Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Теория цифровых автоматов

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 695310.01.99
Доступ онлайн
190 ₽
В корзину
Работа «Теория цифровых автоматов» содержит учебно-методический комплекс, подробный лекционный материал, практические задания и методические рекомендации для выполнения индивидуального творческого проекта. Выполнение всех видов заданий наглядно проиллюстрировано конкретными примерами и образцами работ. Пособие содержит два учебных раздела и охватывает все виды занятий, предусмотренные учебным планом подготовки инженеров по специальности 09.05.01 «Применение и эксплуатация автоматизированных систем специального назначения». В качестве теоретического материала рассмотрены темы: арифметические и логические основы цифровых автоматов (ЦА), абстрактный и структурный синтез ЦА, структура цифровых вычислительных устройств, понятия операционных и управляющих автоматов.
Теория цифровых автоматов: Учебное пособие - Ростов-на-Дону:Издательство ЮФУ, 2015. - 147 с.: ISBN 978-5-9275-1856-2. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/989754 (дата обращения: 17.07.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

В.Ф. Гузик, В.Н. Пуховский, Е.Р. Мунтян, О.А. Мунтян

ТЕОРИЯ ЦИФРОВЫХ АВТОМАТОВ

Учебное пособие

Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2015

УДК 681.3 (075)

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Южного федерального университета
(протокол №3 от 23 ноября 2015 г.)

Рецензенты:

доктор 
технических 
наук, 
профессор 
кафедры 
информатики 

Таганрогского института имени А.П. Чехова РГЭУ (РИНХ) Витиска Н.И.;

кандидат технических наук, доцент кафедры МОП ЭВМ ИТА ЮФУ 

ХашковскийВ.В.

Гузик В.Ф., Пуховский В.Н., Мунтян Е.Р., Мунтян О.А.
Теория цифровых автоматов: учебное пособие. – Таганрог: Изд-во ЮФУ, 

2015. – 147 с.

ISBN 978-5-9275-1856-2

Работа «Теория цифровых автоматов» содержит учебно-методический 

комплекс, подробный лекционный материал, практические задания и 
методические рекомендации для выполнения индивидуального творческого 
проекта. Выполнение всех видов заданий наглядно проиллюстрировано 
конкретными примерами и образцами работ. Пособие содержит два учебных 
раздела и охватывает все виды занятий, предусмотренные учебным планом 
подготовки инженеров по специальности 09.05.01 «Применение и эксплуатация 
автоматизированных систем специального назначения». 

В качестве теоретического материала рассмотрены темы: арифметические 

и логические основы цифровых автоматов (ЦА), абстрактный и структурный 
синтез ЦА, структура цифровых вычислительных устройств, понятия 
операционных и управляющих автоматов. 

Табл. 4. Ил. 35. Библиогр.: 14 назв.

ISBN 978-5-9275-1856-2
 ЮФУ, 2015
 В.Ф. Гузик, В.Н. Пуховский, 2015
 Е.Р. Мунтян, О.А. Мунтян, 2015 

В

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................... 6

1.
СОДЕРЖАНИЕ И СТРУКТУРА МОДУЛЯ............................... 9

1.1. Цели и задачи освоения модуля «Теория цифровых 

автоматов» ................................................................................................... 9

1.2. Место модуля в структуре ООП ВПО ................................... 9

1.3. Требования к результатам освоения содержания модуля.. 10

1.4. Содержание 
разделов 
модуля 
«Теория 
цифровых 

автоматов» ................................................................................................. 12

1.5. Структура модуля «Теория цифровых автоматов» ............ 13

1.6. Организация занятий для студентов .................................... 13

2.
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ. РАЗДЕЛ 1. СИНТЕЗ ЦИФРОВЫХ 

АВТОМАТОВ. УПРАВЛЯЮЩИЕ АВТОМАТЫ.................................... 16

2.1. План лекций раздела 1........................................................... 16

2.2. Понятие цифрового автомата................................................ 18

2.3. Абстрактный синтез автоматов ............................................ 20

2.4. Структура цифрового автомата ............................................ 27

2.5. Структурный синтез автоматов МУРА................................ 30

2.6. Синтез цифровых автоматов МИЛИ.................................... 37

2.7. Структура цифрового вычислителя ..................................... 43

2.8. Понятия микрооперации, микрокоманды, микропрограммы

.................................................................................................. 45

2.9. Управляющие автоматы ........................................................ 46

3.
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ. РАЗДЕЛ 2. АРИФМЕТИЧЕСКИЕ 

ОСНОВЫ ЦИФРОВЫХ АВТОМАТОВ.................................................... 58

3.1. План лекций раздела 2........................................................... 58

3.2. Представление двоичных чисел в форме с фиксированной 

запятой
.................................................................................................. 60

3.3. Кодирование отрицательных чисел в ЭВМ......................... 61

3.4. Сложение и вычитание двоичных чисел, представленных в 

форме с фиксированной запятой............................................................. 63

3.5. Алгоритм умножения двоичных чисел в прямых кодах в 

форме с фиксированной запятой............................................................. 69

3.6. Алгоритм умножения двоичных чисел в дополнительных 

кодах в форме с фиксированной запятой............................................... 74

3.7. Алгоритм умножения двоичных чисел с фиксированной 

запятой в обратных кодах ........................................................................ 76

3.8. Алгоритмы деления двоичных чисел с фиксированной 

запятой
.................................................................................................. 81

3.9. Выполнение арифметических операций над числами с 

плавающей запятой.................................................................................103

4.
ПРАКТИКУМ 
МОДУЛЯ 
«ТЕОРИЯ 
ЦИФРОВЫХ 

АВТОМАТОВ»...........................................................................................115

4.1. План практических занятий ................................................115

4.2. Примеры практических заданий.........................................117

5.
ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ТВОРЧЕСКИЙ ПРОЕКТ .................121

5.1. Цели и задачи творческого проекта ...................................121

5.2. Техническое задание на творческий проект......................122

5.3. Образец выполнения проектного задания.........................124

6.
ТВОРЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ........................................................135

6.1. Цель и задачи выполнения творческого задания..............135

6.2. Техническое задание на творческое задание.....................135

6.3. Пример выполнения творческого задания ........................137

7.
ТЕКУЩИЙ И РУБЕЖНЫЙ КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ..............139

7.1. Организация текущего контроля знаний ...........................139

7.2. Формы рубежного контроля ...............................................139

7.3. Перечень контрольных вопросов по модулю «Теория 

цифровых автоматов».............................................................................140

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................144

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ...........................145

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................................................146

ВВЕДЕНИЕ

Одной из составляющих современных технологий являются 

высокопроизводительные технические информационно-вычислительные 
средства. Теоретической основой построения таких информационновычислительных средств является теория цифровых автоматов. 

Модуль «Теория цифровых автоматов» (ТЦА) структурно входит в 

состав дисциплины «Схемотехника ЭВМ и систем». В соответствии с 
рабочим учебным планом подготовки инженеров по специальности 
09.05.01 «Применение и эксплуатация автоматизированных систем 
специального назначения» дисциплина «Схемотехника ЭВМ и систем» 
читается студентам очной формы обучения в шестом семестре. 

Модуль «Теория цифровых автоматов» является одним из базовых 

разделов
схемотехнического 
цикла 
подготовки 
студентов 
по 

специальности 
09.05.01. 
Особое 
внимание 
уделяется 
созданию 

эффективного математического обеспечения проектирования автоматов 
на всех этапах их разработки: алгоритмическом, абстрактном, этапе 
кодирования, структурном и этапе моделирования.

По утверждению академика В. М. Глушкова, одного из основателей 

теории автоматов в нашей стране, любой алгоритм, понимаемый в 
интуитивном смысле, может быть реализован в виде композиции пары 
автоматов: операционного и управляющего. Поэтому проектирование 
сложной 
информационно-вычислительной 
системы 
целесообразно 

рассматривать как композицию пар автоматов, каждая из которых состоит 
из операционного автомата (ОА) и управляющего автомата (УА). 

При проектировании ЭВМ можно выделить три основных этапа: 

системный, логический и технический. 

На этапе системного проектирования строится общая структурная 

схема ЭВМ (ОА и УА), определяются необходимый объём памяти 
автоматов, взаимодействие автоматов и т. д. Исходная информация на 
системном этапе: совокупность классов задач, для решения которых 
предназначена проектируемая машина, и её параметры (быстродействие, 
стоимость, габаритные размеры и т. д.) [1]. В настоящее время задачи 
системного этапа решаются с помощью программного моделирования, 

позволяющего определить основные характеристики проектируемой 
машины, «узкие места» её структуры. 

На 
этапе 
логического 
проектирования 
ЭВМ 
синтезируются 

непосредственно логические (функциональные) схемы всех блоков 
машины. Исходной информацией для этого этапа являются алгоритмы 
функционирования блоков. 

Логическое проектирование заключается в синтезе операционных и 

управляющих автоматов. Операционные автоматы в настоящее время 
синтезируются 
с 
помощью 
программного 
моделирования. 
Для 

формализации синтеза управляющих автоматов возможно применение 
теории конечных автоматов. Согласно этой теории при проектировании 
управляющих автоматов различают следующие этапы: алгоритмический, 
абстрактный, включающий минимизацию памяти автомата и его 
декомпозицию; кодирование символов; построение выходных функций и 
функций возбуждения элементов памяти; структурное проектирование; 
моделирование. 

На этапе технического проектирования на основе логических схем 

строятся принципиальные схемы, и готовится техническая документация 
для производства ЭВМ. 

Структурно учебное пособие содержит следующие разделы: 

структура 
и 
содержание 
модуля; 
конспект 
лекций; 
практикум; 

методические 
рекомендации 
для 
выполнения 
индивидуального 

творческого проекта; оценочные средства для контроля успеваемости.
Пособие охватывает все виды занятий в рамках модуля ТЦА дисциплины 
«Схемотехника ЭВМ и систем», предусмотренные учебным планом 
подготовки инженеров по специальности 09.05.01 «Применение и 
эксплуатация автоматизированных систем специального назначения».

Пособие содержит два учебных раздела. Первый раздел посвящен 

абстрактному и структурному синтезу цифровых автоматов (ЦА) и 
способам построения управляющих автоматов.
Второй раздел 
–

«Арифметические основы цифровых автоматов». 

Для успешного усвоения теоретических положений в данном 

учебном пособии представлен конспект лекций по модулю ТЦА. В 
качестве теоретического материала рассмотрены темы: арифметические и 

логические 
основы 
цифровых 
автоматов 
(ЦА), 
абстрактный 
и 

структурный синтез ЦА, структура цифровых вычислительных устройств, 
понятия операционных и управляющих автоматов. 

С 
целью 
приобретения 
навыков 
проектирования 
цифровых 

устройств в рамках данного модуля предполагается выполнение 
практических заданий, описанных в учебном пособии в разделе 
«Практикум». 

Для закрепления практических навыков материала раздела «Синтез 

цифровых автоматов с памятью» предусмотрены индивидуальные задания 
в рамках самостоятельной работы студентов.
В пособии отдельно

рассмотрены вопросы посвященные работе над индивидуальными 
творческими проектами, даны методические рекомендации по их 
выполнению, приведены образцы выполнения проектов и результаты 
моделирования в САПР Quartus.

1. СОДЕРЖАНИЕ И СТРУКТУРА МОДУЛЯ

1.1. Цели и задачи освоения модуля «Теория цифровых автоматов»

Целью модуля «Теория цифровых автоматов» (ТЦА) является 

изучение студентом способов представления информации в цифровых 
автоматах, методы выполнения арифметических и логических операций в 
них, методы логического описания и основанные на них методы 
логического проектирования цифровых автоматов. Уделяется внимание 
абстрактной теории автоматов, понятиям: дискретное время и такты, 
конечные автоматы Мили и Мура, формальные языки и графы, иерархия 
языков описания вычислительных устройств, язык микроопераций. 

К задачам модуля ТЦА можно отнести:
ознакомление 
студентов 
с 
основными 
направлениями
и 

тенденциями развития цифровых автоматов;

- вооружить студентов знаниями методов синтеза и оптимизации 

комбинационных схем и цифровых автоматов с памятью;

- научить студентов  абстрактному синтезу цифрового автомата по 

словесному алгоритму его работы; 

- привить студентам умения и практические  навыки выполнения в 

цифровых 
автоматах 
арифметических 
операций 
над 
числами 
с 

фиксированной и плавающей запятой и логических операций;

научить студентов структурному синтезу комбинационных 

устройств и реализации алгоритмов структурного синтеза автоматов с 
памятью;

- привить студентам умения и практические  навыки контроля 

работы цифрового автомата.

1.2. Место модуля в структуре ООП ВПО

Учебный
модуль
«Теория цифровых автоматов»
относится к 

дисциплине «Схемотехника ЭВМ и систем».

Для освоения данного модуля учебной дисциплины необходимы

знания, умения и навыки, полученные студентами при изучении 
дисциплин: 

«Информатика» 
(представление 
числовой 
информации 
в 

цифровых автоматах, представление о выполнении
арифметических 

операций в ЭВМ);

- «Дискретная математика» (способы задания и минимизации 

комбинационных схем);

- «Электротехника, электроника и схемотехника» (понятия узлов 

ЭВМ: триггеры, регистры, дешифраторы, мультиплексоры).

Перечень 
последующих 
учебных 
дисциплин, 
для 
которых 

необходимы знания, умения и навыки, формируемые данным модулем:

- Курсовой проект «Схемотехника ЭВМ» (алгоритмы выполнения 

арифметических операций в ЭВМ с плавающей запятой);

«Микропроцессорные
и микроконтроллерные
системы
в 

радиотехнике»
(синтез 
алгоритмов 
выполнения 
арифметических 

операций в ЭВМ, структурный синтез цифровых автоматов).

1.3. Требования к результатам освоения содержания модуля

Процесс изучения модуля направлен на формирование элементов 

следующих компетенций в соответствии с ФГОС ВПО и ООП ВПО по 
специальности 09.05.01:

а) общепрофессиональных (ОПК): 
- использовать основные законы естественно-научных дисциплин в 

профессиональной деятельности, применять методы математического 
анализа 
и 
моделирования, 
теоретического 
и 
экспериментального 

исследования (ОПК-3);

применять современное измерительное, диагностическое и 

технологическое оборудование, используемое для решения различных 
научно-технических задач в области профессиональной деятельности 
(ОПК-10);

б) профессиональных (ПК): 
- обосновывать технические условия и задания на проектирование 

аппаратного, 
программного 
и 
информационного 
обеспечения 

автоматизированных систем специального назначения (ПК-16);

- разрабатывать и выбирать проектные решения, наиболее полно 

отвечающие предназначению объекта и технологии производства (ПК-17).

В результате освоения модуля ТЦА обучающийся должен:
знать:
методы и средства анализа и разработки математического 

обеспечения цифровых автоматов;

- методы анализа и исследования вычислительных процессов, 

связанных с функционированием цифровых автоматов и их компонентов;

- методы и формы организации процесса разработки цифровых 

автоматов, управляющих автоматов;

уметь:
- использовать методы анализа и синтеза, цифровых автоматов и 

управляющих автоматов;

владеть:
- методами и средствами разработки математического обеспечения 

вычислительных систем;

методами и средствами анализа, синтеза и оптимизации 

компонентов объектов профессиональной деятельности (комбинационных 
устройств и автоматов с памятью);

современными 
информационными 
технологиями 
и 

инструментальными средствами для решения задач проектирования и 
анализа цифровых автоматов.

1.4. Содержание разделов модуля «Теория цифровых автоматов»

№
Наименование 

раздела
Содержание раздела

Форма 

текущего 
контроля

1
2
3
4

1
«Абстрактный и 
структурный 
синтез 
цифровых 
автоматов. 
Управляющие 
автоматы» 

1. 
Общие 
понятия 
теории 

цифровых 
автоматов. 
Способы 

задания 
автоматов 
с 
памятью. 

Модели автоматов Мура и Мили. 
2. Абстрактный и структурный 
синтез 
автоматов. 
Граф-схема 

алгоритма
(ГСА). 
Процедура 

построения ГСА по словесному 
описанию. 
3. 
Операционный 
и 
микро
программный автоматы. Понятия 
микрокоманды и микропрограммы. 
4. Понятие, назначение и виды 
управляющих автоматов

Выполнение 
индивидуального
творческого 
проекта.
Рубежная
контрольная 
работа
с 

последующим 
разбором 
типовых 
ошибок. 

2
«Арифметические основы 
цифровых 
автоматов»

1. Представления чисел в форме с 
фиксированной 
и 
плавающей 

запятой. 
2. Структурная схема процессора с 
фиксированной 
запятой. 

Особенности 
микропрограммирования 
для 

алгоритмов 
выполнения 

арифметических 
операций 
с 

фиксированной запятой.
3. 
Отличительные 
особенности 

структурной схемы процессора с 
плавающей запятой. Особенности 
микропрограммирования 
при 

выполнении 
алгоритмов 

арифметических 
операций 

процессора с плавающей запятой. 
Условия 
и 
процедура 

нормализации данных

1.5. Структура модуля «Теория цифровых автоматов»

Общая трудоемкость модуля составляет 2 зачетных единицы (ЗЕТ)

или 72 часа. 

Вид работы
Трудоемкость, 

часов

Общая трудоемкость
72/2 ЗЕТ

Аудиторная работа:
36

- лекции (Л)
18

- практические занятия (ПЗ)
18

Самостоятельная работа:
36

- индивидуальное проектное задание (И)
18

самоподготовка 
(проработка 
и 
повторение 

лекционного материала и материала учебников и 
учебных пособий, подготовка к практическим 
занятиям, рубежному контролю и т.д.)

18

1.6. Организация занятий для студентов 

Действующим Федеральным Государственным образовательным 

стандартом по специальности 09.05.01 предусмотрено обучение студентов 
очной формы обучения. Рассмотрим распределение занятий по разделам 
модуля.

1.6.1. Разделы модуля ТЦА

№

раздела
Наименование раздела

Количество часов

Всего

Аудиторная работа

СРС

Лекции
Практические 

занятия

1

Абстрактный и структурный 
синтез цифровых автоматов. 
Управляющие автоматы 

42
10
14
18

2
Арифметические основы
цифровых автоматов
30
8
4
18

Итого:
72
18
18
36

Доступ онлайн
190 ₽
В корзину