Podstawy techniki cyfrowej

103000 - Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych

POCY

1

Celem przedmiotu jest zapoznanie studentów z podstawami działania cyfrowych układów kombinacyjnych i sekwencyjnych oraz z metodami ich projektowania

i realizacji. W ramach zajęć laboratoryjnych studenci nabywają praktycznych umiejętności projektowania i symulacji prostych bloków kombinacyjnych i sekwencyjnych oraz automatów sterujących.

Opis wykładu:

1. Wprowadzenie do cyfrowego przetwarzania informacji. (2 godz.) Abstrakcja cyfrowa, dyskretyzacja i kwantyzacja sygnałów. Układy cyfrowe. Systemy liczbowe, kody binarne (NKB, kod Graya, kod BCD), reprezentacja liczb całkowitych ze znakiem (znak-moduł, kody U1, U2) i liczb stałoprzecinkowych. Bity i bajty.
2. Kombinacyjne układy cyfrowe. (2 godz.) Rodzaje układów cyfrowych: kombinacyjne i sekwencyjne. Podstawowe funktory logiczne (bramki logiczne AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR) – funkcje i symbole, podstawy konstrukcji, Podstawowe parametry bramek logicznych – poziomy logiczne, napięcie zasilania, moc statyczna i dynamiczna, czas propagacji.
3. Algebra Boole’a i funkcje boolowskie. (4 godz.) Funkcja boolowska jako model układu kombinacyjnego. Specyfikacja i reprezentacje funkcji boolowskich - tablica prawdy, zbiory włączenia, wyłączenia i nieokreśloności, wyrażenie logiczne, binarne diagramy decyzyjne. Idea modelu w języku opisu sprzętu HDL (bez szczegółów językowych, interfejs, model działania i struktury). Prawa i własności algebry Boole’a. Upraszczanie wyrażeń logicznych. Podstawy minimalizacji funkcji boolowskich (postać minimalna, implikanty) na przykładzie metody tablic Karnaugha.
4. Struktury układów kombinacyjnych. (2 godz.) Struktury bramkowe dwupoziomowe i wielopoziomowe. Kombinacyjne bloki funkcjonalne (multipleksery, demultipleksery, kodery, dekodery) i ich zastosowania. Układy z pamięciami. Układy programowalne.
5. Układy sekwencyjne. (2 godz.) Wyjaśnienie podstawowych pojęć: układ sekwencyjny, automat skończony. Rodzaje układów sekwencyjnych: synchroniczne i asynchroniczne. Automaty Moore’a i Mealy’ego – porównanie, przykłady, przebiegi czasowe. Elementy pamiętające – przerzutniki i zatrzaski.
6. Automaty synchroniczne. (5 godz.) Zasady projektowania i realizacji automatów synchronicznych Moore’a i Mealy’ego. Równoważność i zgodność stanów automatu. Redukcja stanów automatu. Kodowanie stanów. Funkcje wzbudzeń przerzutników. Rejestry i liczniki.
7. Arytmetyczne bloki funkcjonalne. (2 godz.) Specyfikacja bloku funkcjonalnego. Operacje dodawania i odejmowania na liczbach całkowitych (reprezentacja znakmoduł i U2). Sumatory, komparatory. Prosty blok arytmetyczno-logiczny ALU.
8. Złożone układy cyfrowe. (2 godz.) Układ sterujący i układ wykonawczy (moduł ścieżki danych). Przykładowy projekt złożonego układu cyfrowego.
9. Synteza logiczna układów cyfrowych. (3 godz.) Wyjaśnienie podstawowych pojęć. Rola i znaczenie syntezy logicznej. Przegląd metod syntezy układów kombinacyjnych i sekwencyjnych.
10. Układy asynchroniczne. (2 godz.) Asynchroniczne automaty Moore’a i Mealy’ego. Niekorzystne zjawiska: hazardy i wyścigi. Kodowanie stanów automatu.
11. Realizacje układów cyfrowych. (2 godz.) Układy ASIC, układy rekonfigurowalne (FPLD, FPGA), mikroprocesory, zintegrowane systemy cyfrowe (System on Board, System on Chip) – wprowadzenie, przegląd i powiązania z innymi przedmiotami. Sprawdziany wykładowe. (2 godz.) Dwa sprawdziany po 1h.

Laboratorium:

Laboratorium obejmuje 5 ćwiczeń 3-godzinnych. Zajęcia laboratoryjne polegają na projektowaniu układów kombinacyjnych i sekwencyjnych na poziomie logicznym oraz symulacji ich działania z wykorzystaniem symulatora logicznego. Wybrane

ćwiczenia będą realizowane z wykorzystaniem układów programowalnych.

1. Układy kombinacyjne – specyfikacja i minimalizacja funkcji boolowskich, projekt i symulacja schematu logicznego.
2. Automat synchroniczny – projekt prostego automatu na podstawie specyfikacji, minimalizacja i realizacja, badanie przebiegów czasowych.
3. Sekwencyjne bloki funkcjonalne – projekt licznika lub rejestru o zadanych parametrach, realizacja przy użyciu różnych typów przerzutników.
4. Układy arytmetyczne – realizacja podstawowych bloków arytmetycznych, operacje arytmetyczne na liczbach w kodzie U2.
5. Złożony układ cyfrowy – realizacja układu sterującego i układu wykonawczego z wykorzystaniem bloków funkcjonalnych kombinacyjnych i sekwencyjnych.

1. T. Łuba, G. Borowik: Synteza logiczna, OWPW, 2015
2. T. Łuba: Synteza układów logicznych. OWPW, 2005
3. C. Zieliński, Podstawy projektowania układów cyfrowych. PWN, Warszawa 2003.
4. T. Łuba, D. Ojrzeńska-Wójter: Układy logiczne w zadaniach, OWPW, 2011
5. D. Harris, S. Harris, Digital Design and Computer Architecture, 2013, 2016

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki