Телекоммуникации и Информатика и вычислительная техника Ульяновск 2007 2
 Скачать 1.77 Mb.
|
|
1 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ульяновский государственный технический университет Н. Г. Захаров, Р. А. Сайфутдинов ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА Допущено учебно-методическим объединением высших военно-учебных заведений по образованию в области военного управления Вооруженных Сил Российской Федерации (Сухопутные войска) в качестве учебника для курсантов высших военно-учебных заведений, обучающихся по специальностям направлений Телекоммуникации и Информатика и вычислительная техника Ульяновск 2007 2 УДК 32.973 (075) ББК я 3-38 Рецензент доктор технических наук, заведующий кафедрой Телекоммуникации Ульяновского государственного технического университета, профессор Васильев К. К доктор технических наук, директор Ульяновского филиала института радиотехники и электроники РАН, профессор Сергеев В. А. Захаров Н. Г. Вычислительная техника учебник / Н. Г. Захаров, Р, А. Сайфутди- нов. - Ульяновск УлГТУ, 2007. - 224 с. ISBN 978-5-9795-0128-4 Настоящий учебник освещает арифметические и логические основы вычислительной техники, комбинационные и последовательные цифровые устройства, цифро- аналоговые и аналого-цифровые преобразователи. Рассматриваются принципы функционирования компьютеров, архитектура ПЭВМ, внешние запоминающие устройства н диагностика компьютеров. Учебник предназначен для студентов высших учебных заведений н курсантов военных учебных заведений МОРФ, изучающих дисциплины Вычислительная техника и информационные технологии, Цифровые устройства и микропроцессоры и Схемотехника ЭВМ. УДК 32.973(075) ББК я © Н. Г. Захаров, Р. А. Сайфутдинов, 2007 ISBN 978-5-9795-0128-4 © Оформление. УлГТУ, 2007 З 3 Оглавление Введение ................................................................................................................................. 6 Часть I. Цифровые устройства .........................................................................................8 1. Арифметические основы цифровых устройств ......................................................... 8 1.1. Системы счисления ...................................................................................................... 8 1.2. Двоичная, восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления ................... 11 1.3. Перевод числа из одной системы счисления в другую .......................................... 15 Контрольные вопросы ...................................................................................................... 17 2. Логические основы цифровых устройств ................................................................. 18 2.1. Основы алгебры логики ............................................................................................. 18 2.2. Основные законы алгебры логики ............................................................................ 18 2.3. Преобразование булевых выражений ...................................................................... 20 2.4. Дизъюнктивные нормальные формы ....................................................................... 20 2.5. Минимизация логических функций ......................................................................... 22 2.6. Табличные методы минимизации. Карты Карно .................................................... 23 2.7. Неполностью определенные логические функции ................................................. 28 2.8. Логические элементы и логические операции ........................................................ 30 2.9. Классификация логических элементов .................................................................... 33 2.10. Основные характеристики логических элементов ............................................... 34 2.11. Резисторно-транзисторные логические элементы ................................................ 36 2.12. Транзисторные элементы с непосредственной связью (НСТЛ) .......................... 38 2.13. Транзисторно-транзисторные логические элементы ........................................... 39 2.14. Логические элементы стремя состояниями .......................................................... 44 2.15. ТТЛ логические элементы с открытым коллектором .......................................... 45 2.16. ЭСЛ логические элементы ...................................................................................... 45 2.17. Логические элементы на МОП-транзисторах ....................................................... 48 Контрольные вопросы ...................................................................................................... 52 3. Цифровые комбинационные устройства .................................................................. 53 3.1. Устройство равнозначности ...................................................................................... 53 3.2. Устройство неравнозначности .................................................................................. 55 3.3. Комбинационные сумматоры ................................................................................... 56 3.4. Дешифраторы ............................................................................................................. 58 4 3.5. Шифраторы ................................................................................................................. 62 3.6. Мультиплексоры ........................................................................................................ 65 3.7. Демультиплексоры ..................................................................................................... 67 3.8. Преобразователи кодов. 68 Контрольные вопросы ...................................................................................................... 73 4. Последовательностные цифровые устройства ........................................................ 74 4.1. Триггеры. Общее определение ................................................................................. 74 4.2. Классификация триггеров ......................................................................................... 75 4.3. Асинхронный триггер с прямыми входами ...................................................... 77 4.4. Асинхронный триггер с инверсными входами ................................................. 78 4.5. Синхронный триггер ............................................................................................ 79 4.6. триггер ..................................................................................................................... 82 4.7. Универсальный триггер ....................................................................................... 84 4.8. Т-триггер ..................................................................................................................... 86 4.9. Синхронный триггер с динамическим управлением .............................................. 87 4.10. Функции возбуждения триггеров ........................................................................... 88 4.11. Регистры .................................................................................................................... 90 4.11.1. Регистры памяти .................................................................................................... 91 4.11.2. Сдвигающие регистры .......................................................................................... 92 4.12. Счетчики ................................................................................................................... 95 4.12.1. Параллельные счетчики ........................................................................................ 97 4.12.2. Реверсивные счетчики .......................................................................................... 98 Контрольные вопросы ...................................................................................................... 99 5. Цифро-аналоговые и аналогово-цифровые преобразователи ............................ 100 5.1. Цифро-аналоговые преобразователи ..................................................................... 100 5.2. Аналого-цифровые преобразователи ..................................................................... 104 Контрольные вопросы .................................................................................................... 110 Часть II. Принципы построения компьютеров ......................................................... 111 6. Общие принципы построения компьютеров .......................................................... 111 6.1. Этапы развития ЭВМ ............................................................................................... 111 6.2. Принципы фон Неймана .......................................................................................... 117 6.3. Принципы построения компьютеров ..................................................................... 119 5 6.4. Центральный процессор .......................................................................................... 123 6.5. Формы представления чисел в ЭВМ ...................................................................... 126 Контрольные вопросы .................................................................................................... 133 7. МикроЭВМ .................................................................................................................... 134 7.1. Структурная схема микроЭВМ ............................................................................... 134 7.2. Система команд и способы адресации ................................................................... 140 7.3. Типы команд микроЭВМ ........................................................................................ 143 7.4. Выполнение команды микропроцессором ............................................................ 145 7.5. Организация интерфейса в микроЭВМ ................................................................. 149 Контрольные вопросы .................................................................................................... 151 8. Архитектура ПЭВМ ..................................................................................................... 152 8.1. Системный блок ПЭВМ .......................................................................................... 152 8.2. Основные характеристики микропроцессоров, используемых в ПЭВМ ........... 157 8.3. Память ПЭВМ .......................................................................................................... 164 8.4. Внешние устройства ................................................................................................ 171 8.5. Системные и периферийные шины ПЭВМ ........................................................... 179 Контрольные вопросы .................................................................................................... 189 9. Внешние запоминающие устройства ....................................................................... 190 9.1. Классификация и характеристики внешних запоминающих устройств ............ 190 9.2. Накопители на гибких магнитных дисках ............................................................. 191 9.3. Накопители на жестких магнитных дисках ........................................................... 195 9.4. Накопители на оптических дисках ......................................................................... 197 9.5. Структура файловой системы Windows................................................................. 202 Контрольные вопросы .................................................................................................... 206 10. Диагностика ПЭВМ ................................................................................................... 207 10.1. Программа POST .................................................................................................... 207 10.2. Главное меню программы BIOS ........................................................................... 209 10.3. Тестовые программные средства .......................................................................... 210 Контрольные вопросы .................................................................................................... 220 Список сокращений ......................................................................................................... 221 Библиографический список ........................................................................................... 223 6 ВВЕДЕНИЕ Вычислительная техника является основой построения информационно- измерительных систем, используемых для решения важнейших научно-технических задач. Вычислительные устройства обеспечивают моделирование реальных радиотехнических комплексов в различных ситуациях, работу систем автоматизированного проектирования, управление сложнейшими технологическими процессами. Проблемы вычислительной техники следующие это создание и использование современной элементной базы, разработка цифровых узлов и устройств, входящих в состав компьютерных система также разработка новых модифицированных компьютеров с нейронной структурой построения. Знание элементной базы и эффективное использование ее для построения цифровых устройств в компьютерах обеспечивает успешную эксплуатацию и обслуживание средств вычислительной техники. Учебник состоит из двух частей и 10 глав. Первая часть посвящена цифровым устройствам, вторая – принципам построения и функционирования компьютеров. Впервой главе рассмотрены арифметические основы цифровых устройств, системы счисления, перевод чисел из одной системы счисления в другую, выполнение арифметических операций в цифровых вычислительных устройствах. Во второй главе изложены логические основы цифровых устройств. Рассмотрены основные законы алгебры логики, минимизация логических функций, логические операции и логические элементы, ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ, КМОП логические элементы и их характеристики. В третьей главе рассматриваются комбинационные устройства сумматоры, шифраторы, дешифраторы, цифровые коммутаторы, преобразователи кодов. Четвертая глава посвящена изучению последовательностных цифровых устройств. Рассмотрены триггеры RS, D, JK типов и счетчики на их основе. Приведены схемы статических и динамических триггеров, даны функции их возбуждения. Приведены схемы регистров памяти и сдвига. Пятая глава посвящена цифро-аналоговым и аналого-цифровым преобразователям, приведены схемы, методы построения и условно-графические схемы преобразователей В шестой главе изложены общие принципы построения компьютеров, приведены этапы развития ЭВМ по поколениям развития и элементной базе, принципы фон Неймана, структура центрального процессора и формы представления целых и вещественных чисел в ЭВМ. В седьмой главе рассмотрена структура микроЭВМ, система команд и способы адресации. Дается описание типов команд в микроЭВМ и пошаговое выполнение команды микропроцессором, а также организация интерфейсов. В восьмой главе изложена функциональная и структурная организации ПЭВМ. Рассмотрен состав системного блока, основные характеристики микропроцессора, организация и характеристики памяти ПЭВМ, системный и периферийный интерфейсы, а также принцип работы устройств ввода и вывода информации. В девятой главе даны классификация и характеристика внешних запоминающих устройств, структура накопителей на гибких и жестких магнитных дисках. Приведены классификация и принципы записи информации на оптических дисках, атак- же структура файловой системы Windows. В десятой главе рассматриваются программа начальной загрузки компьютера POST, меню базовой системы ввода-вывода BIOS. Даются описание, состав и возможности тестовых программных средств. Предлагаемый учебник позволяет приобрести теоретические знания и практические навыки по дисциплинам Схемотехника ЭВМ, Вычислительная техника и информационные технологии и Цифровые устройства и микропроцессоры и базируется на изданиях, рекомендованных Министерством образования Российской Федерации для высших учебных заведений. 8 ЧАСТЬ 1. ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА 1. АРИФМЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ 1.1. Системы счисления Система счисления — совокупность приемов и правил наименования и обозначения чисел, позволяющих установить взаимно однозначное соответствие между любым числом и его представлением в виде конечного числа символов. В любой системе счисления выбирается алфавит, представляющий собой совокупность некоторых символов (букв или цифр, с помощью которого в результате ка- ких-либо операций можно представить любое их количество. Изображение любого количества символов называется числом, а символы алфавита — буквами и цифрами. Символы алфавита должны быть разными и значение каждого из них должно быть известно. В современном мире наиболее распространенной является десятичная система счисления, происхождение которой связано с пальцевым счетом. Она возникла в Индии ив в. была перенесена в Европу арабами. Поэтому десятичную систему счисления стали называть арабской, а используемые для записи чисел цифры, которыми мы теперь пользуемся, — 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 — арабскими. С давних времен для подсчетов и вычислений применялись различные системы счисления. Например, на Древнем Востоке довольно широко была распространена двенадцатеричная система. Многие предметы (ножи, вилки, тарелки и т. д) и сейчас считают дюжинами. Число месяцев в году — двенадцать. Эта система счисления сохранилась в английской системе мер (например, 1 фут = 12 дюймов) ив денежной системе (1 шиллинг =12 пенсов. В Древнем Вавилоне существовала весьма сложная 60-ричная система. Она, как и 12-ричная система, в какой-то степени сохранилась и до наших дней (например, в системе измерения времени 1 ч = 60 мин, 1 мин = 60 с, аналогично в системе измерения углов 1 = 60, 1 = 60). Первые цифры (знаки для обозначения чисел) появились у египтян и вавилон- цев. У ряда народов (древние греки, сирийцы, финикийцы) цифрами служили буквы 9 алфавита. Аналогичная система до XVI в. применялась ив России. В Средние века в Европе пользовались системой римских цифр, которые и сейчас часто применяют для обозначения глав, частей, разделов в различного рода документах, книгах, для обозначения месяцев и т. д. Все системы счисления можно разделить на позиционные и непозиционные. |