Цифровая схемотехника

Программа курса ЦИФРОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА Курс «Цифровая схемотехника» реализуется в рамках направления 552800 «Информатика и вычислительная техника», относится к федеральной компоненте. Курс «Цифровая схемотехника» предназначен для подготовки специалистов в области разработки аппаратных средств современных информационных технологий. Основной целью освоения курса является обучение базовым знаниям, современным технологиям, практическим навыкам для разработки аппаратных средств. Для достижения поставленной цели задачами курса являются следующие: • базовые понятия цифровой схемотехники; • комбинационная логика, последовательные схемы, принципы построения; • современная элементная база; • современные языки описания аппаратуры; • практический опыт разработки. По окончании изучения курса студент должен: − иметь представление о: o базовых элементах цифровых схем; o принципах разработки цифровых схем; o основах построения языков описания аппаратных средств; o синтезе цифровых схем; − знать: o языки описания аппаратных средств (AHDL, VHDL); o современные программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС); − уметь: o разработать цифровую схему; o верифицировать цифровую схему; o пользоваться современными средами разработки. Для контроля усвоения курса учебным планом предусмотрен дифференцированный зачет. Оценка выставляется по результатам выполнения лабораторных работ и курсовой работы. В течение семестра выполняются и сдаются лабораторные работы. Выполнение лабораторных работ является обязательным для всех студентов, а результаты текущего контроля служат основанием для выставления оценок в ведомости контрольной недели на факультете. Содержание дисциплины Особенностью курса является то, что классические знания по цифровой схемотехнике даются с учетом современных тенденций в развитии элементной базы и языков описания аппаратных средств. Бурное развитие ПЛИС и языков описания аппаратных средств приводит к расширению возможностей, доступных разработчикам, к общему снижению затрат на разработку, что в свою очередь приводит ко все более широкому применению ПЛИС. Параллельное изучение цифровой схемотехники, архитектуры современных ПЛИС и языков описания аппаратуры позволяет более адекватно использовать их потенциал. Количество часов Наименование разделов и тем Лаборатор- Самостоятель- Всего Лекции Семинары ные ная работа часов работы Введение 2 2 2 6 Комбинационные схемы 6 6 6 18 Арифметические устройства 4 4 4 12 Синхронные схемы 6 6 6 18

Автоматы 4 4 4 12 Программируемые 2 2 2 6 логические интегральные схемы Память 4 4 4 12 Аналого-цифровые и цифро- 2 2 2 6 аналоговые преобразователи Введение в архитектуру ЭВМ 2 2 2 6 Итого по курсу: 32 32 32 96 Содержание отдельных разделов и тем 1. Введение. Область цифровой схемотехники, этапы разработки электронных устройств. Параметры и характеристики базовых элементов цифровых устройств. Логические элементы; синтез комбинационных схем; оптимизация комбинационных схем. Коды: прямой, обратный, дополнительный, модифицированный, Грея, Хемминга. Представление данных с фиксированной и плавающей запятой. Языки описания аппаратуры. 2. Комбинационные схемы. Дешифраторы, шифраторы, приоритетные шифраторы. Мультиплексоры, демультиплексоры, сдвигатели, компараторы, генераторы четности, преобразователи кодов, шины. Реализация комбинационных схем на языках описания аппаратуры. 3. Арифметические устройства. Полусумматор, полный сумматор, параллельный сумматор; сумматор/вычитатель. Схемы ускоренного переноса; арифметикологические устройства. Умножитель. Операционные блоки с плавающей запятой. 4. Синхронные схемы. RS-, D-, JK- триггеры. Защелки; асинхронные и синхронные счетчики. Регистры. Последовательно-параллельное и параллельно-последовательное преобразование. 5. Автоматы. Цифровые автоматы; автомат Мура; автомат Милле. Реализация автоматов на языках описания аппаратуры. 6. Программируемые логические интегральные схемы. Программируемы логические устройства. Вентильные матрицы, программируемые пользователем. 7. Память. Статическая память; динамическая память; флеш-память. Память в программируемых логических интегральных схемах. 8. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Основные понятия аналогоцифрового и цифро-аналогового преобразования. 9. Введение в архитектуру ЭВМ. Организация ЭВМ. Процессор, память, ввод/вывод, система команд, периферийные устройства. Перечень контрольных вопросов и заданий Разработать и просимулировать следующие схемы. 1. Введение. Cхема «исключающего ИЛИ», используя базовые логические элементы. Синтезировать полный однобитный вычитатель с помощью ДНФ. 2. Комбинационные схемы. Шифратор 8 в 3. Приоритетный шифратор 8 в 3. Дешифратор из двоичного кода в 7-сегментный. Дешифратор 3 в 8. Дешифратор 4 в 16, используя дешифраторы 2 в 4. Мультиплексор 8 в 1, 16 в 1, используя мультиплексоры 4 в 1. Последовательный и параллельный компараторы для без знаковых чисел, чисел в дополнительном коде, чисел с плавающей запятой. 4-х разрядный циклический логический сдвигатель. 16-ти разрядный циклический логический сдвигатель. Нормализатор. 3. Арифметические устройства. 4-разрядный параллельный сумматор. Умножитель 4 на 4, используя сумматоры, память.

4. Синхронные схемы. Асинхронный 4-х разрядный счетчик. Синхронный двоичнодесятичный счетчик. Синхронный 4-х разрядный реверсивный счетчик с загрузкой. Сдвиговый регистр с параллельной загрузкой. Последовательный порт ввода/вывода с адресным селектором. 5. Конечные автоматы. 2-разрядный счетчик в виде конечного автомата. Автомат, обнаруживающий 3 последовательных одинаковых бита в последовательном сигнале. Автомат, управляющий светофорами на перекрестке с запросами от пешеходов. Последовательный сумматор. Умножитель-аккумулятор. LIFO-память; FIFO-память. Темы курсовых работ 1. Целочисленные сумматор и умножитель на одноразрядном сумматоре и сдвиговых регистрах. 2. Сумматор с плавающей запятой. 3. Умножитель с плавающей запятой. 4. Делитель целочисленный. 5. Преобразователь из двоичного в двоично-десятичный код. 6. Процессор. Список литературы 1. Новиков Ю.В., Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. – М.: Мир, 2001. – 379с., ил. 2. Соловьев В.В., Проектирование цифровых систем на основе программируемых логических интегральных схем. – М.: Горячая линия-Телеком, 2001. –636с. ил. 3. Nigel P.Cook, Introductory, Digital electronics. Prentice-Hall International, INC., 1998. 4. Daniel D. Gajski, Principles of Digital Design. Prentice-Hall International, INC., 1997. 5. Parag K. Lala. Practical Digital Logic Design and Testing. Prentice-Hall International, INC., 1996. 6. Стешенко В.Б. ПЛИС фирмы ALTERA: элементная база, система проектирования и языки описания аппаратуры. - М.: Издательский дом "Додэка-XXI", 2002. - 576 с.; 140х205 мм. 7. Антонов А.П. Язык описания цифровых устройств AlteraHDL. Практический курс. М.: ИП РадиоСофт, 2001. 8. Хоровиц, Хилл Искусство схемотехники, 2 том. – Мир. 2003, стр.: 704. 9. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. - СПб: BHV - Санкт-Петербург, 2000 г, 528 стр. 10. Дж. Ф. Уэйкерли, Проектирование цифровых устройств. Постмаркет. Программу подготовил:

Шадрин М.Ю.

Программа утверждена на заседании Ученого совета факультета информационных технологий Новосибирского государственного университета 18 декабря 2003 г., протокол заседания №16. Декан ФИТ НГУ, д.ф.-м.н.

М.М.Лаврентьев