LO: Logické obvody

Stručný popis

Garant verze předmětu: doc. Ing. Jaroslav Zdrálek, Ph.D.

Cíle předmětu vyjádřené dosaženými dovednostmi a kompetencemi

Cílem předmětu je seznámit studenty se základy číslicových systémů z pohledu jejich základní hardwarové realizace pomocí hradel a automatu s konečným počtem stavů, zobrazováním čísel a symbolů, základními algoritmy pro aritmetické operace v  číslicových systémech.

Popis předmětu

Vyučovací metody

• Přednášky
• Cvičení (v učebně)
• Experimentální práce v laboratoři
• Projekt

Anotace

Základy hardwarové realizace digitálních systémů – logika, Boolean algebra a funkce, hradla, klopné obvody, kombinační a sekvenční obvod, automat s konečným počtem stavů, vlastnosti základních logických obvodů jako jsou multiplexery, dekodéry, registry, čítače, aritmetické sčítačky. Základy zobrazování informací v číslicových systémech – číslicové soustavy s libovolným základem, význam dvojkové, oktální a hexadecimální soustavy, binární a hexadecimální aritmetické operace, zobrazování symbolů a znaků, ASCII kód, UNICODE, zobrazování celých čísel a reálných čísel.

Povinná literatura

• Diviš, Z., Chmelíková, Z., Zdrálek, J.: Logické obvody. VŠB – TU Ostrava, 1999.
• Frištacký, N.: Logické systémy. ALFA Bratislava,1986.
• Petříková, I.: Logické obvody – příklady. VŠB-TUO, 2001.

Doporučená literatura

• Wakerly, J. F.: Digital Design, Principles and Practices. Prentice Hall 2006, ISBN 0-13-186389-4 Katz.
• R. H. and Borriello, G.: Contemporary logic design. Prentice Hall 2005, ISBN 0-201-30857-6.
• Roth, Ch. H. Jr.: Fundamentals of logic design. Thomson Brooks/Cole 2004, ISBN 0-534-37804-8.
• Svoboda, A. and White, D. E.: Advanced logical circuit design techniques. Garland StPM Press 1979, ISBN 0-8240-7014-3.
• Bhasker, J.: VHDL Primer, Third Edition. Prentice Hall 1999, ISBN 0-13-096575-8.

Způsob průběžné kontroly znalostí během semestru

Bodové hodnocení projektů. Testy v průběhu semestru. Hodnocení aktivity na cvičení.

Další požadavky na studenta

Znalost programovacího jazyka C nebo C++, samostaně sestavit vyvojový diagram programu.

Osnova předmětu

Přednášky

1. Logika, Boolean algebra, Booloean funkce, zápisy Boolean funkcí, číselné soustavy, převody celých čísel.
2. Definice základních tvarů pro dvojstupňovou logiku, kanonické formy, zjednodušování pomocí Boolean algebry, Karnaugh mapy, úvod do počítačových algoritmů minimalizace (McCluskey, Expreso, ...).
3. Hradlo, vazba na operace, logické signály a jejich aktivní úrovně, sestavení logické dvojstupňové sítě, realizace pomocí struktur AND-OR, OR-AND, NAND-NAND, NOR-NOR.
4. Číselné soustavy, převody mezi číselnými soustavami, integer a real, všeobecně. Zdůraznění vazeb mezi dvojkovou, oktalovou a šestnáctkovou soustavou.
5. Reprezentace integer čísel – znaménko a hodnota, jednotkový a dvojkový doplněk, pomocí posunutí, aritmetické operace součet, rozdíl, násobení a dělení, příznaky operací N, Z, V, C.
6. Realizace binárního aritmetického součtu a rozdílu, význam kanálu zrychleného přenosu, hardwarové násobení, dělení.
7. Reprezentace real čísel – fixed (Qm.n formát) a float formát (IEEE 754-2008), aritmetické operace, programové implementace násobení a dělení, příznaky operací.
8. Zobrazování symbolů, znaků, ASCII kód, Unicode, UTF algoritmy.
9. Reprezentace reálných a celých čísel v BCD kódu, aritmetické operace – součet.
10. Asynchronní klopný obvod R-S, funkce synchronních klopných obvodů D, T, JK.
11. Sekvenční obvody – FSM, opakování automatu s konečným počtem stavů, definice chování, základní způsoby zápisu – grafické, programové.
12. Číslicový synchronní systém – řadič a řízená jednotka, realizace řadiče – pomocí D klopných obvodů a mikroprogramová řídící jednotka, ukázka na příkladu.
13. Technologie číslicových obvodů (bipolární a unipolární) TTL a CMOS, elektriocké vlastnosti hradel – TTL, logická hodnota 1/0 a úroveň L/H, otevřený kolektor, třístavový a obousměrný výstup.

Cvičení

1. Bezpečnost, organizace cvičení, zadání prvního projektu, převody integer čísel z desítkové do dvojkové a hexa soustavy, Boolean algebra.
2. Karnaughovy mapy a realizace funckcí pomocí hradel.

Počítačová cvičení

1. Převody mezi číselnými soustavami. Bezpečnost.
2. Výpočet součtu a rozdílu nad binárními celými čísly, dvojkový doplněk.
3. Bitově orientované logické operace.
4. Výpočet aritmetických operací (součet a rozdíl) nad integer čísly s posunutím.
5. Aritmetické operace součet rozdíl nad čísly v pevné řádové čárce formát Qn.m.
6. Generátor rastrového písma a zobrazení textu.
7. Převod integer čísla na float (IEEE-754 – binární definice).
8. Simulace chování sekvenčního obvodu.

Laboratoře

1. Cvičné zapojení kombinačního obvodu pomocí RC stavebnici.
2. Odevzdání prvního projektu.

Projekty

• 1. projekt: Návrh kombinačních obvodů pro 4 vstupní proměnné pomocí Karnaughovy mapy, obvodové schéma a praktická realizace.
  2. projekt: Operace nad čísly v pevné řádové čárce.