Дешифраторы.

“Сұлбақұралым” пәні цифрлық жүйелердің құрылғыларының жұмыс негіздерін және олардың құрылым принциптерін оқуға арналған. Студенттердің оқылатын пәні бойынша теориялық білімінің қалыптастырылуын қамтамасыз ету үшін және олардың әртүрлі қызметке бағытталған цифрлық жүйелерді құру жолдарын игеруі үшін пәннің негізін қалаушы тақырыптары бойынша зертханалық жұмыстардың орындалуы ұйымдастырылу керек.

Әдістемелік құралымда ұсынылып отырған жұмыстар 5В070400 – Есептеу техникасы және бағдарламалық камтама мамандығына арналған “Сұлбақұралым” пәнінің оқу материалын мазмұны жағынан толық қамтыған зертханалық сабақтарды ұйымдастыруға арналған жұмыстар келтірілген.

Бастапқы үш жұмыс цифрлық жүйенің негізін қалаушы бөліктемелерін зерттеп, олардың іскерлік сипаттамаларымен танысуға және зерттеу жұмыстарын жүргізуге қажетті аспап-құралдарды пайдалану тәртібін игеруге арналған. Бұл топтамадағы жұмыстар зерттелуші құрылғыларды Electronics Workbench бағдарламасында моделдеу арқылы жүзеге асырылатын виртуалды тәжірибе түрінде және сәйкесті құрылғылардың жұмысын “ЦЕНТР” ғылыми-техникалық кәсіпорнының (Белоруссия, Могилев қ.) НТЦ-58 зертханалық стендте іс жүзінде тексеру арқылы орындалады.

Микропроцессорлық жүйелерді құру барысында өзара байланысты және өзара тәуелді екі фактор ескеріледі: қойылған мәселенің іс жүзінде жүзеге асырылуын қамтамасыз етуші жүйенің аппараттық бөлігін (hardware) құру және жүйенің іскерлік бөліктемелерінің қойылған мәселенің шешіліміне байланысты іс-әрекеттері мен өзара әрекеттесуінің бағдарламасын құруға мүмкіндік беруші командалар жүйесін (software) анықтау. Демек, микропроцессорлық жүйе жөнінде толық білім алу үшін оның аппараттық бөлігін де, бағдарламалық бөлігін де игеру керек. Әдістемелік нұсқамадағы келесі екі жұмыс микропроцессорлық жүйенің жеке құрама бөліктемелерінің ішкі құрылымын және олардың жұмыс принциптерін оқуға арналған. Бұл топтамадағы жұмыстардың орындалуы сәйкесті құрылғылардың Electronics Workbench бағдарламасында құрылған сәйкесті виртуалды моделдерінің жұмыс сипатын зерттеу арқылы жүзеге асырылады.

Intel 8085 микропроцессорының негізінде құрылған бағдарламалық симуляторда орындалатын ақырғы екі жұмыста Ассемблер тілінде құрылған әртүрлі бағдарлама құрылымдары зерттеледі.

1 Зертханалық жұмыс. Қиыстырма құрылғылар

Жұмыс мақсаты:

- ТТЛ және КМОП логикалық элементтерінің кіріс сигналдары мен шығыс сигналының деңгейлерінің өзара тәуелділігін анықтау;

- қиыстырма құрылғылардың сұлбасын логикалық элементтер арқылы құру әдістемесін игеру;

- цифрлық құрылғыларды құруға және олардың жұмысын зерттеуге қолданылатын аспап-құралдармен жұмыс істеу әдістемесін игеру.

1.1 Жұмыс орнының құрал-жабдықтары:

- компьютер, Electronics Workbench бағдарламасы;

- НТЦ-58 зертханалық стенді;

- жалғама сымдар.

1.2 Қажетті мәліметтер мен әдістемелік ұсынылымдар

Логикалық элементтің (немесе олардан күрделірек цифрлық құрылғының) жұмыс логикасын зерттеудің ең қарапайым жолы – оның кірістеріне логикалық деңгейлердің болар қиыстырмаларының барлық түрін кезектеп беріп, оның шығысындағы сәйкесті сигнал деңгейін бақылау. Тап осы тәсіл жұмыстың екінші бөлімінде орындалатын, зертханалық стендте жүзеге асырылған, іс жүзіндегі құрылғыларды зерттеуде пайдаланылады.

Бұдан тезірек және көрнекі түрдегі нәтижені элемент (немесе құрылғының) кірістеріне әртүрлі жиілікті тікбұрышты импульстер беріп, оның кіріс және шығыс сигналдарының уақыттық диаграммаларын логикалық талдауыш (Logic Analyzer) аталымды аспап көмегімен салыстыру арқылы алуға болады. Бұл тәсіл жұмыстың бірінші бөліміндегі моделдеуші тәжірибелердің жүзеге асырылуында пайдаланылады.

Сұлба құрушыға қажетті тағы бір құрал, ол – қосалқы сұлбалар құру. Оларды пайдаланудың аса бір ыңғайлылығы – күрделі және үлкен көлемді құралымның жеке қызметтерге арналған бөліктемелерін қосалқы сұлбалар арқылы құру (бейнелеу), құралымның жалпы сұлбасын құрылым сұлбасы тәрізді көрнекі суреттеуге мүмкіндік береді. Бұндай қосалқы сұлбалардың ұтымдылығы – оларды бастапқы құрылған жерінен (немесе файлдан) көшіріп алып, басқа тәжірибелерде бірнеше рет қайталап пайдалануға болады. Бұл жұмыста, бастапқы тәжірибе ретінде, түйме басу арқылы жеке импульс қалыптастырушы құрылғыны қосалқы сұлба түрінде бейнелеу ұсынылған.

Логикалық элементтер арқылы кесте түрінде берілген функцияны жүзеге асырушы қиыстырма құрылғының сұлбасын құру келесі кезеңдерден тұрады:

- берілген функцияның кестелі көрсетіліміне сәйкесті логикалық өрнек алу;

- алынған өрнекті қарапайым түрге келтіру (минимизациялау) немесе сұлбаны жүзеге асыруға арналған элементтердің нақтылы базасына (мысалы, NAND элементтері арқылы) бағытталған өрнекке түрлендіру;

- алынған өрнек бойынша құрылғы сұлбасын құру;

- құрылған сұлбаларға зерттеуге қажетті қосымша элементтер (сәйкесті аталыммен белгіленген кілттер мен көрсеткіштер) жалғап, олардың жұмысының кесте түрінді берілген қызметіне сәйкестігін тексеруге болады.

Electronics Workbench бағдарламасында орналастырылған “логикалық түрлендіргіш” (Logic Converter) аталымды аспап арқылы қиыстырма құрылғының сұлбасын құру кезеңдерінің барлығын да жүзеге асыруға болады. Бұл аспаптың қолданылуы зертханалық жұмыстың сәйкесті жұмыс тапсырмасындағы қиыстырма құрылғыны құруға ұсынылған.

Суреттеме мысал ретінде 1.1 кестенің F0 варианты бойынша құрылған сұлбаның логикалық түрлендіргіш көмегімен жүзеге асырылуы келтірілген (1.1 суретті қара).

1.1 Сурет

1.1 К е с т е

Зертханалық жұмысты орындау алдында ұсынылған аспаптармен жұмыс істеу тәртібін және сұлба бөліктерін қосалқы сұлба түрінде бейнелеу тәртібін оқып танысу керек [1]. Бұл құралдар мен олардың қолданылу тәсілдерін игеру алуан түрлі құрылғылардан тұратын үлкен құралымдарды зерттеуге арналған болашақ тәжірибелерді ұйымдастыруға негіз қалайды. Оларды курстық жұмысты орындау кезінде де [2] кеңінен қолдану керек, бұл жұмыстың тезірек жүзеге асырылуына көмек береді.

Жұмыстың іс жүзінде орындалатын бөлігі зертханалық стендте тікелей оқытушының басқаруымен орындалады.

1.3 Жұмыс тапсырмасы

Моделдік зерттемелер

1.3.1 Логикалық элементтердің жұмысын зертте:

- үшкірісті логикалық элементтерді логикалық талдауыш арқылы қатар зерттеуге арналған сұлбаны жина (1.2 суретті қара);

- алынған нәтижелер бойынша сұлбадағы элементтердің жұмыс логикасын талда.

1.2 Сурет

1.3.2 Жеке импульс қалыптастырушы блок құр:

- логикалық элементтегі сигнал кідірісін бақылап (1.3, a суретті қара), оның ұзақтығын өлше;

- жеке импульс қалыптастырушы сұлба құрып (1.3, b суретті қара), оның жұмысын зертте және оны жеке блок түрінде бейнеле (1.3, c суретті қара). Бұдан әрі бұл блокты түйме басу арқылы жеке импульс қалыптастыруға пайдалануға болады.

a	b	c

1.2 Сурет

1.3.3 Логикалық элементтер арқылы кесте түрінде берілген функцияны оқытушының ұсынған варианты бойынша (1.1 кестеніқара) жүзеге асырушы қиыстырма құрылғының сұлбаларын құр:

- ЖӘНЕ, НЕМЕСЕ, ЕМЕС элементтерінің негізінде;

- ЖӘНЕ-ЕМЕС элементтерінің негізінде.

1.3.4 Құрылған сұлбаларға зерттеуге қажетті қосымша элементтер жалға (1.1 суретті қара). Сұлба кірістеріне логикалық деңгейлердің болар қиыстырмаларын беріп, сәйкесті жағдайдағы шығыс сигналының деңгейін бақылау арқылы, құрылғы сұлбаларының жұмысын тексер.

Стендтік зерттемелер

1.3.5 Оқытушының тікелей басқаруымен зертханалық стендтегі логикалық элементтердің кірістеріне ауыстырғыштар арқылы әртүрлі сигнал деңгейлерін беріп, шығысындағы индикатордың жағдайын бақылау арқылы олардың жұмыс логикасын зертте.

1.3.6 4-разрядты компаратор сұлбасының жұмысын зертте:

- 1.4 суреттегі сұлбаны жинап, стендті іске қос;

- микросұлбаның A0-A3 шықпаларына SA2 және SA3 ауыстырғыштарымен 4-разрядты сөздер қойып, компаратордың жұмысын тексер. Сөздердің мәнін жетісегментті HG1 индикаторындағы ондық цифр арқылы, ал әрбір разрядтың мәнін жарықдиодты HL5-HL9 индикаторлары арқылы анықтауға болады. Салыстыру нәтижесінің мәнін HL22 индикаторы көрсетеді.

a)

b)

1.4 Сурет

1.4 Бақылау сұрақтары

1. Зертханалық жұмыста қарастырылған элементтердің жұмыс логикасын түсіндір.

2. AND және OR элементтерінің кірістерінің саны қалай ұлғайтылады?

3. NAND және NOR элементтерінің кірістерінің санын қалай ұлғайтуға болады?

4. NAND және NOR элементтерінің қызметін базалық элементтер арқылы жүзеге асыру мүмкіндігін түсіндір.

5. Қиыстырма құрылғылардың сұлбасын құру тәртібін түсіндір.

6. Қиыстырма құрылғының сұлбасын NAND элементтері арқылы құру үшін оның дизъюнктивті логикалық өрнегін қалай түрлендіру керек?

7. Қиыстырма құрылғының сұлбасын NOR элементтері арқылы құруға арналған логикалық өрнекті қалай алуға болады?

8. 1.2, b суреттегі сұлба арқылы қалыптастыратын жеке импульстің ұзақтығын қалай үш есе ұлғайтуға болады?

2 Зертханалық жұмыс. Қалыпты қиыстырма құрылғылар

Жұмыс мақсаты:

- шифратордың, дешифратордың, мультиплексордың, қосуыштың және компаратордың жұмыс принциптерін түсіну;

- логикалық функцияларды дешифратор арқылы жүзеге асыру тәртібін игеру;

- мультиплексор негізіндегі әмбебап логикалық модулді баптау тәсілдерін игеру.

2.1 Жұмыс орнының құрал-жабдықтары:

- компьютер, Electronics Workbench бағдарламасы;

- НТЦ-58 зертханалық стенді;

- жалғама сымдар.

2.2 Қажетті мәліметтер мен әдістемелік ұсынылымдар

Екілік шифратор – жандандырылған кіріс жолының нөміріне сәйкесті екілік код қалыптастырушы құрылғы. Демек, екілік толық шифратордың кіріс саны m = 2ⁿ, ал шығыс саны n болады. Мәртебелі шифраторлар нақтылы бір қызмет атқаруға үміткерлердің мәртебесі жоғарысын анықтау мәселесін шешеді. Бірнеше бәсекеші бір мезгілде қатарынан қанағаттандырылмайтын сұраныстарын қойған кезде, оның мәртебесі жоғарысының ғана жұмысына рұқсат беріледі.

Дешифратор – кірістеріне (бұл кірістері адрестік кірістер – A1, A0 деп аталады) берілген екілік кодтың мәніне байланысты шығысының (Q3 – Q0) біреуін жандандырушы құрылғы. Басқаша айтқанда, дешифратордың әрбір шығысы нақтылы екілік кодқа (адреске) сәйкес келеді. Демек, дешифратордың адрестік кірістерінің (n) мен шығыстарының (m) саны m = 2ⁿ байланысымен сипатталады. Дешифратор, әдетте, адрестік кірістерінен басқа бір немесе бірнеше қосымша кірістермен қамтамасыз етіледі; ондағы (олардағы) кернеу деңгейі дешифратордың жұмыс жағдайын анықтайды. Бұл кірістер басқару (EN, рұқсат беруші) кірістер деп аталады.

Дешифраторды логикалық функцияларды іске асыру үшін пайдалануға болады. Мұндай мүмкіндікті алдыңғы жұмыстағы мысал арқылы түсіндірелік. Құрылғының жұмысын сипаттаушы логикалық өрнегін талдау арқылы бұл өрнек құрамындағы конъюнкциялардың дешифратордың жандандырылатын шығыстарына сәйкес келетінін байқаймыз. Демек, бұл функцияны іске асыру үшін дешифратордың сәйкесті шығыстарын бескірісті OR элементінің кірістеріне жалғау жеткілікті. Бұл тура шығысты дешифраторға жарамды келеді. Бұл функцияны теріс шығысты дешифратор негізінде іске асыру үшін логикалық өрнекті де Морган ережесі бойынша түрлендіру керек. Осындай түрлендіру нәтижесінде алынған өрнегінен, бұл жағдайда NAND элементін пайдалану қажеттігін көреміз (2.1 суретті қара). Осындай тәсілмен жалғыз осы дешифратор негізінде тағы бірнеше функцияны іске асыруға болады.

2.1 Сурет

Мультиплексор кірістері қызметі жағынан басқарушы, адрестік және информациялық кірістері деп аталатын үш топқа бөлінеді. Мультиплексор –информациялық кірістерінің біреуін адреске сәйкесті таңдап алып, ондағы сигналды шығысына жіберетін құрылғы. Демек, мультиплексордың адрестік кірістері (n) мен информациялық кірістерінің (m) саны m = 2ⁿ байланысымен сипатталады. Мультиплексор көбіне басқарушы екілік кодымен (адресімен) анықталатын, цифрлық сигналдарды бір жол арқылы әртүрлі уақыт мезеттерінде жіберетін ауыстырғыш ретінде пайдаланылады.

Мультиплексор негізінде, сан-алуан функцияларды іске асыра алатын әмбебап логикалық модуль (ӘЛМ) құруға болады. Әмбебап логикалық модульді баптау (настройка) тәсілдерін екі, үш және төрт айнымалы функцияларды 4-1 мультиплексорының негізінде іске асырылу мысалдары арқылы сипатталық (2.1-2.3 кестелер мен 2.2-2.4 суреттерді қара).

2.1 К е с т е A B F1
	2.2 Сурет
2.2 К е с т е A B C F
	2.3 Сурет
2.3 К е с т е A B C D F A B C D F
	2.4 Сурет

2.3 Жұмыс тапсырмасы

Моделдік зерттемелер

2.3.1 2.5 суреттегі сұлба бойынша 74147 шифраторының жұмысын зертте.

Рисунок 2.5

2.3.2 2.6 суреттегі сұлба арқылы 74138 дешифраторының жұмысын зертте. Бұнда дешифратордың адрес кодын беру үшін шартты түрдегі санауыш пайдаланылған. Сұлбада алдыңғы жұмыста құрылған түйме басу арқылы алынатын импульс қалыптастырғышы (j) пайдаланылған.

2.6 Сурет

2.3.3 74153 мультиплексорының жұмысын логикалық анализатор арқылы зертте (2.7 суретті қара). Бұнда 1 санауышы – информациялық сигналдар беруге, ал 2 санауышы адрес коды мен рұқсат беруге пайдаланылған.

2.7 Сурет

2.3.4 Жартылай қосуыш пен бірразрядты қосуыштың сұлбаларын логикалық элементтер прқылы құрып, олардың жұмысын зертте.

2.3.5 Бірразрядты қосуыштың сұлбасын қосалқы сұлба түрінде безендіріп, ол арқылы 4-разрядты қосуыштың сұлбасын құр да, оның жұмысын тексер.

2.3.6 Кесте түрінде берілген құрылғының біреуінің (оқытушының 1.1 кестеден ұсынған варианты бойынша) 74138 дешифраторының және 74153 мультиплексорының негізінде сұлбаларын құр. Алынған сұлбаларға зерттеуге қажетті элементтермен толтырып, олардың жұмысын талда.

Стендтік зерттемелер

2.3.1 Стендте орналастырылған шифратор (DD1 К155ИВ3) және код түрлендіргіші (DD3 К514ИД2) микросұлбаларының жұмысын зертте:

- 2.8 суреттегі сұлбаны жинап, стендті іске қос;

- SA2 ауыстырғышымен шифратор кірістеріне (I1-I9) кезектеп сигналдар беріп, шифратор мен код түрлендіргішінің ақиқаттық кестелерін құр. Шифратордың шығыс коды (демек, код түрлендіргішінің кіріс коды да) жарықдиодты HL5-HL9 индикаторларында көрсетіледі, ал түрлендіргіштің шығыс кодын (A-G) жетісегментті HG1 индикаторындағы ондық цифр арқылы анықтауға болады.

2.8 Сурет

2.4 Бақылау сұрақтары

1. Шифратордың жұмыс принципін түсіндір.

2. Дешифратордың жұмыс принципін түсіндір.

3. Оқытушының көрсеткен сипаттамасы бойынша логикалық элементтер арқылы дешифратор сұлбасын құр.

4. Мультиплексордың жұмыс принципін түсіндір.

5. Демультиплексордың жұмыс принципін түсіндір.

6. Логикалық элементтер мен дешифратор арқылы мультиплексор сұлбасын құр.

7. Жүзеге асырылатын функцияның айнымалыларының саны мультиплексордың адрестік кірісінің санына тең жағдайға ӘЛМ-ды баптау тәсілін түсіндір.

8. Жүзеге асырылатын функцияның айнымалыларының саны мультиплексордың адрестік кірісінің санынан артық жағдайға ӘЛМ-ды баптау тәсілін түсіндір.

3 Зертханалық жұмыс. Тізбектеме құрылғылар

Жұмыс мақсаты:

- асинхронды триггерлердің құрылым приинциптерін және жұмыс режимдерін игеру;

- статикалы басқарылатын синхронды триггерлердің құрылым приинциптерін және жұмыс режимдерін игеру;

- динамикалы синхронды триггерлердің жұмыс режимдерін анықтау;

- освоение различных режимов ввода информации в регистры;

- тура және теріс санауыштардың жұмыс режимдерін және құрылымдық ерекшеліктерін игеру;

- санауыштың санау модулін құрылымдық өзгерту принциптерін игеру.

3.1 Жұмыс орнының құрал-жабдықтары:

- компьютер, Electronics Workbench бағдарламасы;

- НТЦ-58 зертханалық стенді;

- жалғама сымдар.

3.2 Жұмыс тапсырмасы

Моделдік зерттемелер

3.2.1 Асинхронды RS-триггерлердің сұлбаларын на элементах NOR және NAND элементтері арқылы құрып (см. риснок 3.1 суретті қара), олардың жұмысын зертте.

Рисунок 3.1

3.2.2 NAND элементтері арқылы синхронды RS-триггер сұлбасын жинап (3.2 суретті қара), жұмыс режимдерін зертте.

3.2 Сурет

3.2.3 7474 микросұлбасындағы D-триггерлердің біреуінің жұмыс режимдерін логикалық талдауыш арқылы зертте (3.3 суретті қара).

Талдау алдында R және S ауыстырғыштары бірлік жағдайға қойылу керек. Талдау кезінде бұл ауыстырғыштарға сәйкесті түйменің біреуін екі рет тез басу арқылы триггерді бірлік немесе нөлдік жағдайға асинхронды қою керек.

3.3 Сурет

3.2.4 D-триггердің теріс шығысын информациялық кірісіне тұйықтап, оның санау режиміндегі жұмысын талда (3.4 суретті қара).

3.4 Сурет

3.2.5 JK-триггердің жұмыс режимдерін зертте (3.5 суретті қара).

Триггерді нақтылы жағдайға қоюды оның R және S кірістеріндегі сигнал деңгейін қысқа мерзімге өзгерту арқылы жүзеге асыру керек.

3.5 Сурет

3.2.6 Келесі төжірибелерде пайдалану үшін динамикалық дерек көзі (Data) мен сәйкесті бағытты жеке импульс қалыптастырғыштарын (j және t) қосалқы сұлбалар түрінде құр (3.6 суретті қара).

3.6 Сурет

3.2.7 7493 санауышын зерттеу сұлбасын құр (3.7 суретті қара). C түймесімен тактілік сигналдар беріп, санауыштың жұмысын тексер. Триггер микросұлбасының R01, R02 шықпаларындағы сигналдардың қызметін тексер.

3.7 Сурет

3.2.8 Проверить работу счетчика с модулем счета 10 (см. рисунок 3.8).

3.8 Сурет

3.2.9 Санауыштың санау модулін өзгертіп, оның жұмысын тексер.

3.2.10 74169 аударылма санауышын зерттеуге арналған сұлбаны жинап (3.8 суретті қара), оның жұмыс режимдерін тексер.

3.9 Сурет

3.2.11 74194 әмбебап регистрін зерттеуге арналған сұлбаны жинап (3.8 суретті қара), оның жұмыс режимдерін тексер.

3.10 Сурет

Стендтік зерттемелер

3.2.12 ЖӘНЕ-ЕМЕС элементтерінің негізінде құрылған RS-триггерінің (3.11 суретті қара) R және S кірістерінің жағдайын SB1 түймесін басу арқылы өзгертіп, оның жұмысын тексер.

3.11 Сурет

3.2.13 3.11 және 3.12 суреттеріндегі сұлбаларды жинап, тура санауыштың жұмысын зертте. Импульстер SB1 түймесін басу арқылы беріледі. Санауышты тазарту SB2 түймесін басу арқылы жүзеге асырылады.

3.12 Сурет

3.2.14 Сұлбаны өзгертіп (см. рисунок 3.13), кері санауыштың жұмысын зертте.

Рисунок 3.13

3.2.15 1.4, 3.11 және 3.14 суреттеріндегі сұлбаларды жинап, 4-разрядты регистрдің жұмысын зертте. D кірістері мен Q шығыстарының ахуалы HG1 индикаторындағы ондық сандармен анықталады.

a)

b)

3.14 Сурет

3.3 Бақылау сұрақтары

1. Тура және теріс кірісті асинхронды RS-триггердің құрылымын және жұмыс режимдерін түсіндір.

2. Статикалы басқарылатын синхронды RS-триггердің құрылымын және жұмыс режимдерін түсіндір.

3. Статикалы және динамикалы басқарылатын триггерлердің айырмашылығын түсіндір.

4. D-триггерді санау триггері ретінде қалай пайдалануға болады?

5. D- және JK-триггерлердің микросұлбаларының R және S кірістерін-дегі сигналдар қандай қызмет атқарады?

6. Регистрге информацияны тізбекті және параллель енгізу принциптерін түсіндір.

7. 7493 микросұлбасының негізінде санау модулі 13 болатын санауыш қалай құрылады?

8. 7493 микросұлбасының негізінде сегізразрядты санауыш қалай құрылады?

4 Зертханалық жұмыс. Жадылық құрылғылар

Жұмыс мақсаты:

- ROM жадыларының құрылым принциптерін игеру;

- PROM жадыларын бағдарлау тәртібін игеру;

- жады жүйелерінің негіздік құрылымдарымен танысу және олардың құрылу принциптерін игеру.

4.1 Жұмыс орнының құрал-жабдықтары и файлдар:

- компьютер, Electronics Workbench Professional бағдарламасы;

- ROM(M) 16x7.ewb файлы;

- PROM 16x7.ewb файлы;

- RAM 2D_8x4.ewb файлы;

- RAM_3D_16x4.ewb файлы;

- RAM 2DM_32x4.ewb файлы.

4.2 Қажетті мәліметтер мен әдістемелік ұсынылымдар

Зертханалық жұмыстың бірінші тапсырмасы, оналтылық символдардың 7-сегментті индикаторда көрсетілуіне пайдаланылатын, өзгермейтін информация сақталған, тұрақты жадылық құрылғының (ТЖҚ) құрылымын және оның жұмыс принциптерін игеруге арналған (4.1 суретті қара).

4.1 Сурет

ТЖҚ блогы (қосалқы ROM_16x7 схемасы), сәйкесті аталымды қосалқы сұлбалар түрінде безендірілген, 16 шығысты дешифратордан (74154 микросұлбасы) және 16x7 түрінде ұйымдастырылған жады матрицасынан тұрады. Дешифратордың жұмысына рұқсат E (Enable) түймесінен алынатын сигналдың оң деңгейімен қамтамасыз етіледі. Жады жолдарының (7-разрядты ұяшықтардың) адресі 4-разрядты санауыш (қосалқы add4 сұлбасы) арқылы қалыптастырылады.

Екінші тапсырма, бастапқы жағдайда жалғамдар он алты горизонталь (дешифратордың шығыс жолдары) мен жеті вертикаль (дерек разрядтарының жолдары) жолдардың қиылыстарының барлығында болатын, микросұлба дайындамасын бағдарлау (тігу) принциптерін үйренуге арналған (4.1 суретті қара).

4.2 Сурет

Микросұлбаны бағдарлау келесі тәртіппен жүргізіледі:

- іске қосу (Activate simulation) түймесін басу арқылы схеманы жандандыр;

- W (Write/Read) түймесімен құрылғыны бағдарлау режиміне ауыстыр (сәйкесті жарықдиоды жанады);

- жады матрицасы жолының адресін қой;

- таңдалған жолға орналастырылатын символдың сегменттеріне сәйкесті түймелерді басу арқылы қажетті бағдарлау информациясын дайында;

- P (programming) түймесін тез басу арқылы таңдалған жолдың бағдарлануын (информация тігілуін) қамтамасыз ет.

- сегмент түймелерін бастапқы қалыпты жағдайына қайтар;

- клавишей W (Write/Read) түймесімен құрылғыны оқу режиміне ауыстырып, жады матрицасының жолдарында тігілген информацияны тексер.

Зертханалық жұмыстың келесі тапсырмалары жады жүйелерінің әртүрлі құрылымдарымен (2D, 3D, 2DM) және олардың жұмыс принциптерімен танысуға арналған. Олар сәйкесті моделдер (4.3-4.5 суреттерді қара) арқылы орындалады.

2D құрылымды жады жүйесін зерттеуге арналған сұлба (4.3 суретті қара) сәйкесті қосалқы сұлбалармен безендірілген келесі блоктардан тұрады:

- санауыш негізіндегі үшразрядты адрес қалыптастырғышы (add3);

- санауыш негізіндегі төртразрядты дерек көзі (data);

- құрамына сегізшығысты дешифратор (dc8) және регистрлер негізіндегі 8 ұяшықтан (rg4) тұратын жады ұяшықтарының матрицасы (8x4) кіретін жады жүйесі RAM_8x4. Жады матрицасының әрбір ұяшығында орналастырылған индикатор тәжірибе кезінде жады ұяшықтарының таңдалымын бақылауға мүмкіндік береді.

4.3 Сурет

3D құрылымды жады жүйесін зерттеуге арналған сұлба (4.4 суретті қара) сәйкесті қосалқы сұлбалармен безендірілген келесі блоктардан тұрады:

- санауыш негізіндегі төртразрядты адрес қалыптастырғышы (add4);

- санауыш негізіндегі төртразрядты дерек көзі (data);

- құрамына қосар дешифратор (2dc4) және регистрлер негізіндегі 16 ұяшықтан (rg4) тұратын жады ұяшықтарының матрицасы (16x4) кіретін жады жүйесі RAM_16x4.

4.4 Сурет

2DM құрылымды жады жүйесін зерттеуге арналған сұлба (4.5 суретті қара) құрамында келесі блоктар болады:

- 2DM құрылымды жады блогы RAM_32x4;

- деректерді дайындау блогы Prepare;

- басқару блогы Control.

RAM_32x4 жады блогының құрамы:

- жады элементтерінің матрицасы 32х4;

- жолды дешифрациялау блогы dc8;

- жолдан ұяшық таңдау (оқу кезінде) блогы mux4.

4.5 Сурет

32х4 жады матрицасында (логика жағынан) 8 жол болады, әрбір жолда төрт 4-разрядты жады ұяшығынан rg4 тұратын cell_4x4 блогы орналасқан. Іс жүзінде 32х4 жады блогы (жалғау және қарастыру ыңғайлылығы үшін) төрт cell_4x4 блогынан тұратын екі 16х4 блогының біріктірмесі түрінде ұйымдастырылған. Жады матрицасының әрбір ішкі блогы индикатормен қамтылған, олар тәжірибе кезінде жады ұяшықтарының таңдалымын бақылауға мүмкіндік береді.

Жады жолын таңдауға арналған dc8 блогы – сегіз шығысты дешифратор.

4-кірісті мультиплексорлар негізінде құрылған mux4 блогы жандан-дырылған жолдан қажетті ұяшықты таңдауға мүмкіндік береді.

Prepare блогы жады матрицасының жолына қатар жазуға арналған төрт 4-разрядты сөз дайындау қызметін атқарады. Дайындау кезеңінде бұл сөздер уақытша төрт 4-разрядты in аталымды жады ұяшығынан тұратын ішкі in_4 блогында сақталады. Бұл ұяшықтардың біреуін таңдау дешифраторлық блока 0_3 блогымен сілтенетін dc4 блогы арқылы жүзеге асырылады.

Control блогында басқару түймелері мен құрылғының жұмысын қамтамасыз етуші қоымша элементтер бірктірілген. Ол үш режимде жұмыс режимінде істей алады – жазуға деректер дайындау, жазу және оқу.

Деректер дайындау режимі келесі түрде орындалады:

- P (Prepare) түймесімен құрылғыны деректер дайындау режиміне ауыстыр (сәйкесті индикатор жанады);

- I (In) түймесімен in_4 блогындағы төрт ұяшықтың біреуін таңда (сәйкесті индикатор көрсетеді);

- С (CLK) түймесімен осы ұяшыққа data блогында қалыптасқан бір санды жаз.

Жазу/оқу режиміне ауыстыру P тұймесін қайта басумен жүзеге асырылады (индикатор сөнеді).

Жазу режимінде:

- A түймесімен жады матрицасының қажетті жолын таңда (сәйкесті 7-сегментті индикатор көрсетеді);

- С (CLK) түймесімен дайындалған деректерді жады матрицасының таңдалған жолына жаз.

Оқу режимінде:

- клавишей A түймесімен жады матрицасының қажетті жолын таңда (сәйкесті 7-сегментті индикатор көрсетеді);

- S (Select) түймесімен жады матрицасының жандандырылған жолынан нақтылы ұяшықты таңда (сәйкесті 7-сегментті индикатор көрсетеді).

4.3 Жұмыс тапсырмасы

4.3.1 ROM жадысының құрылым принциптерімен танысып, онымен жұмыс істеу тәртібін игер:

- ROM(M) 16x7.ewb файлын ашып, ондағы әртүрлі қосалқы блоктардың (4.1 суретті қара) құрылымымен таныс;

- жады ұяшықтарының адресін A (Address) түймесімен өзгерте отырып, жадының сәйкесті жолдарында жазылған информацияны тексер.

4.3.2 PROM жадысының құрылым принциптерімен танысып, оны бағдарлау тәртібін игер:

- PROM 16x7.ewb файлын ашып (4.2 суретті қара), ондағы chip16x7 матрицасы мен бағдарлау құрылғысының (programmer) құрылымымен таныс;

- жады матрицасының жолдарын келесі тізімдегі символдарды көрсетуге бағдарла: L, J, H, P, S, U, –, _, e, n, q, r және т.б.

4.3.3 2D құрылымды жады жүйесінің құрылу принциптерін игер:

- RAM 2D_8x4.ewb файлын ашып, ондағы 2D құрылымды жады жүйесінің (4.3 суретті қара) құрамындағы жеке блоктарды ашып, олардың құрылымымен таныс;

- келтірілген жады жүйесінің ұяшықтарына нақтылы информация жазып, сосын олардың сақталымын тексеру арқылы құрылғының жұмысын зертте.

4.3.4 3D құрылымды жады жүйесінің құрылу принциптерін игер:

- открыть файл RAM 3D_16x4.ewb файлын ашып, ондағы 3D құрылымды жады жүйесінің (4.4 суретті қара) құрамындағы жеке блоктарды ашып, олардың құрылымымен таныс;

- келтірілген жады жүйесінің ұяшықтарына нақтылы информация жазып, содан соң олардың сақталымын тексеру арқылы құрылғының жұмысын зертте.

4.3.5 2DM құрылымды жады жүйесінің құрылу принциптерін игер:

- открыть файл RAM 2DM_32x4.ewb файлын ашып, ондағы 2DM құрылымды жады жүйесінің (4.5 суретті қара) құрамындағы жеке блоктарды ашып және сәйкесті түсіндірме мәліметті оқи отырып, олардың құрылымымен таныс;

- RAM_2DM жадысының барлық жолына информация жазып, сосын жадының нақтылы ұяшығынан оқу мүмкіндігін тексер.

4.4 Бақылау сұрақтары

1. Жады құрылғыларының негізгі параметрлерін түсіндір.

2. ROM жадысының қызметін түсіндір?

3. ROM құрылымдарында қандай жады элементтері пайдаланылады?

4. PROM жадысы қайда және қалай бағдарланады?

5. EPROM және EEPROM жадыларының айырмашылығы қандай?

6. Жады элементтерінің қандай сұлбақұралысы RAM жадысының ең жоғарғы тезәрекеттікті қамтамасыз етеді?

7. Бірөлшемді және екіөлшемді RAM жадыларының құрылым ерекшеліктері қандай?

8. 2D және 3D құрылымдарын құндылығы мен кемістігіне байланысты салыстыр.

9. 2DM жадысының құрылым принциптерін және оның негізгі құндылығын түсіндір.

5 Зертханалық жұмыс. MP4M моделі

Жұмыс мақсаты:

- микропроцессорлық жүйе (МПЖ) моделінің құрылымымен танысу;

- МПЖ моделімен жұмыс істеу тәртібін игеру;

- әртүрлі командалардың іс-әрекетін түсіну;

- МПЖ моделінде айналымды бағдарламалы құрылымдардың ұйымдастырылу принциптерін игеру;

- деректер массивімен жұмыс істеу тәртібін игеру;

- бірнеше санның қосындысын есептеу бағдарламасының құрылымын түсіну;

- деректердің нақтылы разрядындағы бірлік битті іздеу бағдарламасының құрылымын түсіну.

5.1 Жұмыс орнының құрал-жабдықтары и файл:

- компьютер, Electronics Workbench Professional бағдарламасы;

- MP4M.ewb файлы.

5.2 Қажетті мәліметтер мен әдістемелік ұсынылымдар

Құрамына микропроцессор (MP4M), дерек енгізу құрылғысы (In), жады жүйесі (Mem) және жүйенің жұмыс режимін таңдау блогы енгізілген, 4-разрядты микропроцессорлық жүйенің моделі 5.1 суретте келтірілген .

Рисунок 5.1

Микропроцессор құрамына келесі блоктар кіреді:

- арнайы қызметтік регистрлер жинағы (RGs, Registers);

- арифметикалық-логикалық құрылғы (ALU, Arithmetic-Logic Unit);

- команда регистрі (BUF, Buffer Register);

- команда дешифраторы (DC_16, Decoder 16-bit);

- таймер (CLK, Clock);

- микробағдарламалық құрылғы (Combi, Combinational Circuit.

Әрбіреуі нақтылы қызмет атқаруға арналған регистрлер жинағының (RGs) құрамына келесі регистрлер кіреді:

- A регистрі аккумулятор (Accumulator) қызметін атқарады, онда арифметикалық және логикалық операцияларға қатысты операндтардың біреуі немесе операциялардың орындалу нәтижесі сақталады. Аккумуляторға дерек жадыдан (LD A командасы) немесе ALU-дан (кезекті арифметикалық немесе логикалық операция орындалғаннан кейін) енгізіледі;

- A1 регистрі айналымды қосылымдардың ұйымдастырылуы кезінде туатын тасылымдарды жинауға арналған. Ол бағдарламаның іске қосылуы кезінде және аккумуляторға (A регистріне) LD A командасымен дерек енгізілуі кезінде тазартылады. Ондағы дерек Space түймесін қысқа уақытқа басу арқылы аккумулятор көрсеткіштеріне шығарылады;

- B регистрі микропроцессордың ішкі регистрлері мен жады арасындағы дерек жіберілімдерінің адрес регистрінің қызметін атқарады (LD C, LD IP, LD SP, LD A командалары). LD C, LD SP, LD A командалары орындалғаннан кейін B регистріндегі сан ұлғайтылады (яғни, оған бір қосылады). Бұл регистрге дерек LD B командасымен енгізіледі, оған адрес регистрі ретінде C регистрі пайдаланылады. Ол бағдарламаның іске қосылуы кезінде тазартылады;

- C регистрі арифметикалық және логикалық операцияларға қатысты екінші операндтың адрес регистрінің қызметін атқарады. Сәйкесті командалар орындалғаннан кейін С регистріндегі сан ұлғайтылады, бірақ оның бағытын (B регистрінен ерекше) өзгертуге болады, ол I түймесі арқылы қойылады және оның жағдайы (I) - Dcr/Inr көрсеткішінде көрсетіледі: I=0 кезінде – тура бағытта (Increment), ал I=1 кезінде – теріс бағытта (Decrement). Ондағы санды өзгермеген түрінде де қалдыруға болады, бұндай жағдай туралы жүйенің жұмыс режимдерін суреттеу кезінде айтылады. Бұл регистрге дерек LD C командасымен жүзеге асырылады. Бағдарламаның іске қосылуы кезінде бұл регистр 1111 жағдайына қойылады (XOR элементтері арқылы). Кез келген бағдарламаның құрамында дерек тарату командаларының болатындығынан, бағдарламаның бірінші командасы B регистріне дерек енгізу командасы (LD B) болу керек. C регистрінің сұлбасындағы төрткірісті OR элементі регистрдің нөлдік жағдайын анықтауға арналған, ол арқылы айналымды операциялардың ұйымдастырылуы кезінде шартты ауысу жүзеге асырылады;

- SP регистрі стек көрсеткішінің (Stack Pointer) қызметін атқарады, яғни PUSH және POP командалуы кезінде адрес регистрінің рөлінде болады: ондағы адрес PUSH командасының орындалар алдында кемітіледі (Predecrement) және POP командасы орындалғаннан кейін ұлғайтылады (Postincrement). Загрузка этого регистра осуществляется командой LD SP. Бұл регистрге дерек LD SP командасымен жүзеге асырылады. Бағдарламаның іске қосылуы кезінде бұл регистр 1111 жағдайына қойылады;

- IP регистрі команда көрсеткішінің (Instuction Pointer) қызметін атқарады. Кезекті команданың коды жадыдан шығарылып, команда регистріне сақталғаннан кейін ондағы адрес ұлғайтылады. Бұл регистрге дерек LD IP командасымен жүзеге асырылады. Ондағы адрес, жүйенің кейбір альтернативті жұмыс режимдерінде анықталатын, шартты ауысу кезінде де өзгертіледі. Ол бағдарламаның іске қосылуы кезінде тазартылады.

Барлық регистрдің кірістері – ішкі дерек желісіне, ал шығыстары (үш жағдайлы буферлік элементтер арқылы) атқаратын қызметіне сәйкесті дерек желісіне немесе адрес желісіне қосылған.

Арифметикалық-логикалық құрылғы (ALU, Arithmetic-Logic Unit) арифметикалық және логикалық операциялардың орындалуын жүзеге асырады. Оның құрамында сәйкесті операциялардың орындалуын жүзеге асырушы бөліктемелер (sum, not, and, or, xor) және операндтар мен орындалған операцияның нәтижесін уақытша сақтауға арналған буферлік регистрлер болады.

Команда дешифраторы (DC_16) кезекті команданың кодына сәйкесті орындаушы микробағдарламасын іске қосады, яғни осы команданың орындалуына қатысты құрылғыларға жіберілетін басқару сигналдарының қалыптастырылу жолын анықтайды.

Таймер (CLK) командалардың орындалуына қатысты құрылғыларға жіберілетін басқару сигналдарының уақыттық таралымын анықтайды.

Қиыстырмалы микробағдарламалық құрылғы (Combi, Combinational Circuit) кезекті команданың орындалуын қамтамасыз етуші кеңістіктік және уақыттық басқару сигналдарын қалыптастырады.

Енгізу құрылғысы мен жады жүйесінің негізі ретінде бұрын қарастырылған сәйкесті құрылымдар пайдаланылады.

Жадыны басқару жүйесі (MCon, Memory Control) жады блоктарының (команда кодтарының немесе деректердің) біреуін және енгізу құрылғысынан құрылғысынан немесе микропроцессордан түсетін басқару сигналдарына байланысты олардың жұмыс режимінің (ввода, записи, считывания) таңдалуын қамтамасыз етеді.

Жүйе бірнеше режимде істей алады, олар режим таңдау блогындағы (Regime) түймелердің жағдайымен анықталады. Олардың жағдайы сәйкесті көрсеткіштерде суреттеледі. Осы режимдерді суреттелік.

Енгізу құрылғысынан жады жүйесіне ақпарат енгізу M=1 кезінде жүргізіледі. Егер бұл кезде P=1 болса, онда ақпарат – бағдарлама жадысына (бағдарлама коды F тоқтату командасымен аяқталу керек), ал P=0 кезінде дерек жадысына енгізіледі. Жады құрамын тексеру Space түймесін қысқа уақытқа басып, жады ұяшығының адресін өзгерту арқылы жүргізіледі. P түймесінің жағдайы өзгертілгенде жады адресі тазартылады.

Бағдарламаны іске қосу M түймесін M=0 жағдайына ауыстыру арқылы жүзеге асырылады. Егер бұл кезде P=1 болса, онда арифметикалық және логикалық командалардың орындалуы кезінде C регистрінің жағдайы өзгертіледі (I мәніне сәйкесті), ал P=0 кезінде оның жағдайы өзгермеген жағдайда қалады.

S=0 кезінде ADS және ACS командалары арқылы – қосу операциялары, ал S=1 – алу операциялары орындалады.

V=0 кезінде AND командасы арқылы екі операнд арасында – қалыпты логикалық көбейту операциясы, ал V=1 кезінде деректің нақтылы разрядындағы бірлік битті табуға арналған биттік операция жүзеге асырылады. Бұл биттік операцияның орындалуы үшін аккумуляторға қажетті разрядында ғана бір тұрған санауыш енгізілу керек. Суреттелген биттік операция сыртқы құрылғыдан келетін сұраныс сигналын немесе іс жүзіндегі қолданба жүйелердегі құптау сигналын тануды елестетеді.

Жүйені режимдерін ауыстыру бағдарламаны іске қосу алдында жүргізіледі, бірақ оны бағдарламаның жұмысының барысында да жүзеге асыруға болады.

MP4M микропроцессорының командалары мен олардың сипаттамалары 5.1 кестеде, ал жүйенің жұмыс режимдерінің қойылу тәртібі 5.2 кестеде келтірілген.

5.1 К е с т е – MP4M микропроцессорының командалары

Мн-ка	Код	Операциялар
Hex	V=0	P	S	V=1; I=1
LD B		B←[(C)]; C←(C)+1
LD C		C←[(B)]; B←(B)+1
LD IP		IP←[(B)]
LD SP		SP←[(B)]; B←(B)+1
LD A		A←[(B)]; B←(B)+1
ST		[(B)]←(A);B←(B)+1
INR		A←(A)+1
NOT		A←
ADS		A←(A)±[(C)]; TC	P=1: C←var(I) P=0: C = invar	S=1: SUB (–) S=0:ADD,ADC (+)	Zc = 0: IP←IP+1
ACS		A←(A)±[(C)±TC; TC
AND	A	A←(A)۸[(C)]			Zc۸Za=0: IP←IP+1
OR	B	A←(A)۷[(C)]
XOR	C	A←(A) [(C)]
PUSH	D	SP←(SP)–1; (SP)]←(A)
POP	E	A←(SP)]; SP←(SP)+1
HLT	F	IP = invar

5.1 К е с т е – MP4M микропроцессорының жұмыс режимдерінің қойылуы

Кілт, инд-р	M/R = 1	M/R → 0: Running: A,B,IP ← 0; C,SP ← F
P=1: C←var(I); P=0: C = invar
S = 0	P/D = 1: MemPr←IN	P/D = 0: MemD←IN	Addition (+)	A ← (A) + [(C)]
S = 1	Subtraction (–)	A ← (A) – [(C)]
I = 1	PostDecrement C←(C) –1	C←(C)–1; (C)=0: Zc ← 0
I = 0	PostIncrement C←(C) +1	C ← (C) + 1
V = 0	Logical Operation	A ← (A) {۸ / ۷ / } [(C)]
V = 1	Verifying of Byte	(A)=0010…bi = 1: Za ← 0

5.3 Жұмыс тапсырмасы

5.3.1 Ауыстыру командаларының іс-әрекетімен таныс:

- EWB5PRO бағдарламасын ашып, MP4M.ewb файлын таңда. Жүйенің (6.1 суретті қара) негізгі және ішкі блоктарын ашып және жүйе жөніндегі мәліметтерді оқу арқылы олардың құрылымымен, құралым бөліктемелерімен және жұмыс принциптерімен таныс;

- EWB5PRO бағдарламасын түймесімен жандандырып, жадыға жазылған информацияны жоғалтып алмас үшін, оны жұмыс аяғына дейін сөндірме MP4M.ewb файлын таңда;

- M және P түймелерін M=1 және P=1 жағдайына қою арқылы жүйені бағдарлама енгізу режиміне дайындап, жадыға келесі бағдарламаның команда кодтарын енгіз;

- M және P түймелерін M=1 және P=1 жағдайына қою арқылы жүйені бағдарлама енгізу режиміне дайындап, жадыға келесі бағдарламаның команда кодтарын енгіз;

- жады түрін P түймесімен ауыстыра отырып, жадыға енгізілген ақпараттың (бағдарлама мен деректердің) дұрыстығын Space түймесін қысқа уақытқа басу арқылы тексер;

- алдымен P түймесін P=1 жағдайына қойып, сосын M түймесін M=0 жағдайына ауыстыру арқылы бағдарламаны іске қос. Көрсеткіштердің жағдайын бақылай отырып, бағдарлама жұмысын тексер. Қажетті жағдайда бағдарлама ж&#