустойчивое (неопределенное) состояние, которое может быть ликвидировано путем предварительного обнуления схемы;
– при возникновении других проблем необходимо перезапустить эмулятор.
а)
б)
Рис. 12. Неправильное и правильное соединения кнопок и элементов
10
Рис. 13. RS-триггер в неопределенном состоянии
4.2. Режим преподавателя.
В режиме преподавателя все схемы собраны заранее. Чтобы войти в этот режим, необходимо нажать левой клавишей мыши на
кнопку «Версия преподавателя» (рис. 1), появится окно авторизации (рис. 14), куда необходимо ввести пароль.
Если пароль введен неверно, то появится окно (рис. 15, а) с сообщением, что пароль введен неверно. Если пароль введен верно, то
появится окно (рис. 15, б) с сообщением, что пароль введен верно.
Рис. 14. Окно авторизации при выборе режима «версия преподавателя»
а)
б)
Рис. 15. Правильность выбора пароля
11
5. Дополнительные возможности работы с цифровыми схемами
в данном эмуляторе (в режиме студента).
5.1. Импульсный вход: имеется возможность задавать длительность импульса (рис. 16) целым числом (от 1 до 99999), но не в секундах, а в тактах.
Рис. 16. Поле для выбора длительности импульсов
Для того чтобы изменить ранее заданную длительность, необходимо навести курсор мыши на элемент, нажать правую клавишу
мыши и в появившемся контекстном меню выбрать пункт «Изменить длительность импульса», а в появившемся окне (рис. 17) можно задать новую длительность импульса.
Рис. 17. Поле для изменения длительности импульсов
5.2. Работа с генератором тактовых импульсов аналогична работе с импульсным входом, отличие состоит лишь в том, что кроме
длительности импульса необходимо задавать также период следования импульсов.
5.3. Работа со сложными логическими элементами (или-и, и-или
и т.п.) требует задания числа элементов соответствующей логики.
5.4. С помощью элемента «надпись» (рис. 18) можно подписывать входы, выходы, нумеровать элементы и т.д. С левой стороны
Рис. 18. Поле для ввода текста рядом с различными элементами схемы
12
от «надписи» находится маркер. «Надпись» можно перемещать
курсором, нажав и удерживая левую клавишу мыши на маркере.
5.5. Управляющие входы счетчика:
– ЗП – импульсный вход, служит для записи исходного кода
числа в счетчик;
– ±1 – выбор режима (суммирующий или вычитающий), на эти
входы подаются постоянные уровни сигнала;
– С – счетный вход счетчика (с приходом очередного импульса происходит либо увеличение содержимого счетчика на 1, либо
уменьшение – на 1);
– R – обнуление счетчика.
5.6. Управляющие входы регистров сдвига:
– С1 – запись параллельным кодом;
– С2 – запись последовательным кодом;
– С – вход сигналов сдвига;
– R – обнуление регистра.
5.7. Управляющие входы ОЗУ:
– w/r – запись (1), чтение (0);
– сs – выбор кристалла (разрешение на запись или чтение).
13
Лабораторная работа 1
ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ПОСТРОЕНИЯ И РАБОТЫ
ОДНОРАЗРЯДНОГО ДВОИЧНОГО СУММАТОРА
Цель работы:
– закрепить полученные навыки синтеза комбинационных схем
сумматоров;
– проверить работоспособность сумматора с помощью таблицы
истинности.
Основные теоретические положения
Сумматором (SM) называется функциональный узел (элемент
цифровой техники), выполняющий алгебраическое сложение кодов чисел. Для выполнения операций сложения применяются либо
одноразрядные, либо многоразрядные суммирующие схемы, при
этом сложение осуществляется либо последовательно разряд за разрядом, тогда сумматор называется сумматором последовательного
действия. Если же слагаемые поступают во все разряды сумматора
параллельно и одновременно, то такой сумматор называется сумматором параллельного действия. Основной характеристикой SM
является время суммирования t∑, т.е. время образования окончательной суммы на выходе сумматора. Это время напрямую связано
с организацией цепей переносов от разряда к разряду в SM.
По организации цепей переносов все сумматоры делятся на:
– SM с последовательным переносом от разряда к разряду;
– SM с параллельным (одновременным) переносом;
– SM с групповым переносом.
Для ускорения выполнения операции сложения многоразрядных чисел и уменьшения аппаратурных затрат широко применяются сумматоры комбинированного типа. В таких SM выделяются
группы разрядов, в которых перенос осуществляется одновременно, а между группами – последовательно.
Сложение кодов чисел в сумматоре сводится по существу к совокупности некоторых логических операций, так, например, сложение двух чисел А и В приводит к следующим логическим операциям.
011010 – переносы из разряда в разряд (Р)
A=100101 – первое слагаемое
+
В=001101 – второе слагаемое
S=110010 – сумма
14
Проведем поразрядное сложение по mod 2 слагаемых А, В и Р:
A=100101
⊕
В=001101
R=101000 – сумма слагаемых А и В без учета переносов
⊕
P=011010 – переносы из разряда в разряд
S=110010 – окончательная сумма двух слагаемых с учетом переносов
Анализ проведенных операций показывает, что для каждого i-го
разряда можно записать следующие логические выражения:
1. Cумма в i-м разряде без учета переноса из предыдущего разряда:
ri = ai bi Ú ai bi = ai Å bi .
2. Перенос в следующий, т.е. i+1-й разряд из предыдущего разряда:
pi+1 = ai bi Ú ri pi .
3. Сумма в i-м разряде c учетом переноса из предыдущего разряда:
si = r i pi Ú ri pi = ri Å pi .
Данные логические выражения позволяют построить комбинационно-логическую схему одноразрядного сумматора ОС-3, а также показывают связь между обычной алгеброй и алгеброй логики
при выполнении операции сложения.
Сумматор ОС-3 может быть построен и классическим способом,
т.е. как комбинационная схема, имеющая 3 входа и 2 выхода, закон
функционирования которой определяется таблицей истинности.
На основе одноразрядных сумматоров строятся многоразрядные
SM, разрядность которых определяется разрядностью слагаемых.
Сумматоры входят в состав арифметико-логических устройств
(АЛУ) параллельного и последовательного действия.
Для выполнения лабораторной работы необходимо вызвать на рабочий стол экрана монитора «Эмулятор контроля АЛУ по модулю 3».
В меню эмулятора (помощь) выбрать « Одноразрядный сумматор ОС-3».
Порядок выполнения работы
1. Изучить общие правила работы с эмулятором.
2. Произвести синтез сумматора ОС-3.
3. Построить схему электрическую функциональную. 
15
4. На поле для сборки схем, рис. 9, собрать из указанных элементов схему сумматора ОС-3, при этом необходимо руководствоваться пунктом 3.4 правил работы с эмулятором. 
5. Проверить работоспособность сумматора и заполнить табл. 1.
Таблица 1
Возможные варианты сложения трех двоичных цифр
ai
Теоретические результаты
bi
pi
si
pi+1
ai
Практические результаты
bi
pi
si
pi+1
Назначение кнопок сумматора ОС-3 и пример образования суммы при сложении двух бит данных, рис. 1, при этом:
– кнопка «ai» служит для задания бита слагаемого A;
– кнопка «bi» служит для задания бита слагаемого B;
– кнопка «pi» служит для задания переноса из предыдущего разряда.
ai
M2
M2
1
4
&
1
2
5
si
bi
pi
&
3
Рис. 1. Сложение двух бит (ai=1 и bi=1) в сумматоре ОС-3
16
pi+1
Контрольные вопросы
1. Какие три основные логические выражения лежат в основе
выполнения алгебраического сложения двух чисел?
2. В чем принципиальное отличие комбинационных сумматоров
от накапливающих?
3. Как определяется быстродействие одноразрядного сумматора
и пятиразрядного?
4. Как построить полный одноразрядный сумматор из полусумматоров?
Содержание отчета
Тема лабораторной работы.
Цель работы.
Поэтапный синтез сумматора ОС-3.
Схема электрическая функциональная по результатам синтеза.
Схема электрическая функциональная сумматора (по результатам сборки) с экрана монитора.
Заполненная табл. 1.
Ответы на контрольные вопросы.
17
Лабораторная работа 2
ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ПОСТРОЕНИЯ И РАБОТЫ
ОДНОРАЗРЯДНОГО ДЕСЯТИЧНОГО СУММАТОРА
Цель работы:
– закрепить полученные навыки синтеза 2/10 сумматоров;
– проверить работоспособность сумматора при выполнении операции сложения десятичных чисел, представленных в 2/10 коде;
– произвести синтез схемы коррекции.
Основные теоретические положения
Двоично-десятичный сумматор – функциональный узел цифровой техники, предназначенный для сложения чисел, представленных в 2/10 коде, т.е. каждая цифра десятичного числа в таком коде
представляется эквивалентным четырехразрядным двоичным числом – тетрадой.
Сложение в 2/10 коде может производиться двумя основными
методами:
– сложение операндов с ведением «избытка шесть» в одно из
слагаемых с последующей коррекцией суммы;
– сложение операндов с последующей коррекцией суммы.
Сложение операндов с последующей коррекцией суммы производится потетрадно, начиная с младшей тетрады. При этом может
возникнуть ситуация, когда значение суммы будет больше 910, что
не соответствует представлению числа в 2/10 коде. Для получения
правильного результата при потетрадном сложении необходимо
внести коррекцию.
Необходимость коррекции определяется:
– наличием единиц в третьем и четвертом разрядах суммы, которые могут появиться, если сумма десятичных чисел лежит в пределах от 1210 до 1510;
– наличием единиц во втором и четвертом разрядах, если сумма
десятичных чисел будет равна 1010 или 1110;
– наличие единицы переноса в старшую тетраду, если сумма
больше 1510.
Для выполнения лабораторной работы необходимо вызвать на
рабочий стол экрана монитора «Эмулятор контроля АЛУ по модулю 3». В меню эмулятора (помощь) выбрать название лабораторной
работы «Сумматор двоично-десятичный».
18
Порядок выполнения работы
Изучить общие правила работы с эмулятором. Произвести синтез схемы коррекции промежуточной суммы 2/10 сумматора. Построить схему электрическую функциональную. На поле для сборки схем собрать из указанных элементов схему 2/10 сумматора,
при этом необходимо руководствоваться пунктом 3.4 общих правил работы с эмулятором. Получить индивидуальное задание у преподавателя. Проверить работоспособность сумматора и заполнить
табл. 1.
Пример работы 2/10 сумматора в эмуляторе приведен на рис. 1:
– регистры RG1, RG2 служат для хранения слагаемых А и В;
– сумматор SM11– четырехразрядный сумматор, выполняющий суммирование слагаемых А и В;
– сумматор SM15 – четырехразрядный сумматор, выполняющий коррекцию суммы, полученной на сумматоре SM11;
логические элементы 12, 13, 14 составляют схему коррекции.
– кнопки «a0..a3» служат для задания 4-х разрядного слагаемого A;
– кнопки «b0..b3» служат для задания 4-х разрядного слагаемого B;
– кнопки «С1, С2» служат для записи слагаемых А и В в регистры RG1 и RG2 соответственно.
Таблица 1
Суммирование двух четырехразрядных двоичных чисел
(тетрад)
RG1
RG2
Слагаемое Слагаемое
A
В
Сумматор
SM11
Схема
коррекции
Выходы
Входы
Сумматор
SM15
Входы
Выходы
а3 a2 a1 a0 b3 b2 b1 b0 p4 s3 s2 s1 s0 p4 3 2 1 a8 а4 а2 a1 b4 b2 p4 s3 s2 s1 s0
19
20
2
4
8
C
R
a1
a2
a3
c1
C
R
c2
&
7
&
8
&
9
&
10
&
3
&
4
&
5
&
6
a1 SM 0
a2
1
a4
2
a8
3
p4
b1
b2
b4
b8
p0 11
1
14
a1 SM 0
a2
1
a4
2
a8
3
p4
b1
b2
b4
b8
p0 15
единица переноса в старшую тетраду
&
13
&
12
Рис. 1. Сложение двух многоразрядных чисел (А=0001 и В=0001) в 2/10 сумматоре
2
3
8
b3
R
2
4
1
2
b2
0
b1
3
2
1
0
1
RG
1
RG
b0
R
1
a0
s0
s1
s2
s3
Контрольные вопросы
1. Какой код называется двоично-десятичным?
2. Укажите достоинства и недостатки 2/10 кодов?
3. Какова необходимость использования 2/10 кодов?
4. Какие 2/10 коды широко применяются в цифровой технике?
Содержание отчета
Тема лабораторной работы.
Цель работы.
Синтез 2/10 сумматора:
– синтез сумматора, выполняющего суммирование четырехразрядных слагаемых А и В;
– синтез схемы коррекции.
Схема электрическая функциональная по результатам синтеза.
Схема электрическая функциональная сумматора (по результатам сборки) с экрана монитора.
Заполненная табл. 1.
Ответы на контрольные вопросы.
21
Лабораторная работа 3
ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ПОСТРОЕНИЯ И РАБОТЫ АЛУ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ
Цель работы:
– закрепить полученные навыки в построении АЛУ последовательного действия;
– проверить работоспособность АЛУ последовательного действия при выполнении операций сложения многоразрядных двоичных чисел.
Основные теоретические положения
По своим функциям АЛУ является операционным устройством,
выполняющим микрооперации, обеспечивающие прием из других
устройств (например, ОЗУ) операндов, их преобразование и выдачу
результатов преобразования в другие устройства.
По способу действия над операндами АЛУ делятся на:
– последовательные АЛУ, в которых операнды представляются
в параллельном коде, а операции производятся последовательно во
времени над их отдельными разрядами;
– параллельные АЛУ, в которых операнды представляются также в параллельном коде, а операции совершаются параллельно во
времени над всеми разрядами операндов одновременно.
АЛУ последовательного действия (рис. 1) состоит из:
– регистров слагаемых RGА и RGВ, которые представлены четырехразрядными регистрами, работающими в параллельном режиме для записи операндов и в сдвиговом при суммировании;
одноразрядного сумматора SM – ОС-3, который и осуществляет
сложение многоразрядных чисел;
– D-триггера, используемого для временного хранения переноса, который будет добавлен к сумме на следующем шаге суммирования;
– регистра суммы RGS, который представлен четырехразрядным регистром, работающим в сдвиговом режиме при записи результата суммирования.
Алгоритм работы схемы
Слагаемые A и В поступают параллельно и одновременно на входы регистров RG1и RG2 соответственно и по синхросигналу C1 фик22
a0
a1
a2
a3
1
2
4
8
D
C1
C1
RG
0
1
2
3
a SM s
b
p0 3 p1
C2
R
1
2
4
8
D
C2
C1
RG
0
1
2
3
s0
s1
s2
s3
C1
C2
R
1
C
b0
b1
b2
b3
1
2
4
8
D
RG
0
1
2
3
5
T
D
R
4
C2
R
2
C
R
Рис. 1. АЛУ последовательного действия
сируются в них, на выходе сумматора SM1 формируется бит суммы
младших разрядов, который поступает на вход D регистра RG3, а
бит переноса Р1 – на вход D триггера T1.
Синхросигналом С осуществляется сдвиг слагаемых в RG1и RG2
на один разряд вправо, запись разряда суммы S1 в RG3 и переноса
в триггер Т1. На входах SM1 будут установлены следующие разряды слагаемых и перенос из предыдущего разряда суммы. Таким
образом, за четыре такта, последовательно подаваемых сигналов С,
все разряды суммы окажутся переданными в регистр суммы – RG3,
а на прямом выходе триггера Т1 сформируется перенос Р4, в следующий разряд результата.
Для выполнения лабораторной работы необходимо вызвать на
рабочий стол экрана монитора «Эмулятор контроля АЛУ по модулю 3». В меню эмулятора (помощь) выбрать название лабораторной
работы « АЛУ последовательного действия».
23
Порядок выполнения работы
Изучить общие правила работы с эмулятором.
Построить схему электрическую функциональную АЛУ последовательного действия для сложения двух четырехразрядных двоичных чисел. На поле для сборки схем собрать из указанных элементов АЛУ последовательного действия, при этом необходимо руководствоваться пунктом 3.4 общих правил работы с эмулятором. Получить индивидуальное задание у преподавателя. Проверить работоспособность АЛУ последовательного действия и заполнить табл. 1.
Пример работы схемы АЛУ последовательного действия в
эмуляторе при сложении двух многоразрядных чисел (А=0001 и
В=0001) приведен на рис. 2:
– регистры RG1, RG2, RG5 – четырехразрядные регистры для
хранения разрядов слагаемых А, В и суммы S;
– одноразрядный сумматор SM3;
– триггер Т4 – триггер для хранения переноса;
a0
a1
a2
a3
1
2
4
8
D
C1
C1
RG
0
1
2
3
a SM s
b
p0 3 p1
C2
R
1
2
4
8
D
C2
C1
RG
0
1
2
3
C1
C2
R
1
C
b0
b1
b2
b3
1
2
4
8
D
RG
0
1
2
3
5
T
D
R
4
C2
R
2
C
R
Рис. 2. Схема АЛУ последовательного действия при сложении двух многоразрядных чисел (А=0001 и В=0001)
24
s0
s1
s2
s3
– кнопки «a0..a3» служат для задания четырехразрядного слагаемого A;
– кнопки «b0..b3» служат для задания четырехразрядного слагаемого B;
– кнопка «С1» служит для параллельной записи слагаемых A, В
в регистры RG1, RG2 соответственно;
– кнопка «С» служит для подачи синхросигнала сдвига в регистрах RG1, RG2, RG5 и записи переноса в триггер Т4;
– кнопка «R» служит для сброса регистров RG1, RG2, RG3 и
триггера в нулевое состояние.
Таблица 1
Сложения двух многоразрядных чисел
(А=0001 и В=0001) в АЛУ последовательного действия
RG1
RG2
Сумматор
Триггер
(Слагаемое (Слагаемое RG1
RG2
SM (одноRG5
(хранеА)
В)
разрядная
(Сумма S)
Такты
ние)
сумма)
Входы
Входы Выходы Выходы
а3 a2 a1 а0 b3 b2 b1 b0 3 2 1 0 3 2 1 0 а b р0 s p1 D Q Q* s3 s2 s1 s0
исх.
сост.
1-й такт
2-й такт
3-й такт
4-й такт
Контрольные вопросы
1. Как определяется быстродействие АЛУ последовательного действия?
2. Какими достоинствами обладает АЛУ последовательного действия?
3. Какие недостатки присущи АЛУ последовательного действия?
4. Какую роль выполняет D-триггер?
5. Можно ли заменить в схеме D-триггер на JK-триггер?
Содержание отчета
Тема лабораторной работы.
Цель работы.
Схема электрическая функциональная АЛУ последовательного
действия.
25
Схема электрическая функциональная АЛУ последовательного
действия (по результатам сборки) с экрана монитора.
Заполненная табл. 1.
Ответы на контрольные вопросы.
26
Лабораторная работа 4
ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ПОСТРОЕНИЯ И РАБОТЫ
АЛУ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ
Цель работы:
– закрепить полученные навыки в построении АЛУ параллельного действия;
– проверить работоспособность АЛУ параллельного действия при
выполнении операций сложения многоразрядных двоичных чисел.
Основные теоретические положения
По своим функциям АЛУ является операционным устройством,
выполняющим микрооперации, обеспечивающие прием из других
устройств (например, ОЗУ) операндов, их преобразование и выдачу
результатов преобразования в другие устройства. АЛУ классифицируются по различным признакам. По способу действия над операндами АЛУ делятся на последовательные и параллельные. В последовательных АЛУ операнды представляются в параллельном
коде, а операции производятся последовательно во времени над их
отдельными разрядами. В параллельных АЛУ операнды представa0
a1
a2
a3
c1
1
0
2 RG 1
4
2
8
3
C
R 1
b0
b1
b2
b3
c2
1
0
2 RG 1
4
2
8
3
C
2
R
a SM s
b
p0 3 p1
a SM s
b
1
0
2 RG 1
4
2
8
3
C
R 7
s0
s1
s2
s3
p0 4 p1
R
a SM s
b
c3
p0 5 p1
a SM s
b
p0 6 p1
Рис. 1. АЛУ параллельного действия
27
ляются параллельным кодом и операции совершаются параллельно во времени над всеми разрядами операндов одновременно.
АЛУ параллельного действия, рис. 1, состоит из:
– регистров RG1,RG2 для хранения слагаемых А и В;
– выходного регистра RG3 для хранения полученной суммы S;
– параллельного четырехразрядного сумматора SM (SM1, SM2,
SM3, SM4) с последовательным переносом, каждый разряд которого представляет одноразрядный сумматор ОС-3.
Алгоритм работы схемы
Слагаемые A и В поступают параллельно и одновременно на входы регистров RG1и RG2 соответственно и по синхросигналу C фиксируются в них. С выходов регистров RG1и RG2 слагаемые поступают на входы параллельного четырехразрядного сумматора, в
каждом разряде которого происходит суммирование битов слагаемых. С выходов каждого одноразрядного сумматора бит суммы поступает на соответствующий вход параллельного регистра суммы
RG3 и по синхросигналу С сумма параллельным кодом фиксируется в нем. Перенос P1 с выхода SM4 является переносом из старшего
разряда четырехразрядной суммы.
Порядок выполнения работы
Изучить общие правила работы с эмулятором.
Построить схему электрическую функциональную АЛУ параллельного действия для сложения двух четырехразрядных двоичных чисел. На поле для сборки схем собрать из указанных элементов АЛУ параллельного действия, при этом необходимо руководствоваться пунктом 3.4 общих правил работы с эмулятором. Получить индивидуальное задание у преподавателя. Проверить работоспособность АЛУ параллельного действия. Заполнить табл. 1.
Пример работы схемы АЛУ параллельного действия в эмуляторе при сложении двух чисел А=0001 и В=0001 приведен на рис. 2:
– регистры RG1, RG2, RG7 – четырехразрядные регистры для
хранения разрядов слагаемых А, В и суммы S;
– четырехразрядный параллельный сумматор, состоящий их
четырех одноразрядных сумматоров SM3, SM4, SM5, SM6;
– кнопки «a0..a3» служат для задания четырехразрядного слагаемого A;
– кнопки «b0..b3» служат для задания четырехразрядного слагаемого B;
28
a0
a1
a2
a3
c1
1
0
2 RG 1
4
2
8
3
C
R 1
b0
b1
b2
b3
c2
1
0
2 RG 1
4
2
8
3
C
2
R
a SM s
b
1
0
2 RG 1
4
2
8
3
C
R 7
p0 3 p1
a SM s
b
s0
s1
s2
s3
p0 4 p1
R
a SM s
b
c3
p0 5 p1
a SM s
b
p0 6 p1
Рис. 2. Схема АЛУ параллельного действия при сложении двух чисел (А=0001 и В=0001)
– кнопки «С1, С2, С3» служат для записи параллельным кодом
слагаемых A и В в регистры RG1, RG2 соответственно, и суммы S в
регистр RG7;
– кнопка «R» служит для установки регистров RG1, RG2, RG7 в
нулевое состояние.
По заданию преподавателя произвести сложение двух чисел А
и В. Заполнить практическую часть таблицы. Теоретическая часть
Таблица 1
Сложения двух четырехразрядных чисел (тетрад)
Разряды
Слагаемые
RG1 RG2 P0
Теоретические результаты
Сумматор
Входы
Выходы
A
B P0
S
P1 RG7
Практические результаты
Сумматор
Входы
Выходы
A
B P0
S
P1 RG7
1
2
4
8
1
2
4
8
29
таблицы заполняется при составлении отчета до работы с эмулятором. Сравнить полученные результаты («Теоретически» и «Практически»).
Контрольные вопросы
1. Как определяется быстродействие АЛУ параллельного действия?
2. Какими достоинствами обладает АЛУ параллельного действия?
3. Какие недостатки присущи АЛУ параллельного действия?
4. Какую роль играют цепи переносов в сумматорах, входящих в
состав АЛУ параллельного действия?
5. От каких параметров зависит быстродействие параллельного
сумматора с последовательным переносом?
Содержание отчета
Тема лабораторной работы.
Цель работы.
Схема электрическая функциональная АЛУ параллельного действия.
Схема электрическая функциональная АЛУ параллельного действия (по результатам сборки) с экрана монитора.
Заполненная табл. 1.
Ответы на контрольные вопросы.
30
Лабораторная работа 5
ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ПОСТРОЕНИЯ И РАБОТЫ
СХЕМЫ КОНТРОЛЯ АЛУ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ОСТАТОЧНОГО КОДА ПО MOD 3
Цель работы:
– закрепить полученные навыки по использованию контроля
арифметических операций с применением остаточного кода по модулю 3;
– приобрести практические навыки в построении схем контроля
по модулю 3;
– получить первичные навыки по поиску неисправностей в цифровых схемах.
Основные теоретические положения
Числовой метод контроля арифметических операций предполагает применение остаточных кодов. Остаточным кодом по модулю
называется код, контрольная характеристика которого определяется как остаток от деления контролируемого числа на некоторое
целое число, называемое модулем (модуль q). Это определение записывается в виде A ≡ R(A) mod q (читается: число А сравнимо с
остатком R(A) по модулю q). В основе контроля арифметических
операций с использованием остаточного кода по mod 3 лежит известное соотношение:
R ( A + B)mod 3 = R éë R ( A)mod 3 + R (B)mod 3ùû mod 3.
Равенство левой и правой частей свидетельствует о том, что
ошибки отсутствуют. Можно показать, что внесение в сумму одиночной ошибки будет всегда выявлено. Кратные ошибки средства
контроля могут выявлять, но не во всех случаях. Так, например
они позволяют обнаруживать двойные ошибки с вероятностью
50%, а ошибки другой кратности с различной степенью вероятности. Для проверки правильности выполнения арифметических
операций, например «сложения», необходимо в состав схемы контроля включить специальные узлы – сумматоры по mod 3. Каждый
из сумматоров по mod 3 представляет собой схему свертки по mod 3,
заменяющей операцию деления (для получения контрольной характеристики) на операцию суммирования по mod q.
Схема контроля АЛУ с использованием остаточного кода по модулю 3 представлена на рис. 1.
31
Алгоритм работы схемы
Регистры RG1 и RG2 служат для хранения кодов слагаемых А
и В, с выхода которых они поступают на четырехразрядный сумматор SM3, выполняющий сложение поступивших на его входы
слагаемых A и B. Одновременно слагаемые A и В поступает на схемы свертки, построенные на сумматорах SM4, SM5, SM6, SM7,
и где формируются контрольные характеристики чисел А и В по
модулю 3, т.е. R(A) и R(B) соответственно. Разряды полученной
суммы и перенос поступают на схему свертки (сумматор по модулю 3), реализованную на основе сумматоров SM8, SM9, SM12,
SM13, на выходе которой формируется контрольная характеристика R(A+B). Одновременно двухразрядный параллельный
сумматор SM10 суммирует контрольные характеристики R(A) и
R(B), а затем схема свертки, построенная на сумматорах SM14 и
SM15, сворачивают сумму R(A)+R(B) к контрольной характеристике R[R(A)+R(B)]. Полученные контрольные характеристики
поступают на схему сравнения, реализованную на элементах 16,
17, 18, в которой вырабатывается сигнал наличия или отсутствия
ошибки.
Порядок выполнения работы
Изучить общие правила работы с эмулятором. Построить схему
электрическую функциональную контроля АЛУ по mod 3 при сложения двух четырехразрядных двоичных чисел. На поле для сборки схем собрать из указанных элементов схему контроля АЛУ, при
этом необходимо руководствоваться пунктом 3.4 общих правил
работы с эмулятором. Получить индивидуальное задание у преподавателя. Проверить работоспособность схемы контроля АЛУ по
mod 3 и заполнить табл. 1, 2.
Состав, назначение и примеры работы схемы контроля АЛУ по
mod 3 в эмуляторе (рис. 1, 2):
– четырехразрядный параллельный сумматор SM1, выполняющий операцию сложения кодов чисел А и В, которая контролируется схемой контроля;
– сумматоры SM2, SM3 – четырехразрядная схема свертки,
обеспечивающая образование из числа А двухразрядной контрольной характеристики R(A);
– сумматоры SM4, SM5 – четырехразрядная схема свертки,
обеспечивающая образование из числа В двухразрядной контрольной характеристики R(В);
32
33
b3
b2
b1
b0
a3
p1
p1
p0 10 p1
p0 7 p1
p2
p0 5 p1
b
a SM s
p0 12 p1
b
a SM s
p0 11 p1
b
Рис. 1. Схема контроля АЛУ по модулю 3
8
a2
b2
p0 4
p1
s1
p0
a1 SM
s0
b1
b
b
a SM s
a SM s
a SM s
p0 9 p1
b
b
p0 6 p1
a SM s
a SM s
b
a SM s
p0 3
b
a SM s
p0 2
b
a SM s
a2
s3
b2
a3
p4
b3 1
a2
a1
a0 SM s0
b0
s1
p0
a1
s2
b1
a0
14
=
13
=
15
&
– сумматоры SM6, SM7, SM9, SM10 – схема свертки, сворачивающая пятиразрядный код полученной суммы (включая перенос
из старшего разряда) к двухразрядному контрольному коду R(A+B);
– сумматор SM8 – двухразрядный сумматор, выполняющий
суммирование контрольных кодов слагаемых А и В, в результате
образуется R(A) +R(B);
– сумматоры SM11, SM12 – четырехразрядная схема свертки,
определяющая контрольный код от суммы контрольных кодов слагаемых, в результате образуется R[R(A)+R(B)];
– элементы 13, 14, 15 образуют схему сравнения контрольных
кодов, которая выдает сигнал наличия или отсутствия ошибки
по результатам сложения двух чисел, т.е. определяет равенство
R(A+B)= R[R(A)+R(B)];
– кнопки «a0..a3» служат для задания четырехразрядного слагаемого A;
– кнопки «b0..b3» служат для задания четырехразрядного слагаемого B;
– после сборки схемы появляется таблица, которая позволяет
вводить ошибки.
ВНИМАНИЕ! Перед подачей слагаемых необходимо установить
кнопки слагаемых А и В в исходное (нулевое) состояние. В противном случае они будут заблокированы. Блокировка кнопок сделана для предотвращения наложения переносов в схемах свертки,
оставшихся от предыдущего суммирования.
Сравнить полученные результаты («Теоретические» и «Практические»).
Таблица 1
Теоретические результаты
A
B
A+B R(A+B) R(A) R(B)
R(A)+R(B)
R[R(A)+R(B)]
Сравнение
Таблица 2
Практические результаты
A
34
B
A+B R(A+B) R(A) R(B)
R(A)+R(B)
R[R(A)+R(B)]
Сравнение
35
b3
b2
b1
b0
a3
a2
a1
a0
p0 4 p1
p0 12 p1
b
a SM s
p0 11 p1
b
14
=
13
=
P4
S3
S2
S1
S0
Ввод ошибок
15
&
Рис. 2. АЛУ со схемой контроля по mod 3 при выполнении операции сложения двух чисел (А=0001 и В=0001) и отсутствии ошибок
p0 5 p1
b
a SM s
p2
a2
b2
8
s1
p0
a1 SM
s0
b1
a SM s
p0 10 p1
p0 7
p1
a SM s
b
a SM s
b
p0 9 p1
b
b
p0 6 p1
a SM s
a SM s
b
a SM s
p0 3 p1
b
a SM s
p0 2 p1
b
a SM s
a0 SM s0
b0
s1
p0
a1
s2
b1
a2
s3
b2
a3
p4
b3 1
36
b3
b2
b1
b0
a3
a2
a1
a0
p0 4 p1
p0 12 p1
b
a SM s
p0 11 p1
b
14
=
13
=
P4
S3
S2
S1
S0
Ввод ошибок
15
&
Рис. 3. АЛУ со схемой контроля по mod 3 при выполнении операции сложения двух чисел (А=0001 и В=0001) и наличии ошибки в младшем разряде суммы
p0 5 p1
b
a SM s
p2
a2
b2
8
s1
p0
a1 SM
s0
b1
a SM s
p0 10 p1
p0 7
p1
a SM s
b
a SM s
p0 9 p1
b
p0 6 p1
a SM s
b
a SM s
b
b
a SM s
p0 3 p1
b
a SM s
p0 2 p1
b
a SM s
a0 SM s0
b0
s1
p0
a1
s2
b1
a2
s3
b2
a3
p4
b3 1
Контрольные вопросы
1. Какие ошибки позволяет обнаружить остаточный код по mod 3?
2. Какими преимуществами обладает остаточный код по mod 3
по сравнению с кодом четности?
3. На что влияет величина модуля q?
4. Почему нецелесообразно выбирать величину модуля равной
основанию системы счисления?
5. Почему остаточный код имеет такое название?
Содержание отчета
Тема лабораторной работы.
Цель работы.
Схема электрическая функциональная контроля АЛУ по mod 3.
Схема электрическая функциональная контроля АЛУ по mod 3,
по результатам сборки, с экрана монитора.
Заполненные таблицы 1 и 2.
Ответы на контрольные вопросы.
Список рекомендуемой литературы
1. Калабеков Б. А. Цифровые устройства и микропроцессорные
системы. М.: Горячая линия Телеком, 2005.
2. Максимов Н. В., Партыка Т. Л., Попов И. И. Архитектура
ЭВМ и вычислительных систем. М.: Форум-Инфра-М, 2006.
3. Мышляева И. М. Цифровая схемотехника. М.: ACADEMA,
2005.
4. Новиков Ю. В., Скоробогатов П. К. Основы микропроцессорной техники: учебное пособие. 3-е изд., испр. М.: БИНОМ, 2009.
5. Новожилов О. П. Основы микропроцессорной техники: учебное пособие в двух томах. М.: РадиоСофт, 2007.
6. Новожилов О. П. Основы цифровой техники: учебное пособие.
М.: РадиоСофт, 2013.
7. Потемкин И. С. Функциональные узлы цифровой автоматики. М.: Энергоатомиздат, 1988.
8. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. СПб.: БХВ-Петербург,
2010.
37
СОДЕРЖАНИЕ
Введение...................................................................................... Общие правила работы с эмулятором............................................... Лабораторная работа 1. Изучение принципа построения и работы
одноразрядного двоичного сумматора.......................................... Лабораторная работа 2. Изучение принципа построения и работы
одноразрядного десятичного сумматора....................................... Лабораторная работа 3. Изучение принципа построения и работы
АЛУ последовательного действия............................................... Лабораторная работа 4. Изучение принципа построения и работы
АЛУ параллельного действия..................................................... Лабораторная работа 5. Изучение принципа построения и работы
схемы контроля АЛУ с использованием остаточного кода по mod 3.. Список рекомендуемой литературы................................................. 3
4
14
18
22
27
31
37
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
3 045 Кб
Теги
kaspintryshina
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа