Изучение дискретных устройств

УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой АТ

д.т.н., профессор

 

__________А.А. Южаков

«___» __________ 2012 г.

 

Учебно-методический комплекс дисциплины

«Проектирование дискретных устройств»

основных образовательных программ подготовки по направлениям:

210700»Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

220400 «Управление в технических системах»

 

 

Методические указания

студентам заочной формы обучения

к выполнению индивидуального задания

по самостоятельному изучению теоретического материала

(ИТМ-1)

«Дискретные устройства и модели автоматов»

Пермь 2012

Настоящие методические указания должны способствовать эффективному выполнению студентами индивидуальной самостоятельной работы по изучению теоретического материала по теме «Дискретные устройства и модели автоматов (ИТМ-1), дисциплины «Проектирование дискретных устройств» направлений подготовки: 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 220400 «Управление в технических системах».

Методические указания разработаны на основании:

– рабочей программы дисциплины «Проектирование дискретных устройств», утвержденной 14 июня 2012 г;

– компетентностной модели (КМ) выпускника ООП по профилю подготовки 210700.04.62 Сети связи и системы коммутации, утвержденной 05 февраля 2011;

– компетентностной модели (КМ) выпускника ООП по профилю подготовки 220400.01.62 Управление и информатика в технических системах, утвержденной 05 февраля 2011;

 

 

Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры «Автоматика и телемеханика», протокол № 4 от 11 октября 2012 г.

 

Разработчик – д.т.н., профессор Матушкин Н.Н.

 

Рецензент – к.т.н., профессор Кон Е.Л.

 

Введение

Дискретное устройство представляет собой техническое устройство, предназначенное для преобразования по заданной программе входной информации, поступающей в виде дискретных сигналов, в выходную информацию. Дискретные устройства (ДУ) имеют перед устройствами непрерывного действия ряд важных преимуществ: быстродействие, помехоустойчивость, универсальность. Помимо перечисленных преимуществ дискретные устройства могут выполнять различные логические операции. Эти положительные качества ДУ позволяют широко использовать их в современных системах связи, контроля и управления.

В инженерной практике задачи по проектированию специализированных дискретных устройств возникают достаточно часто, что обусловлено повсеместным использованием типовых средств связи и автоматизации, требующих адаптации к конкретным условиям применения. Переходом к распределенным структурам организации информационно-управляющих систем, расширением функций локального управления.

Самостоятельное изучение теоретического материала (ИТМ-1) предусмотрено рабочей программой дисциплины «Проектирование дискретных устройств» в 4-м семестре рабочего учебного плана основной образовательной программы по направлениям подготовки 210700.62 и 220400.62. Общая трудоемкость выполнения самостоятельной работы ИТМ-1 составляет 6 АЧ.

 

Общие положения

На протяжении последних десятилетий в области полупроводниковых технологий справедливым остается закон Мура (Moore’s Law), согласно которому полупроводниковая техника развивается экспоненциально. При своем появлении интегральные схемы содержали в одном корпусе порядка десятка транзисторов. В настоящее время в результате экспоненциального роста плотности упаковки интегральные схемы содержат десятки миллионов транзисторов в одном кристалле. Чтобы соответствовать закону Мура радикально изменились методы проектирования. Сегодня схема дискретного устройства возникает в результате описания ее проектировщиком на языке высокого уровня. Вместе с тем, использование языков высокого уровня становится эффективным, если выстраивается на принципах цифровой электроники, не меняющихся с развитием технологии и основывающихся на изучении и применении моделей конечных автоматов. Именно благодаря освоению общих принципов обретенные навыки проектирования дискретных устройств остаются востребованными и с появлением новых технологий.

В рамках самостоятельного изучения темы «Дискретные устройства и модели автоматов» в соответствии с заданием планируется изучить основные свойства ДУ и принципы построения моделей конечных автоматов.

2. Цель выполнения работы заключается в освоении заданных основной образовательной программой компонентов дисциплинарных компетенций ОК-9-2-1з, ОК-10-2-1з – знать свойства, характеристики и функции ДУ как класса устройств систем связи, автоматики, управления; типы, свойства, особенности способы задания классических моделей конечных автоматов.

Для достижения указанной цели в процессе выполнения самостоятельной работы должны быть решены следующие задачи:

– изучение дискретных устройств, как класса устройств систем связи, автоматики и управления (свойства, характеристики, функции);

– изучение моделей конечных автоматов (типы моделей, особенности, свойства, применение).

Рассмотрим основные понятия, относящиеся к выполнению указанных задач.

Модель автомата с памятью

4.3.1. Модель автомата Мили [4, с. 159]

Модель А Мили представлена системой (3). Для А Мили характерно, что функция выходов есть функция двух аргументов, т.е. значение выходного символа определяется значениями входного символа и внутреннего состояния.

4.3.2. Модель автомата Мура [4, с. 160]

Модель А Мура также представлена системой (3).

 

 

где – функция выходов.

Для А Мура характерно, что значение выходного символа определяется только значением внутреннего состояния.

Модели Мили и Мура взаимнопреобразуемы. Целесообразность применения конкретной модели А определяется, как правило, достижением рационального схемного решения.

4.3.3. Задание автомата с памятью [4, с. 159].

Задание автомата с памятью производится таблицами переходов и таблицами выходов, а также ориентированным графом переходов и выходов.

 

5. Порядок выполнения работы по самостоятельному изучению

Заключение

 

Современная вычислительная техника, техника автоматического (автоматизированного) контроля и управления, телемеханика, автоматическая телефония и т.д., базируется на применении дискретных устройств.

Для того, чтобы проектировать и создавать реальные цифровые устройства необходимо овладеть принципами функционирования ДУ,, а также иметь представление как эти принципы реализуются на практике. Знание принципов и практики их применения являются необходимым условием осуществления эффективной профессиональной деятельности по разработке современных устройств и систем связи, контроля и управления.

 

Литература

1. Музылева И.В. Элементная база для построения цифровых систем проектирования. М.: Техносфера, 2006. –144 с.

2. Фрике К. Вводный курс цифровой электроники. М.: Техносфера, 2004. – 432 с.

3. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: уч. пособие. СПб,: БХВ – Петербург, 2008. – 800 с.

4. Аляев Ю.А., Тюрин С.Ф. Дискретная математика и математическая логика. учебник. – М.: Финансы и статистика, 2006, – 368 с.

5 Уэйкерли Дж. Ф. Проектирование цифровых устройств, том 1. М.: Постмаркет, 2002. – 544 с.

6. Коган Т.И. Теория автоматов. Дискретные устройства. Часть 1. Конспект лекций / Перм.гос.техн.ун-т. – Пермь, 2002. – Ч. 1. – 140 с.

7. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: учебное пособие. Ростов н/Д, Феникс, 2002. – 576 с.

8. Ж. Автоматика, связь, информатика.

9. Ж Автоматизация в промышленности.

10. Ж. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.

Приложение 1

Варианты

Приложение 1

Таблица П1 ИТМ-1-ТК ( Продолжение )

 

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Приложение 1

Варианты

Приложение 1

Таблица П1 ИТМ1-АТ ( Продолжение )

 

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Приложение 2

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический

университет»

Электротехнический факультет

Кафедра «Автоматика и телемеханика»

 

 

Задание

на самостоятельное изучение теоретического материала (ИТМ-1)

по дисциплине «Проектирование дискретных устройств»

 

Шифр варианта задания ___________

Исполнитель – студент группы ________ ______________

^{(индекс) (ф.И.О.)}

 

1. Тема. Дискретные устройства и модели автоматов.

2. цель выполнения работы заключается в освоении заданных компонентов дисциплинарных компетенций, направленных на изучение свойств, характеристик и функций дискретных устройств (ДУ) как класса устройств систем связи, автоматизации и управления, а также типов, свойств и особенностей моделей конечных автоматов.

3. Результат индивидуального задания ИТМ-1:

· должны быть освоены следующие компоненты дисциплинарных компетенций ОК-9-2 и ОК-10-2: ОК-9-2-1з, ОК-10-2-1з; ОК-9-2-2з, ОК-10-2-2з:

– «знать» свойства характеристики и функции дискретных устройств как класса устройств связи, автоматики и управления;

– «знать» типы, свойства, особенности и способы задания классических моделей конечных автоматов;

· должен быть выполнен информационно-аналитический реферат (РФ1) содержащий аналитические материалы по заданной теме.

4. Индикаторы освоения компонентов дисциплинарных компетенций.

В качестве индикаторов освоения формируемых компонентов заданных компетенций ОК-9-2; ОК-10-2 определены объекты, которые раскрывают содержание основных аспектов состояния развития дискретных устройств и моделей, используемых для их проектирования.

· Функциональные возможности ДУ представляются индикаторами функционального ряда: шифраторы, дешифраторы и т.д.

· Свойства и характеристики ДУ, определение базисом реализации представляются индикаторами технического базиса, содержащими различные типы электронных устройств.

· Модели, используемые для целей проектирования ДУ, представляются многообразием типов, свойств моделей конечных автоматов.

5. Основные требования к выполнению индивидуального задания.

5.1. Требования к выполняемой работе:

– должен быть выполнен аналитический обзор состояния развития ДУ в направлении расширения функционального ряда и свойств характеристик технического базиса реализации, а также моделей конечных автоматов для их исследования и проектирования на основе современной научно-технической литературы, посвященной исследуемой тематики, в том числе: обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и российских научных журналах, монографиях и/или патенты – не менее 15 научно-информационных источников за 2007– 2012 г.г.

5.2. Требования к представлению индикаторов уровня освоения компонентов дисциплинарных компетенций:

– к качестве множества индикаторов, характеризующих уровень освоения компонентов дисциплинарных компетенций, принять объекты, указанные в нижеследующей таблице:

 

Компоненты компетенций	Наименования индикаторов
ОК-9-2-1з ОК-10-2-1з	Индикаторы функционального ряда ДУ: – шифраторы и дешифраторы; – сумматоры; – мультиплексоры; – компараторы. Индикаторы технического базиса ДУ: – логические элементы; –элементы памяти; – регистры; – программируемые логические матрицы (ПЛМ); – постоянные запоминающие устройства (ПЗУ).
ОК-9-2-2з ОК-10-2-2з	Индикаторы моделей автоматов: – общая модель конечного автомата; – модель комбинационного автомата; – модель последовательностного автомата.

 

– конкретный набор индикаторов определяет содержание конкретного индивидуального задания. Этот конкретный набор индикаторов устанавливается для каждого обучаемого по его личному шифру варианта, соответствующему номеру его зачетной книжки (Приложение 1, табл. П1-ИТМ-1-ТК, табл. П1-ИТМ-1-АТ).

5.3. Требования к реферату (РФ1)

Результатами работы должны быть оформлены и представлены в виде реферата, содержащего информационно-аналитический обзор состояния заданного комплекса типовых объектов – индикаторов, раскрывающих различные аспекты функционирования, свойств и характеристик ДУ, а также типы, свойства и особенности заданных моделей конечных автоматов.

Реферат должен содержать титульный лист (Приложение 3, [1]), задание (Приложение 2, [1]), введение, основную часть, заключение, список литературы.

Введение. Должно содержать общую характеристику ДУ, области применения, решаемые задачи, тенденции развития, актуальность проектирования специализированных ДУ для систем и средств связи, автоматизации и управления.

Основная часть должна иметь разбивку на три главы в соответствии с заданным набором объектов функционального ряда, технического базиса и моделей автоматов, характеризующих различные аспекты состояния развития ДУ и моделей для их проектирования.

Заключение должно включать выводы, касающиеся многофункциональности ДУ, многообразия технического базиса и широкого спектра автоматных моделей.

Реферат должен быть напечатан на формате А4, подшит в папку. Титульный лист реферата и бланк задания подписывается исполнителем.

Объем основной части реферата должен составлять 12–15 стр. машинописного текста (шифр 14 пт, Times New Roman, через 1 интервал).

Оформление реферата должно соответствовать требованиям ГОСТ 7.32-2001. отчет о НИР. Структура и правила оформления.

6. Порядок выполнения работы и представления результатов.

Реализация работы предусматривает выдачу темы реферата и задания на выполнение (1-я неделя), представление реферата в отпечатанном и подписанном виде (18 неделя) в деканат ЭТФ ПНИПУ.

По срокам выполнения: 8 неделя – 40 % выполнения реферата, 12 неделя – 80 % выполнения реферата, 17 неделя – 100 % выполнения реферата. Трудоемкость подготовки реферата 6 АЧ.

Оценивание содержания реферата производится преподавателем кафедры АТ ПНИПУ, на основании критериев полноты, достоверности и обоснованности изложения представленных в соответствующих главах реферата индикаторов освоения заданных компонентов компетенций.

Полнота описания индикаторов определяется наличием логически выверенного текста, содержащего изложение выполняемых функций, элементную структуру объекта, статические характеристики, принципы и механизмы функционирования, динамические характеристики, свойства, особенности, применение, направления развития и перспективы. Должно быть подчеркнуто, какими элементами структуры ДУ обеспечивается реализация заданных функций; как эти элементы связаны и взаимодействуют; как функционирует ДУ, выполняя заданные функции; свойства настраиваемости структуры и т.д.

Достоверность описания индикаторов определяется наличием мотивированных ссылок на научно-технические источники информации.

Обоснованность описания индикаторов определяется наличием ссылок на их практическое применение и его эффективность.

Интегрированная оценка реферата определяется по совокупности оценок по главам с учетом качества оформления. Оценивание реферата производится в шкале «зачет», «не зачет». Оценка «зачет» по реферату выставляется при наличии оценок «зачет» по всем главам основной части.

7. Рекомендуемая базовая литература.

1. Методические указания студентам заочной формы обучения к выполнению индивидуального задания по самостоятельному изучению теоретического материала ИТМ-1 «Дискретные устройства и модели автоматов» / матушкин Н.Н., Электронный ресурс, ПНИПУ. Пермь, 2002. – 18 с.

2. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: уч. пособие. СПб: БХВ – Петербург, 2007. – 800 с.

3. Аляев Ю.А., Тюрин С.Ф. Дискретная математика и математическая логика: учебник. – М.: Финансы и статистика., 2006. – 386 с.

 

Профессор кафедры АТ ______________ (Матушкин Н.Н.)

 

Исполнитель,

студент группы ______________ ()

 

«4» февраля 2013 г.

Приложение 3

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический

университет»

Электротехнический факультет

Кафедра «Автоматика и телемеханика»

Реферат

(РФ1)

по теме «Дискретные устройства и модели автоматов»

(дисциплина «Проектирование дискретных устройств»)

 

 

Выполнил студент группы ________ ___________________

^{индекс Ф.И.О.}

 

Проверил профессор кафедры АТ _________ Матушкин Н.Н.

 

 

Пермь 2013

УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой АТ

д.т.н., профессор

 

__________А.А. Южаков

«___» __________ 2012 г.

 

Учебно-методический комплекс дисциплины

«Проектирование дискретных устройств»

основных образовательных программ подготовки по направлениям:

210700»Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

220400 «Управление в технических системах»

 

 

Методические указания

студентам заочной формы обучения

к выполнению индивидуального задания

по самостоятельному изучению теоретического материала

(ИТМ-1)

«Дискретные устройства и модели автоматов»

Пермь 2012

Настоящие методические указания должны способствовать эффективному выполнению студентами индивидуальной самостоятельной работы по изучению теоретического материала по теме «Дискретные устройства и модели автоматов (ИТМ-1), дисциплины «Проектирование дискретных устройств» направлений подготовки: 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 220400 «Управление в технических системах».

Методические указания разработаны на основании:

– рабочей программы дисциплины «Проектирование дискретных устройств», утвержденной 14 июня 2012 г;

– компетентностной модели (КМ) выпускника ООП по профилю подготовки 210700.04.62 Сети связи и системы коммутации, утвержденной 05 февраля 2011;

– компетентностной модели (КМ) выпускника ООП по профилю подготовки 220400.01.62 Управление и информатика в технических системах, утвержденной 05 февраля 2011;

 

 

Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры «Автоматика и телемеханика», протокол № 4 от 11 октября 2012 г.

 

Разработчик – д.т.н., профессор Матушкин Н.Н.

 

Рецензент – к.т.н., профессор Кон Е.Л.

 

Введение

Дискретное устройство представляет собой техническое устройство, предназначенное для преобразования по заданной программе входной информации, поступающей в виде дискретных сигналов, в выходную информацию. Дискретные устройства (ДУ) имеют перед устройствами непрерывного действия ряд важных преимуществ: быстродействие, помехоустойчивость, универсальность. Помимо перечисленных преимуществ дискретные устройства могут выполнять различные логические операции. Эти положительные качества ДУ позволяют широко использовать их в современных системах связи, контроля и управления.

В инженерной практике задачи по проектированию специализированных дискретных устройств возникают достаточно часто, что обусловлено повсеместным использованием типовых средств связи и автоматизации, требующих адаптации к конкретным условиям применения. Переходом к распределенным структурам организации информационно-управляющих систем, расширением функций локального управления.

Самостоятельное изучение теоретического материала (ИТМ-1) предусмотрено рабочей программой дисциплины «Проектирование дискретных устройств» в 4-м семестре рабочего учебного плана основной образовательной программы по направлениям подготовки 210700.62 и 220400.62. Общая трудоемкость выполнения самостоятельной работы ИТМ-1 составляет 6 АЧ.

 

Общие положения

На протяжении последних десятилетий в области полупроводниковых технологий справедливым остается закон Мура (Moore’s Law), согласно которому полупроводниковая техника развивается экспоненциально. При своем появлении интегральные схемы содержали в одном корпусе порядка десятка транзисторов. В настоящее время в результате экспоненциального роста плотности упаковки интегральные схемы содержат десятки миллионов транзисторов в одном кристалле. Чтобы соответствовать закону Мура радикально изменились методы проектирования. Сегодня схема дискретного устройства возникает в результате описания ее проектировщиком на языке высокого уровня. Вместе с тем, использование языков высокого уровня становится эффективным, если выстраивается на принципах цифровой электроники, не меняющихся с развитием технологии и основывающихся на изучении и применении моделей конечных автоматов. Именно благодаря освоению общих принципов обретенные навыки проектирования дискретных устройств остаются востребованными и с появлением новых технологий.

В рамках самостоятельного изучения темы «Дискретные устройства и модели автоматов» в соответствии с заданием планируется изучить основные свойства ДУ и принципы построения моделей конечных автоматов.

2. Цель выполнения работы заключается в освоении заданных основной образовательной программой компонентов дисциплинарных компетенций ОК-9-2-1з, ОК-10-2-1з – знать свойства, характеристики и функции ДУ как класса устройств систем связи, автоматики, управления; типы, свойства, особенности способы задания классических моделей конечных автоматов.

Для достижения указанной цели в процессе выполнения самостоятельной работы должны быть решены следующие задачи:

– изучение дискретных устройств, как класса устройств систем связи, автоматики и управления (свойства, характеристики, функции);

– изучение моделей конечных автоматов (типы моделей, особенности, свойства, применение).

Рассмотрим основные понятия, относящиеся к выполнению указанных задач.

Изучение дискретных устройств

 

Дискретные устройства (ДУ) составляют в настоящее время весьма обширный класс устройств, используемых в системах связи, системах автоматизации и вычислительной техники. ДУ выполняют преобразования дискретной информации. Поэтому дискретные устройства в своем подавляющем числе отождествляются с цифровыми устройствами преобразования информации. Обобщенная модель ДУ представлена на рис. 1.

 

 

Рис. 1. ДУ как преобразователь дискретной информации:

x ₁(t), …, x_п (t) – множество входных сигналов;

y ₁(t), …, y_т (t) – множество выходных сигналов

 

Особенностью ДУ как преобразователей дискретной информации является использование аппаратурного способа преобразования. При аппаратурном способе заданное преобразование входных сигналов в выходные обеспечивается определенной аппаратной структурой, т.е. определенными соединениями выбранных в качестве элементов структуры электронных приборов (интегральных схем). Поэтому проектирование ДУ заключается в разработке аппаратной структуры, реализуемой на элементах определенного технического базиса и выполняющей заданные функции преобразования. Таким образом, при проектировании ДУ необходимо знать взаимную обусловленность заданных функций и разрабатываемой структуры ДУ, а также зависимость характеристик и параметров структуры ДУ от выбранного технического базиса. Отсюда изучение ДУ как функциональных преобразователей информации должно быть основано на рассмотрении типичных представителей как функционального ряда ДУ, так и технического базиса их реализации.

В качестве объектов функционального ряда ДУ принять к рассмотрению следующие функциональные группы:

– шифраторы, дешифраторы;

– сумматоры;

– мультиплексоры; (1)

– компараторы.

В качестве объектов технических базисов реализации ДУ избраны следующие технические базисы:

– логические элементы;

– элементы памяти (триггеры); (2)

– регистры;

– программируемые логические матрицы (ПЛМ);

– постоянные запоминающие устройства (ПЗУ).

Объекты из перечней (1) и (2) являются базовыми при изучении ДУ. Результаты изучения этих конкретных групп ДУ рассматриваются как индикаторы уровня освоенных знаний свойств, характеристик и функций ДУ.

Представленные в качестве индикаторов освоения заданных компетенций при изучении ДУ объекты функциональных и технических групп ДУ нашли достаточно широкое освещение в научно-информационных источниках.

Концептуальную основу рамки освещения указанных индикаторов в тексте отчетных документов выполняемой работы (РФ1), можно рекомендовать в следующей базовой литературе:

– шифраторы, дешифраторы [5, с. 413, 440; 3, с. 81; 1, с. 28, 34];

– сумматоры [5, с.501; 3, с. 114; 7, с. 429; 2, с.234];

– мультиплексоры [5, с. 464; 3, с.88; 1, с.36];

– компараторы [5, с. 488; 3, с. 100];

– логические элементы [1, с. 11; 3, с.384; 7, с. 384];

– элементы памяти (триггеры) [1, с.43; 7, с. 437];

– регистры [3, с. 194; 1, с. 50; 7, с. 458];

– программируемые логические матрицы (ПЛМ) [3, с. 494; 1, с. 82; 7, с. 487];

– постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) [1, с. 71–76; 7, с. 471; 3, с. 287].