Цифровая схемотехника и архитектура компьютера

Бакалавриат 2021/2022

Статус: Курс обязательный (Информационная безопасность)

Направление: 10.03.01. Информационная безопасность

Кто читает: Департамент электронной инженерии

Где читается: Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Когда читается: 3-й курс, 1, 2 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Охват аудитории: для своего кампуса

Преподаватели: Мещеряков Ярослав Евгеньевич

Язык: русский

Кредиты: 6

Контактные часы: 108

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Учебная дисциплина «Цифровая схемотехника» входит в цикл общепрофессиональных дисциплин, изучаемых студентами технических специальностей, так как для киберфизических систем требуются специалисты в области цифровых методов и цифровых устройств, микропроцессорных систем и ЭВМ. Широкое применение цифровых устройств и микропроцессоров объясняется их большими функциональными возможностями простотой схем, небольшими размерами и малой потребляемой мощностью при высокой надежности. В результате изучения данной дисциплины у студентов должны сформироваться знания, умения и навыки, позволяющие проводить анализ физических процессов и расчет основных электрических характеристик электронных устройств как изучаемых в настоящей дисциплине, так и находящихся за ее рамками. В рамках направления подготовки «Информационная безопасность» изучение цифровой схемотехники и архитектуры ПК необходимо для понимания принципов функционирования технических и программно-аппаратных средств защиты информации. При обучении предусмотрен контроль знаний студентов в виде домашних / индивидуальных заданий, практических, лабораторных работ и экзамена.

Цель освоения дисциплины

Формирование базовой подготовки студентов в области цифровых устройств и микропроцессорных систем и развитии навыков использования цифровой техники при эксплуатации киберфизических систем.

Планируемые результаты обучения

- Особенности построения и работы функциональных схем счетных триггеров. Построение функциональных схем и принцип работы триггеров T-типа, D-типа. Построение универсального JK-триггера на основе RS-триггера с устранением состояния неопределенности.
- Построение суммирующего двоичного счетчика методом синтеза. Варианты графического изображения функциональных схем счетчиков (вертикальное и горизонтальное). Схемы делителя частоты импульсной последовательности на основе двоичных счетчиков (назначение, принцип построения и работа делителей с различными коэффициентами деления).
- Построение триггеров на основе логических элементов интегральной схемотехники методом синтеза. Основные понятия о статическом и динамическом управлении триггером. Принцип функционирования асинхронного RS-триггера (бистабильная ячейка памяти) на основе логических элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ в интегральной схемотехнике с прямыми инверсными входами.
- Иерархия (структура) запоминающих устройств (ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ). Основные характеристики за-поминающих устройств: емкость, быстродействие, надежность и экономичность.
- Назначение, принцип построения и режимы работы оперативно-запоминающего устройства (ОЗУ) - запись, хранение и чтение информации в элементах памяти ОЗУ. Организация памяти в ОЗУ. Построение схем запоминающих элементов динамических и статических ОЗУ
- Общие сведения о регистрах. Назначение и типы регистров. Классификация регистров. Принцип построения и работы последовательных, параллельных, последовательно-параллельных и параллельно-последовательных регистров при вводе и выводе информации.
- Общие сведения о счетчиках. Назначение и типы счетчиков и пересчетных устройств. Классификация и параметры счетчиков. Принцип функционирования счетчиков. Максимальный (избыточный) и эффективный коэффициенты счета счетчика. Переполнение счетчика. Принципы построения и работы счетчиков на сложение и вычитание с последовательным, параллельным, сквозным и групповым переносом.
- осуществлять поиск стандартных схемотехнических решений и подбор элементов по их техническим параметрам; - изображать схемы электрические принципиальные схемотехнических решений узлов микроконтроллерных киберфизических систем.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ), универсальные АЛУ, специализированные АЛУ, АЛУ большой разрядности.
Динамические ОЗУ, схемотехника ОЗУ
Матричные, линейные и прямоугольные дешифраторы. Емкость шифраторов и дешифраторов. Форматы входного кода: двоичный и двоично-десятичный. Многоступенчатые дешифраторы. Условное графическое обозначение шифраторов и дешифраторов. Анализ схем шифраторов и дешифраторов в базисах ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ
Назначение преобразователей кодов. Принцип построения и работы преобразователя двоичного позиционного числа в специальные двоичные машинные коды и машинных кодов одного вида в другой, преобразователя двоично-десятичного кода в двоично-десятичный код другого вида, преобразователя кодов для цифровой кодировки.
Однокристальные микропроцессоры. Структурная схема и архитектурное построение однокристального микропроцессора. Состав, назначение и принципы взаимосвязи основных блоков в структурной схеме микропроцессора.
Организация памяти микропроцессоров. Машинные такты и циклы (временная диаграмма циклов). Информация состояния. Запуск микропроцессора. Состояния захвата, прерывания, останова.
Особенности функциональных схем триггеров: расширение информационных входов по И (ИЛИ), создание входов асинхронной установки (сброса) в нулевое (0) или единичное (1) состояние триггеров и их блокировка, создание дополни-тельных входов разрешения.
По окончанию курса студент будет иметь представление : -структуру программного обеспечения микроконтроллеров; - структуру микропроцессоров и микроконтроллеров; -системы команд микропроцессоров и микроконтроллеров; - аппаратное обеспечение микроконтроллеров; - основные узлы и принципы их работы
По окончанию курса студент будет иметь представление: математические основы и физические принципы функционирования современных электронных устройств, исторические аспекты и современные тенденции создания и развития цифровых устройств.
По окончанию курса студент будет иметь представление: Назначение шифраторов и дешифраторов. Назначение преобразователей кодов. Принцип построения и работы преобразователя двоичного позиционного числа в специальные двоичные машинные коды и машинных кодов одного вида в другой. Назначение мультиплексоров и демультиплексоров. Назначение и классификация комбинационных сумматоров.
По окончанию курса студент будет иметь представление: Общая характеристика и назначение цифровых запоминающих устройств. Классификация и параметры цифровых запоминающих устройств по физическим принципам работы, по технологии изготовления, способу изображения чисел, способу запоминания информации, по кратности считывания. Методы размещения информации (адресная и безадресная).
По окончанию курса студент будет иметь представление: Общие сведения о триггере как простейшем конечном цифровом автомате. Назначение триггеров и их применение в аппаратуре железнодорожной автоматики и телемеханики. Типы триггеров. Классификация триггеров по способу записи и управления информацией, организации логических связей. Методика определения состояния триггеров. Основные параметры
По окончанию курса студент будет иметь представление: Общие сведения о цифровых интегральных микросхемах (ЦИМС) и область их применения. Классификация серий ЦИМС по функциональному назначению, физическому принципу работы активных элементов (схемотехническое решение), электрическим и эксплуатационным параметрам, выполняемым функциям, классам (типам). Общая характеристика последовательных и комбинационных цифровых логических устройств на основе ЦИМС.
По окончанию курса студент будет иметь представление: Основные определения и понятия о микропроцессорах как примерах цифрового автомата. Назначение, классификация и типовая структура микропроцессора. Два подхода к построению процессоров: принципы схемной логики и программируемой логики. Способы организации управления вычислительным процессом. Классификация микропроцессорных средств.
По окончанию курса студент будет иметь представление: Форматы представления и передачи информации для цифровых устройств. Понятие бита, байта, машинного слова. Математический и машинный способы записи двоичных чисел. Формы представления чисел с фиксированной и плавающей запятой. Понятие о разрядной сетке. Представление положительных и отрицательных двоичных чисел в прямом, обратном, дополнительном и модифицированном кодах со знаковым и без знакового разряда
По окончанию курса студент будет иметь уметь: - настраивать периферийные устройства микроконтроллеров;

Содержание учебной дисциплины

Математические основы цифровой электроники
Базовые логические элементы
Изучение микроконтроллера на ядре AVR 8 бит
Цифровые комбинационные устройства
Универсальные математические блоки, цифровые операционные устройства, цифровые управляющие устройства
Полупроводниковые запоминающие устройства
Последовательные цифровые устройства
Основные способы организации архитектуры ЭВМ.

Элементы контроля

Экзамен
Лабораторные работы
Индивидуальные и/или домашние задания
Практические работы

Промежуточная аттестация

2021/2022 учебный год 2 модуль
0.2 * Лабораторные работы + 0.2 * Практические работы + 0.1 * Индивидуальные и/или домашние задания + 0.5 * Экзамен

Список литературы

Авторы

Мещеряков Ярослав Евгеньевич

Программа дисциплины