Проектирование цифровых устройств

А.В. КИСТРИН, Б.В. КОСТРОВ,
М.Б. НИКИФОРОВ, Д.И. УСТЮКОВ

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

УЧЕБНИК

Москва
КУРС
ИНФРА-М
2022

ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ЦИФРОВЫХ
УСТРОЙСТВ

Рекомендовано 
Экспертным советом при ГБОУ УМЦ ПО ДОгМ 
для использования в образовательном процессе 
профессиональных образовательных организаций 
города Москвы в качестве учебника по специальности 
2.09.02.01 «Компьютерные системы и комплексы» 
по профессиональному модулю «Проектирование
цифровых устройств»

УДК 621.398(075.8)
ББК 3973.2-047-02я73
 
К44

Кистрин А.В., Костров Б.В., Никифоров М.Б., Устюков Д.И.
Проектирование цифровых устройств: учебник / А.В. Кистрин, Б.В. Костров, М.Б. Никифоров, Д.И. Устюков. — Москва: 
КУРС: ИНФРА-М, 2022. — 352 с. — (Среднее профессиональное образование).

ISBN 978-5-906818-59-1 (КУРС)
ISBN 978-5-16-011833-8 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104714-9 (ИНФРА-М, online)
Изложены основные принципы построения и проектирования цифровых устройств ЭВМ на основе интегральных схем разной степени интеграции, включая микроконтроллеры и ПЛИС. Рассмотрены вопросы анализа 
и синтеза основных узлов ЭВМ: шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры, регистры, счетчики, АЛУ и др. Изложена методика описания аппаратуры на языке Verilog. Приведено описание структуры микроконтроллеров семейства ARM CORTEX M3 на примере изделий, 
выпускаемых российской фирмой «Миландр». Представлен набор команд 
языка Assembler для этого семейства микроконтроллеров. Рассмотрены два 
способа написания программ для микроконтроллеров: с использованием 
языка Assembler и с использованием языка C в среде разработки Keil μVision. 
Приведены сведения о САПР разного уровня. Приведены правила оформления конструкторской и программной документации. Изложены подходы 
к оценке надежности, методы контроля и ремонта цифровых устройств. 
Представлена продукция основных производителей отечественной микроэлектронной промышленности.
Учебник подготовлен для студентов учреждений среднего профессионального образования по специальности 2.09.02.01 «Компьютерные системы и комплексы» по профессиональному модулю «Проектирование цифровых устройств».

УДК 621.398(075.8)
ББК 3973.2-047-02я73

Р е ц е н з е н т ы:
В.Н. Ланцов — д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой 
«Вычислительная техника» Владимирского государственного университета имени А.Г. и Н.Г. Столетовых;
В.Н. Ручкин — д-р техн. наук, профессор кафедры «Информатика 
и вычислительная техника» Рязанского государственного университета 
им. С.А. Есенина, Почетный работник Высшего профессионального 
образования РФ.

К44

©  Кистрин А.В., Костров Б.В., 
Никифоров М.Б., Устюков Д.И., 
2016
© КУРС, 2016

ISBN 978-5-906818-59-1 (КУРС)
ISBN 978-5-16-011833-8 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104714-9 (ИНФРА-М, online)

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

ВВедение

Современное производство радиоэлектронной аппаратуры, в том 

числе и цифровых устройств, —  это сложный комплекс взаимно связанных процессов. Все этапы жизненного цикла радиоэлектронных 
изделий, начиная с разработки технического задания и кончая серийным производством, эксплуатацией, обслуживанием, ремонтом 
и утилизацией, должны соответствовать требованиям государственных стандартов. Особое значение имеет автоматизация всех 
процессов разработки и производства изделий. Внедрение систем 
автоматизированного проектирования схем, печатных плат, конструкций модулей приводит к значительному сокращению сроков 
разработки и улучшению характеристик аппаратуры. Автоматизация 
основных этапов производства обеспечивает сокращение себестоимости, повышение надежности и ремонтопригодности изделий. Без 
использования средств автоматизации немыслимо современное производство цифровых устройств.

Цифровые вычислительные устройства применяются во всех сфе
рах деятельности человека. Преимущества цифрового представления 
данных очевидны. Цифровые устройства обеспечивают необходимую 
точность представления данных, определяемую в основном числом 
разрядов цифрового устройства. Время, необходимое для обработки 
цифровых данных, определяется вычислительной сложностью алгоритма и тактовой частотой работы элементов. Несомненными достоинствами цифровых устройств являются высокая надежность, технологичность и ремонтопригодность.

Для построения цифровых устройств в настоящее время исполь
зуют интегральные схемы различной степени интеграции. Наиболее 
широкие функциональные возможности обеспечивает применение 
программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). В этом 
случае обеспечиваются сокращение сроков и стоимости разработки, 
а также высокая компактность и надежность разрабатываемых 
систем.

Проектирование устройств на программируемых логических ин
тегральных схемах выполняется с использованием систем автоматизированного проектирования (САПР). Процесс работы над проектом 
в современных САПР содержит несколько этапов. Это ввод проекта, 
компиляция, моделирование, программирование ПЛИС. Результатом работы является файл конфигурации, содержащий массив кодов 

для записи в ПЛИС. Запись файла конфигурации в ПЛИС позволяет 
получить аппаратную реализацию разработанного устройства. Современные ПЛИС допускают многократное изменение конфигурации, что особенно важно при разработке сложных систем, где первоначально возможны ошибки и требуется коррекция проекта.

Изучение цифровых устройств будет проводиться в основном 

применительно к их реализации в ПЛИС. Основное внимание будет 
уделяться принципам построения и методам проектирования схем, 
составлению их описаний для ввода в САПР, а также физике их работы и тестирования. В процессе изучения материала рекомендуется 
выполнять лабораторные работы, основанные на использовании 
САПР MAX+plus II (Multiple Array Matrix Programmable Logic User) 
фирмы Altera, в которых выполняется моделирование устройств, позволяющее определить параметры, исследовать работу в различных 
режимах. Выполнение работ позволит более полно изучить материал, 
а также освоить использование САПР для проектирования устройств 
на основе ПЛИС.

В учебнике также рассмотрены современные отечественные мик
росхемы, в частности микроконтроллеры, что особенно важно при 
решении задачи импортозамещения. При описании микропроцессорных систем акцент сделан на 32-разрядные микроконтроллеры 
на базе процессорного ядра ARM Cortex-M3 фирмы «Миландр» 
(г. Зеленоград).

Содержание учебника составлено в соответствии с Федеральным 

государственным образовательным стандартом среднего профессионального образования по специальности 09.02.01 (230113) «Компьютерные системы и комплексы», входящей в укрупненную группу 
специальностей 09.00.00 «Информатика и вычислительная техника» 
(приказ Минобрнауки РФ от 28.07.2014 № 849).

Изложенный материал может быть полезен и студентам вузов, 

обучающимся по схожим специальностям, а также специалистам, 
работающим на предприятиях соответствующего профиля.

Раздел I  

ПРоектиРоВание 
и ПРоизВодстВо 

цифРоВых устРойстВ

Глава 1 

документальное соПРоВождение 

РазРаботки и ПРоизВодстВа  

цифРоВых устРойстВ

Проектирование и производство радиоэлектронной аппаратуры 

(РЭА) обязательно сопровождаются выпуском технической документации. Правила ее оформления сформулированы в государственных 
стандартах (ГОСТ).

Единая система конструкторской документации (ЕСКД) —  это 

комплекс государственных стандартов, устанавливающих взаимосвязанные нормы и правила по разработке, оформлению и обращению конструкторской документации, создаваемой и применяемой 
на всех стадиях жизненного цикла изделия (при проектировании, 
разработке, изготовлении, контроле, приемке, эксплуатации, ремонте, утилизации). Соблюдение стандартов обеспечивает:

1) возможность взаимообмена конструкторской документацией 

без ее переоформления;

2) оптимальную комплектность конструкторской документации;
3) механизацию и автоматизацию обработки конструкторских 

документов и содержащейся в них информации;

4) высокое качество изделий;
5) наличие в конструкторской документации требований, обес
печивающих безопасность использования изделий для жизни и здоровья потребителей, окружающей среды, а также предотвращение 
причинения вреда имуществу;

6) возможность расширения, унификации и стандартизации при 

проектировании изделий и разработке конструкторской документации;

7) возможность проведения сертификации изделий;

8) сокращение сроков и снижение трудоемкости подготовки про
изводства;

9) правильную эксплуатацию изделий;
10) оперативную подготовку документации для быстрой перена
ладки действующего производства;

11) упрощение форм конструкторских документов и графических 

изображений;

12) возможность создания единой информационной базы авто
матизированных систем (САПР, АСУП и др.);

13) гармонизацию с соответствующими международными стан
дартами;

14) возможность информационного обеспечения поддержки жиз
ненного цикла изделия.

Если в состав цифрового устройства входят узлы, имеющие про
граммное обеспечение (микропроцессоры, микроконтроллеры), 
то кроме конструкторской необходимо оформить и программную 
документацию. Правила ее оформления представлены в Единой системе программной документации (ЕСПД).

1.1. конструкторские документы

К конструкторским документам (КД) относят графические и тек
стовые документы, которые определяют состав и устройство изделия 
и содержат необходимые данные для его разработки, изготовления, 
контроля, приемки, эксплуатации, ремонта и утилизации.

К графическим документам относятся: чертежи (детали, сбороч
ный, общего вида, габаритный, электромонтажный, монтажный, 
упаковочный), схемы, электронные модели деталей и сборочных 
единиц, электронная структура изделия.

К текстовым документам относятся: пояснительная записка; тех
нические условия; программа и методика испытаний; таблицы; расчеты; эксплуатационные документы; ремонтные документы; инструкции; перечень элементов; спецификация; ведомости спецификаций, ссылочных документов, покупных изделий, разрешения 
применения покупных изделий; перечень держателей подлинников; 
техническое предложение; эскизный проект; технический проект; 
электронные документы.

КД в зависимости от стадии разработки подразделяются на про
ектные (техническое предложение, эскизный проект и технический 
проект) и рабочие (КД опытного образца и КД серийного производства).

В зависимости от способа выполнения и характера использования 

различают следующие наименования КД:

 
• оригиналы (документы, предназначенные для изготовления 

по ним подлинников);

 
• подлинники (документы, оформленные подлинными установлен
ными подписями и выполненные на любом материале, позволяющем многократное воспроизведение с них копий. Допускается 
в качестве подлинника использовать оригинал, копию или экземпляр документа, изданного типографским способом, завизированные подлинными подписями);

 
• дубликаты (копии подлинников, обеспечивающие идентичность 

воспроизведения подлинника, выполненные на любом материале, позволяющем снятие с них копий);

 
• копии (документы, выполненные способом, обеспечивающим их 

идентичность с подлинником (дубликатом) и предназначенные 
для непосредственного использования при разработке, в производстве, эксплуатации и ремонте изделий).

1.2. Последовательность проектирования  

цифровых устройств

Последовательность проектирования устройств строго регламен
тирована и состоит из нескольких стадий, завершающихся выпуском 
соответствующих КД:

 
• техническое предложение —  совокупность КД, которые должны 

содержать технические и технико-экономические обоснования 
целесообразности разработки документации изделия на основании анализа технического задания заказчика и различных вариантов возможных решений изделий, сравнительной оценки 
решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей разрабатываемого и существующих изделий и патентные 
исследования;

 
• эскизный проект —  совокупность КД, которые должны содержать 

принципиальные конструктивные решения, дающие общее представление об устройстве и принципе работы изделия, а также данные, определяющие назначение, основные параметры и габаритные размеры разрабатываемого изделия;

 
• технический проект —  совокупность КД, которые должны содер
жать окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве разрабатываемого изделия, и исходные 
данные для разработки рабочей документации;

• рабочая конструкторская документация опытного образца (опыт
ной партии) изделия, предназначенного для серийного (массового) или 
единичного производства: КД, предназначенная для изготовления 
и испытания опытного образца (партии). Изготовление и предварительные испытания опытного образца (партии). Корректировка конструкторской документации по результатам изготовления и предварительных испытаний опытного образца (партии). 
Приемочные испытания опытного образца (партии). Корректировка конструкторской документации по результатам приемочных испытаний опытного образца (партии);

 
• рабочая конструкторская документация серийного (массового) про
изводства: КД, предназначенная для изготовления и испытания 
установочной серии. Корректировка конструкторской документации по результатам изготовления и испытания установочной 
серии, а также оснащения технологического процесса изготовления изделия.

1.3. структура видов изделий

Изделием называется любой предмет или набор предметов, под
лежащих изготовлению на предприятии. Изделия в зависимости 
от их назначения делят на изделия основного производства, предназначенные для поставки (реализации), и на изделия вспомогательного производства, предназначенные только для собственных нужд 
предприятия, изготовляющего их. Структура видов изделий приведена на рис. 1.1.

Деталь —  это изделие, изготовленное из однородного материала, 

без применения сборочных операций, например: валик из одного 
куска металла, литой корпус; печатная плата; отрезок кабеля или 
провода заданной длины.

Сборочная единица —  это изделие, составные части которого под
лежат соединению между собой на предприятии-изготовителе сборочными операциями (свинчиванием, сочленением, клепкой, сваркой, пайкой, опрессовкой, развальцовкой, склеиванием, сшивкой, 
укладкой и т. п.), например: микромодуль, сварной корпус, комплект 
составных частей персонального компьютера — материнская плата, 
память, жесткий диск и т. д.

Комплекс —  это два и более изделия, не соединенных на предпри
ятии-изготовителе сборочными операциями, но предназначенных 
для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций. 
Каждое из этих изделий, входящих в комплекс, служит для выпол

нения одной или нескольких основных функций, установленных для 
всего комплекса, например: вычислительная система; автоматическая телефонная станция. В комплекс, кроме изделий, выполняющих основные функции, могут входить детали, сборочные единицы 
и комплекты, предназначенные для выполнения вспомогательных 
функций, например: детали и сборочные единицы, предназначенные 
для монтажа комплекса на месте его эксплуатации; комплекс запасных частей, укладочных средств, тары и др.

Комплект —  это два и более изделия, не соединенных на пред
приятии-изготовителе сборочными операциями и представляющих 
набор изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение 
вспомогательного характера, например: комплект запасных частей, 
комплект инструмента и принадлежностей, комплект измерительной аппаратуры, комплект упаковочной тары и т. п. К комплектам 
также относят изделия, предназначенные для выполнения вспомогательных функций при эксплуатации этих сборочных единиц или 
деталей, например: осциллограф в комплекте с укладочным ящиком, запасными частями, монтажным инструментом, сменными 
частями.

Изделия

Детали
Детали
Детали

Детали

Комплекты
Комплекты
Комплекты

Комплексы

Комплексы

Комплекты

Сборочные

единицы

Сборочные

единицы

Сборочные

единицы

Сборочные

единицы

рис. 1.1. Виды изделий

1.4. типовые испытания изделий  

и приемка продукции

Изготовленная продукция до ее отгрузки, передачи или продажи 

потребителю подлежит приемке с целью удостоверения ее годности 
для использования в соответствии с требованиями, установленными 
в стандартах и (или) технических условиях (ТУ), договорах, контрактах.

Для контроля качества и приемки продукции используются сред
ства измерений, которые также подвергают испытаниям.

Приемо-сдаточные испытания проводят с целью контроля соот
ветствия продукции требованиям стандартов, а также контрольному 
образцу для определения возможности приемки продукции. Испытания проводят с применением сплошного или выборочного контроля.

Периодические испытания проводят для периодического под
тверждения качества продукции и стабильности технологического 
процесса с целью подтверждения возможности продолжения изготовления продукции по действующей конструкторской и технологической документации.

Приемо-сдаточные и периодические испытания в совокупности 

должны обеспечивать достоверную проверку всех свойств выпускаемой продукции, на соответствие требованиям стандартов (механические, электрические, климатические, на надежность и др.). При 
этом могут быть использованы различные виды контроля (визуальный, измерительный и др.).

Результаты испытаний оформляют протоколом испытаний.
Приемка продукции —  процесс проверки соответствия продукции 

требованиям, установленным в стандартах, КД, ТУ, договоре на поставку, изготовленной для поставки заказчику или непосредственной 
продажи покупателю.

Задача испытаний заключается в подтверждении соответствия 

качества продукции установленным требованиям и в демонстрации 
этого соответствия потребителю. Увеличение объема испытаний повышает достоверность их результатов, но приводит к росту затрат 
на изготовление продукции. Однако при уменьшении объема и интенсивности испытаний уменьшается достоверность их результатов, 
что может привести к еще более значительному росту затрат изготовителя на исправление обнаруженных потребителем дефектов, замене дефектной продукции, компенсации причиненного потребителю ущерба, уплате штрафов, потере фирмой репутации и доверия