Исследование основных логических элементов и простейших комбинационных устройств

Содержание

Лабораторная работа 1

Исследование основных логических элементов и простейших комбинационных устройств

Лабораторная работа 2

Исследование триггеров RS, D и T типов

Лабораторная работа 3

Исследование параллельного, последовательного и универсального регистров          

Лабораторная работа 4

Исследование основных комбинационных устройств (шифратор, дешифратор,демультиплексор, мультиплексор) и преобразователей кодов на ПЗУ

Лабораторная работа 5

Исследование четырехразрядного параллельного сумматора

Лабораторная работа 6

Исследование счетчиков электрических импульсов

Лабораторная работа 7

Исследование стандартного арифметическо-логического устройства

Лабораторная работа 8

Исследование оперативного запоминающего устройства и мультиплексного способа организации общей шины

Лабораторная работа 9

Исследование модели четырехразрядной ЭВМ с ручным устройством управления  

Лабораторная работа 1

Исследование основных логических элементов

И простейших комбинационных устройств

Цель работы:

1. Ознакомится с основными видами логических операций над двумя числами в логических элементах и простейших комбинационных устройствах: И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩИЕ ИЛИ и др.

2. Изучить базовый элемент ТТЛ.

Работа проводится на плате П1 с технологическими картами I-1 – I-9 (рис. 1 – 9). На этих картах изображены функциональные схемы устройств в виде соединений логических элементов, выполняющих соответствующие логические функции l. Объем заданий к работе является следующим.

Задание к лабораторной работе

Домашняя подготовка

1. Изучить основы алгебры логики. Выписать основные логические функции двух переменных и основные законы алгебры логики.

2. Ознакомиться с элементной базой ТТЛ. Зарисовать принципиальную электрическую схему базового элемента ТТЛ и уметь объяснить его работу.

3. Зарисовать условно-графические обозначения всех изучаемых логических элементов.

4. Ознакомиться с представлением логических переменных (лог. «0» и лог. «1») с помощью электрических сигналов.

5. Продумать и зарисовать в тетради функциональную реализацию всех простейших логических функций (И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩИЕ ИЛИ) на элементах типа И-НЕ.

6. Зарисовать в тетради схемы для исследования логических элементов и комбинационных устройств, изображенных на технологических картах (И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, неравнозначность, равнозначность, функция четности, функция сравнения двух пар чисел).

7. Разработать форму отчетных таблиц (таблиц истинности) для устройств, изображенных на рис. 1 – 9.

Выполнение работы

1. Проанализировать работу светодиодного индикатора стенда для определения уровня логических сигналов и проверить его работу с помощью осциллографа.

2. Используя технологические карты I-1 – I-9 и, подавая все возможные комбинации входных сигналов с помощью тумблеров SA1 – SA5, исследовать работу логических элементов и комбинационных устройств. Составить таблицы истинности.

3. На основании анализа таблиц истинности определить все типы логических элементов, изображенных на схемах технологических карт I-1 – I-9.

4. Зарисовать в тетради скорректированные схемы технологических карт, заменив логические функции l функциями, выполняемыми элементами стенда.

5. Определить функции, выполняемые устройствами, изображенными на технологических картах I-1 – I-9.

Самостоятельная работа

1. Пользуясь законами алгебры логики, преобразовать логические схемы, приведенные на технологических картах I-1 – I-9, в более простой вид.

2. По логическим формулам, заданным преподавателем, нарисовать функциональные схемы комбинационных устройств, выполняющих заданные функции. Составить таблицы истинности.

3. По функциональным схемам комбинационных устройств, заданных преподавателем, составить логическую функцию, определяющую работу каждого устройства. Составить таблицы истинности.

4. По временным диаграммам входных сигналов комбинационных устройств, заданным преподавателем, изобразить временные диаграммы выходных сигналов.

5. Нарисовать схемы электромеханических аналогов основных логических элементов.

6. Привести примеры устройств, выполняющих логические функции из области электротехники, механики, оптики.

7. Как изменятся логические функции заданных преподавателем устройств, если все его прямые входы и выходы изменятся на инверсные.

Содержание отчета:

1. Таблицы истинности, логические уравнения и временные диаграммы всех логических элементов и простейших комбинационных устройств.

2. Схемы технологических карт всех логических элементов и простейших комбинационных устройств с указанием, выполняемых функций и дополнительные обозначения (тип элемента микросхем, другие условные обозначения).

3. Выводы по работе.

 

 

4. Рис. 1. Схема к карте I-1.	5. Рис. 2. Схема к карте I-2.
Рис. 3. Схема к карте I-3.	Рис. 4. Схема к карте I-4.
Рис. 5. Схема к карте I-5.	Рис. 6. Схема к карте I-6.
Рис. 7. Схема к карте I-7.	Рис. 8. Схема к карте I-8.
Рис. 9. Схема к карте I-9.

Лабораторная работа 2

Задание к лабораторной работе

Домашняя подготовка

1. Ознакомиться с назначением, классификацией и условными обозначениями RS- и D-триггеров, функционированием и с режимами их работы.

2. Нарисовать в тетради функциональные схемы RS-триггеров с прямыми входами, на логических элементах ИЛИ-НЕ (ИС К155ЛЕ1), и инверсными входами И-НЕ (ИС К155ЛА3).

3. Задавшись состоянием входов (R и S) на карте II-1, определить состояние каждого из выходов триггера на элементах ИЛИ-НЕ.

4. Задавшись состоянием выходов (Q и ) на карте II-2, определить состояние каждого из входов  и .

5. Добавляя необходимые логические элементы к RS-триггеру на элементах И-НЕ, зарисовать функциональные схемы тактируемых статического и динамического D-триггеров.

6. Зарисовать в тетради схему универсального RSD-триггера (ИС К155ТМ2) в качестве RS-триггера, динамического тактируемого D-триггера и счетного Т-триггера.

7. Нарисовать функциональную схему счетного триггера с использованием тактируемого D-триггера с динамическим входом синхронизации.

8. Зарисовать в тетрадь схемы стенда для исследования RS-триггеров в интегральном исполнении, D-триггера и счетного триггера.

9. Обосновать методику определения режимов работы RS- и D-триггеров по таблицам истинности.

Выполнение работы

1. Для каждого триггера(4 вида) составить таблицу состояний в зависимости от входных сигналов и первоначального состояния триггера. Таблицы должны содержать все возможные комбинации входных сигналов.

2. По таблицам истинности проанализировать режимы работы триггеров (запись, хранение, запрещенный режим).

3. Для всех типов триггеров нарисовать временные диаграммы на выходах  и  по известным сигналам на входах (по заданию преподавателя).

Самостоятельная работа

1. Объяснить назначение входов и выходов триггеров: R, S, D, C, T, , .

2. Объяснить понятие «активный уровень», объяснить, почему RS-триггер на элементах 2И-НЕ называется триггером с инверсными входами, а триггер на элементах 2ИЛИ-НЕ – триггером с прямыми входами.

3. Объяснить характер «запрещенного» режима RS-триггера и методы его устранения в других типах триггеров

4. Назвать основные недостатки RS-триггеров и обосновать преимущества D-триггера перед RS-триггером.

5. По заданным преподавателем временным диаграммам входных сигналов нарисовать временные диаграммы на выходах RS-триггера.

6. По заданным преподавателем временным диаграммам сигналов на входах D-триггера нарисовать временные диаграммы на выходах D-триггера с потенциальным и динамическим входами синхронизации.

7. Привести примеры применения триггеров в электронном оборудовании школьного кабинета физики, а также приборов, используемых в физических лабораториях ВУЗа, в устройствах бытового назначения.

8. Уметь объяснить назначение и принцип работы триггеров различного типа, ориентируясь на уровень знаний школьников старших классов.

Рис. 10. Схема к карте II-1.	Рис. 11. Схема к карте II-2.
Рис. 12. Схема к карте II-3.	Рис. 13. Схема к карте II-4.

Лабораторная работа 3

И универсального регистров

Цель работы:

1. Изучение методов построения и исследование операционных свойств основных типов регистров.

2. Закрепление навыков перевода чисел из одной системы счисления в другую.

Работа выполняется на платах П2 и П3 с технологическими картами II-5, II-6, III-1, III-2, III-3 (рис. 14 – 18). Объем заданий к работе является следующим.

Задание к лабораторной работе

Домашняя подготовка

1. Ознакомиться с назначением и классификацией регистров, используемых цифровой технике.

2. Зарисовать в тетради функциональные схемы четырехразрядных последовательного и параллельного регистров, реализованных на базе тактируемых D-триггеров. Проанализировать их работу таблицами истинности, либо временными диограммами.

3. Зарисовать в тетради условно-графическое обозначение универсального регистра К155ИР1, выяснить и записать в тетрадь назначение всех входов и выходов регистра.

4. Продумать и зарисовать в тетради схемы стендов для исследования двухразрядного параллельного и последовательного регистров на микросхеме К155ТМ2, четырехразрядного параллельного и последовательного регистров на микросхеме К155ИР1.

5. Пояснить, как на базе регистра К155ИР1 можно реализовать преобразователи последовательного кода в параллельный и параллельного в последовательный.

6. Пояснить, назначение в схеме формирователя одиночного импульса F.

7. Нарисовать схему включения регистра К155ИР1 в качестве реверсивного сдвигового регистра.

8. Разработать форму отчетных таблиц.

Выполнение работы

1. С помощью карт II-5, II-6 исследовать двухразрядный параллельный и двухразрядный последовательный регистр.

2. Исследовать работу четырехразрядного параллельного и четырехразрядного последовательного регистров на микросхеме К155ИР1 (технологические карты III-1, III-2). Научиться записывать в регистр коды любых двоичных, десятичных и шестнадцатеричных чисел. При заданном коде на выходе регистра К155ИР1, работающего в режиме последовательного регистра, записать заданный преподавателем выходной код за минимальное число тактовых импульсов.

3. Исследовать работу универсального сдвигового регистра в режиме преобразования формы представления чисел из последовательной в параллельную и из параллельной в последовательную по карте III-3. При этом часть схемы, относящуюся к сумматору D2 и дешифратору D3, не анализировать.

Самостоятельная работа

1. Объяснить назначение регистров в цифровых устройствах.

2. Показать сходства и отличия во внутренней структуре и логике работы последовательных и параллельных регистров.

3. Обосновать возможность выполнения последовательного и параллельного регистров с использованием D-триггеров с потенциальными и динамическими входами синхронизации.

4. Нарисовать условно-графические обозначения четырехразрядных последовательных и параллельных регистров с различными входами синхронизации.

5. Привести примеры использования универсальных сдвиговых регистров в автоматах световых эффектов (для наиболее подготовленных студентов).

Содержание отчета

1. Схемы технологических карт всех исследуемых в работе регистров.

2. Таблицы истинности, логические уравнения и временные диаграммы четырех разрядных последовательных регистров.

3. Выводы к работе.

Рис. 14. Схема к карте II-5.	Рис. 15. Схема к карте II-6.
Рис. 16. Схема к карте III-1.
Рис. 17. Схема к карте III-2.

Лабораторная работа 4

Цель работы:

1. Закрепить знания о системах счисления, кодах и кодировании.

2. Ознакомится с работой комбинационных устройств типа: дешифратор, демультиплексор, мультиплексор и др.

3. Ознакомится с работой устройств цифровой индикации.

Работа выполняется на платах П2 и П3 с технологическими картами II-5, II-6, III-1, III-2, III-3 (рис. 14 – 18). Объем заданий к работе является следующим.

Задание к лабораторной работе

Работа выполняется на плате П4 с технологическими картами IV-1, IV-2 и IV-3 (рис. 19 – 21). Объем заданий к работе является следующим.

Домашняя подготовка

1. Ознакомиться с назначением, основными типами и условно-графическими обозначениями мультиплексоров, демультиплексоров, шифраторов и дешифраторов.

2. Используя таблицы истинности и булевы выражения, описать работу дешифратора и демультиплексора (микросхема К155КП7), а также преобразователя двоичного/десятичного кода в код семисегментного индикатора на ПЗУ.

3. Разработать форму отчетных таблиц.

4. Проанализировать работу всех элементов, входящих в состав блока индикации: преобразователя двоичного кода в код семисегментного индикатора для представления информации в десятичных символах и шестнадцатеричном коде на цифровом и светодиодных индикаторах.

5. Нарисовать в тетради схемы стенда для исследования дешифратора-демультиплексора, преобразователя кода на ПЗУ и мультиплексора.

Выполнение работы

1. Выполнить экспериментальное исследование работы дешифратора D1 (карта IV-1) и преобразователя кода (карта IV-2). Результаты занести в таблицы истинности

2. По заданию преподавателя подать несколько значений кодов адреса на мультиплексор D2 (карта IV-3) и указанные преподавателем уровни на информационные входы мультиплексора D2. Результаты занести в таблицу.

3. Подать на информационный вход демультиплексора D1 импульсный сигнал с выхода генератора тактов основного блока стенда (соединить перемычкой контакт 30 разъема стенда и вывод 2 или 14 ИМС D1 К155ИД4). Исследовать прохождение сигнала генератора через демультиплексор и мультиплексор на карте IV-3. Это исследование по заданию преподавателя выполняют наиболее подготовленные студенты.

Самостоятельная работа

1. Объяснить назначение и принцип действия шифратора, дешифратора, мультиплексора и демультиплексора.

2. Показать сходства и отличия во внутренней структуре и логике работы этих устройств.

3. Объяснить принцип работы преобразователя кодов на ПЗУ.

4. Привести примеры практического применения исследованных на лабораторной работе устройств.

5. Показать возможность использования семисегментного индикатора для представления расширенного алфавита символов.

Рис. 18. Схема к карте IV-1.

Рис. 19. Схема к карте IV-2.

Рис. 20. Схема к карте IV-3.

Лабораторная работа 5

Параллельного сумматора

Работа выполняется на плате П3 с использованием технологической карты III-3 (рис. 18). Объем заданий к работе является следующим.

Домашняя подготовка

1. По таблице вариантов, возникающих при сложении двух одноразрядных чисел, составить и объяснить булевы выражения для описания одноразрядного сумматора.

2. Составить функциональную схему последовательного четырехразрядного сумматора на базе четырех одноразрядных сумматоров.

3. Нарисовать в тетради условно-графическое изображение четырехразрядного сумматора.

4. Освоить аналитически операцию сложения двух многоразрядных чисел (на примере четырехразрядных).

5. Используя два четырехразрядных сумматора, нарисовать функциональную схему сумматора для сложения двух восьмиразрядных двоичных чисел.

6. Продумать и зарисовать формы отчетных таблиц.

7. Рассмотреть технологическую карту III-3, определить назначение всех элементов этой схемы. Разработать и записать алгоритм выполнения операции сложения двух четырехразрядных двоичных чисел с помощью функциональной схемы на рис. 18. При этом одно из слагаемых следует уметь вводить как в параллельном, так и в последовательном кодах.

Выполнение работы

1. Собрать схему стенда для исследования работы четырехразрядного сумматора (карта III-3).

2. Провести исследование работы четырехразрядного параллельного сумматора. В процессе исследования провести сложение 3 – 4 пар четырехразрядных двоичных чисел (операндов). Результаты суммирования проверить при переводе значений в десятичный код. Провести вычитание 2 – 3 пар четырехразрядных операндов, используя перевод вычитаемого в дополнительный код. Результаты вычитания проверить аналитически.

3. Результаты исследования представить соответствующими таблицами.

4. Просмотр состояний входов и выходов сумматора производить с помощью устройства цифровой индикации в режимах представления информации в двоичном и шестнадцатеричном кодах.

Зачет

1. Пояснить полученные результаты.

2. Объяснить как на базе ИМС К155ИМ3 возможно создание сумматоров большей разрядности.

3. Пояснить, как можно использовать рассмотренный стенд в школе при изучении курса информатики. Предложить методику проведения демонстрации.

 

Лабораторная работа 6

Выполнение работы

1. Собрать на плате П2 (карта II-4) счетный триггер, для чего соединить внешней перемычкой контакты 2 и 6 ИМС D3. Исследовать работу T-триггера, измеряя уровни сигналов на входах и выходах с помощью осциллографа.

2. Включив плату П3 (карта III-1), собрать функциональную схему кольцевого счетчика и исследовать его работу.

3. Исследовать функциональную схему четырехразрядного двоичного суммирующего счетчика (плата П5, карта V-1). Первоначально подачей входных импульсов установить на выходе счетчика нулевой код. Затем, подавая одиночные импульсы и используя светодиодную индикацию, заполнить таблицу состояний счетчика в режиме прямого счета.

4. Изменить схему стенда (карта V-2) с целью реализации режима обратного счета. Заполнить таблицу состояний для указанного режима счетчика.

5. Собрать схему стенда для счетчика с коэффициентом пересчета, заданным преподавателем (карта V-1). Заполнить таблицу состояний счетчика и нарисовать временные диаграммы сигналов на входах и выходах счетчика.

6. Исследовать счетчик на микросхеме К155ИЕ7 (карта V-3) в режиме прямого счета. Заполнить таблицу состояний.

7. Повторить испытания счетчика на микросхеме К155ИЕ7 в режиме обратного счета.

8. Провести исследование счетчика К155ИЕ7 в режиме с предварительной установкой счетчика в состояние, заданное преподавателем.

9. Исследовать работу счетчика на микросхеме К155ИЕ7 в режиме предварительной записи информации, а также в режимах прямого и обратного счета с переполнением или с обнулением счетчика (по заданию преподавателя). Зарисовать временные диаграммы сигналов на входах и выходах счетчика в этих режимах.

Зачет

1. Объяснить экспериментальные данные.

2. Объяснить причины ограничения разрядности в счетчиках с последовательным переносом сигнала.

3. Привести примеры использования счетчиков в устройствах детского технического творчества, приборах для физических исследований, в ЭВМ.

4. Пояснить необходимость наличия выходов переноса у реверсивного счетчика.

Рис. 21. Схема к карте V-1.

Рис. 22. Схема к карте V-2.

Рис. 23. Схема к карте V-3.

Лабораторная работа 7

Исследование стандартного

Арифметическо-логического

Устройства

Работа выполняется на плате П6 с использованием технологической карты VI-1 (рис. 25). Стандартное АЛУ на микросхеме К155ИП3 может выполнять 64 логических или арифметическо-логических операций в зависимости от кодов и уровней сигналов, подаваемых на управляющие входы S, M и вход P₀.

Для знакомства с принципом действия АЛУ можно ограничиться значительно меньшим набором операций, уже известных студентам, проделавшим предыдущие лабораторные работы. Список этих операций и соответствующие им коды S приведены в таблице 1.

Таблица 1. Таблица входных кодов и выполняемых операций.

№

П/п

Код операции

Операция

(сигнал на

Выходе)

Тип

Операции

P₀

M

S

двоичный 16-ричный 1 1 1 0011 3 0000

Присвоение или логические операции над одним операндом

2 1 1 1100 C 1111 3 1 1 1111 F A 4 1 1 0000 0 5 1 1 1010 A B 6 1 1 0101 5 7 1 1 1110 E

Логические операции над двумя операндами

8 1 1 0001 1 9 1 1 1011 B 10 1 1 0100 4 11 1 1 0110 6 12 1 1 1001 9 13 1 0 1001 9

Арифметические операции

14 0 0 0110 6 15 1 0 1100 C 16 1 0 1111 F

Объем заданий к работе является следующим.

Домашняя подготовка

1. Зарисовать в тетрадь функциональную схему установки для исследования АЛУ.

2. Описать функциональные назначения входов и выходов АЛУ.

3. Рассмотреть полную таблицу операций с помощью АЛУ (по заданию преподавателя), например, , , , , .

Таблица 2. Режимы работы дешифратора кода команд.

№ П/п	Наименование Команды	Код команды			Такт SB3	Управляемое Устройство И его вход	Светящийся Светодиод
		SA3	SA2	SA1
1	Запись информации с общей шины в регистр операнда K АЛУ	0	0	0	0	Регистр D2, вход C	HL1
2	Запись информации с общей шины в регистр операнда B АЛУ	0	0	1	0	Регистр D3, вход C	HL2
3	Запись информации с общей шины в регистр кода операций	0	1	0	0	Регистр D4, вход C	HL3
4	Установка в ноль (сброс) счетчика блока ввода информации	1	0	0	0	Регистр D6, вход R	HL4
5	Запись информации с выхода АЛУ в регистр-аккумулятор (счетчик блока ввода информации)	1	0	1	0	Регистр D6, вход V	HL5

Выполнение работы

1. Провести исследования логических операций, выполняемых арифметическим блоком.

2. Результаты исследований представить в виде таблиц истинности.

3. Провести исследования арифметических операций, выполняемых АЛУ. Каждую арифметическую операцию выполнить над 3 – 4 парами чисел. При этом необходимо учитывать сигнал переноса. Операцию вычитания выполнить двумя способами, в том числе заменяя эту операцию сложением, преобразуя код вычитаемого в дополнительный.

4. Результаты исследования представить в виде таблицы.

5. Составить программу вычислений, включающую 3 – 4 команды (по заданию преподавателя). Провести расчет по разработанной программе. В таблице 2 представлены режимы работы дешифратора кода команд, используемого при выполнении лабораторной работы.

Зачет

1. Знать назначение и функциональный состав всех узлов, используемых на стенде для исследования АЛУ.

2. Уметь составлять алгоритм выполнения любых операций по заданию преподавателя.

3. Пояснить, как можно использовать рассмотренный стенд на занятиях в школе при изучении курса «Основы информатики».

 

Рис. 24. Схема к карте VI-1.

Лабораторная работа 8

Организации общей шины

Работа выполняется на плате П6 с использованием технологической карты VI-3 (рис. 26). Объем заданий к работе является следующим.

Домашняя подготовка

1. Зарисовать в тетрадь условно-графическое обозначение и внутреннюю структуру ОЗУ на микросхеме К155РУ2.

2. Рассмотреть принцип действия и основные режимы работы ОЗУ.

3. Ознакомиться с возможностями наращивания емкости ОЗУ. Начертить схему ОЗУ емкостью 128 бит (объем памяти 32 четырехразрядных слов) на базе двух микросхем К155РУ2.

4. Ознакомиться с особенностями организации обмена данными между несколькими устройствами при помощи мультиплексирования общей шины.

5. Разработать алгоритм записи заданной информации в ячейку ОЗУ с определенным адресом.

Выполнение работы

1. Провести очистку ячеек ОЗУ по адресам, заданным преподавателем.

2. Записать в первые пять и последние три ячейки ОЗУ информацию, заданную преподавателем в двоичном, десятичном и шестнадцатеричном кодах.

3. Произвести чтение записанной в ОЗУ информации.

4. Продумать методику и осуществить демонстрацию выполнения одной из операций с подробным объяснением всех выполняемых команд.

Зачет

1. Назвать основные характеристики и параметры ОЗУ, используемых в персональных ЭВМ.

2. Привести примеры использования ОЗУ в электронно-вычислительных устройствах.

3. Изложить принцип действия ячеек памяти различного типа и способы их адресации в ОЗУ.

4. Объяснить способы организации обмена данными между отдельными узлами в микропроцессоре (например, в МПК серии КР580 и др.).

Рис. 25. Схема к карте VI-3.

Лабораторная работа 9

Выполнение работы

1. Разработать алгоритм и программу в машинных кодах (операции с органами управления SA1 – SA5 и SB1 – SB3) для выполнения математических операций, заданных преподавателем.

2. Аналитически выполнить указанные действия (для контроля правильности полученных промежуточных результатов). Диапазон исходных чисел, количество и характер выполняемых операций должны быть ограничены сверху, чтобы не вызвать переполнения разрядной сетки. Любой промежуточный результат не должен быть больше F₍₁₆₎, а окончательный 1F₍₁₆₎ (при арифметических операциях).

3. Разработать форму отчетной таблицы.

4. Выполнить математические действия на модели ЭВМ, результаты занести в таблицу.

Зачет

1. Назвать функциональные узлы исследуемой модели ЭВМ и элементы, на которых эти узлы реализованы.

2. Пояснить принцип работы модели ЭВМ.

3. Обосновать алгоритм, разработанный для выполнения заданных математических операций.

4.

Рис. 26. Схема к карте VI-2.

 

Содержание

Лабораторная работа 1

Исследование основных логических элементов и простейших комбинационных устройств

Лабораторная работа 2