Утверждена

УМО вузов Республики Беларусь

по образованию в области информатики

и радиоэлектроники

« 03 » июня 2003 г.

Регистрационный № ТД-41-012/тип.

МИКРОСИСТЕМОТЕХНИКА
Учебная программа для высших учебных заведений

по специальностям І-41 01 02 Микро- и наноэлектронные

технологии и системы, І-41 01 03 Квантовые информационные системы

Согласована с Учебно-методическим управлением БГУИР

« 28 » мая 2003 г.

Составитель:

А. С. Шматин, ассистент кафедры микроэлектроники Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»;

Ф.П. Коршунов, заведующий лабораторией радиационных воздействий Института физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси, член-корреспондент Национальной академии наук Беларуси, доктор технических наук;

В.М. Колешко, заведующий кафедрой «Интеллектуальные системы» Учреждения образования «Белорусская государственная политехническая академия», доктор технических наук

Рекомендована к утверждению в качестве типовой:

Кафедрой микроэлектроники Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» (протокол № 7 от 04.03.2002 г.);

Научно-методическим советом по направлениям І-36 Оборудование и І-41 Компоненты оборудования УМО вузов Республики Беларусь по образованию в области информатики и радиоэлектроники (протокол №1 от 25.10.2002 г.)

Разработана на основании Образовательного стандарта РД РБ 02100.5.030-98.

Ответственный за редакцию: Т. Н. Крюкова

Ответственный за выпуск: Ц.С.Шикова

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Типовая программа “Микросистемотехника” разработана в соответствии с Образовательным стандартом РД РБ 02100.5.030-98 для специальностей І-41 01 02 Микро- и наноэлектронные технологии и системы, І-41 01 03 Квантовые информационные системы высших учебных заведений.

Целью изучения дисциплины является освоение основ построения мультимикропроцессорных систем различного функционального назначения на базе микропропроцессоров (МП), микропроцессорных комплектов больших интегральных схем (МПК БИС) отечественного и зарубежного производства, а также интерфейсов и средств сопряжения, применяемых в микропроцессорной технике и овладение приемами и методами их программирования при помощи ПЭВМ.

Задачей изучения дисциплины является освоение принципов создания мультимикропроцессорных систем посредством макетирования рабочих микросистем в базисах функциональных интегральных схем и микропроцессорных структур посредством методов их расчета и принципов организации, освоение методов программирования и микропрограммирования микропроцессоров. Предлагаются к рассмотрению также примеры построения микропроцессорных устройств для контроля, диагностики, восстановления и поиска информации; методы и схемы сопряжения микроЭВМ с объектами, схемы расширения оперативной памяти, адресного взаимодействия устройств.

В результате освоения курса «Микросистемотехника» студент должен:

знать:

- основные базисы микросистем, микропроцессорные структуры;

- интерфейс микропроцессорных систем;

- архитектуру микропроцессоров Pentium;

- организацию типовых микропроцессорных систем;

- мультипроцессорные архитектуры;

уметь характеризовать:

- организацию процесса управления микропроцессором;

- организацию процесса обработки информации микропроцессором;

уметь анализировать:

- организацию процессов управления и обработки микропроцессора;

- организацию интерфейса микропроцессорных систем;

- работу мультипроцессорных систем;

приобрести навыки:

- построения компьютерных микросистем;

- программирования типового микропроцессора (на языке ассемблера) и управления работой типовой микропроцессорной системой;

- проектирования микропроцессорных устройств для контроля, диагностики, восстановления и поиска информации, схем сопряжения микроЭВМ, схемы расширения оперативной памяти, адресного взаимодействия устройств.

Программа составлена в соответствии с требованиями образовательного стандарта и рассчитана на объем 115 учебных часов. Примерное распределение учебных часов по видам занятий: лекций - 65 часов, лабораторных работ - 35 часов, практических занятий - 15 часов.

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Раздел 1. БАЗИСЫ МИКРОСИСТЕМ

Тема 1.1. Введение

Исторический очерк развития вычислительной техники. Предпосылки возникновения микропроцессоров. Микропроцессор как продукт соединения двух технологий. Роль и место микросистемотехники в современной науке и технике. Термины и определения.

Тема 1.2. Основные базисы микросистем

Функциональные и комбинационные структуры, микропроцессорные структуры, матричные цифровые структуры.

Металл-диэлектрик-полупроводниковые (МДП) структуры; транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ), диодно-транзисторная логика (ДТЛ), инжекторно-инжекционная логика (ИИЛ) в структурах; эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ), эмиттерно-эмиттерная связанная логика (ЭЭСЛ) в структурах, в триггерных структурах.
Тема 1.3 Интерфейс МПС. Математический аппарат

Понятие интерфейса. Модель микропроцессорной системы (МПС) с тремя шинами. Функции шины адреса (ША), шины данных (ШД), шины управления (ШУ), временные диаграммы операций записи чтения информации в МПС между микропроцессором и запоминающим устройством (ЗУ) и МП и устройством ввода-вывода (УВВ). Системы счисления. Алгоритм системы счисления. Десятичная система счисления. Двоичная система счисления. Восьмеричная система счисления. Шестнадцатеричная система счисления. Перевод из одной системы счисления в другую.

Тема 1.4. Организация представления информации

в МПС и микроЭВМ

Двоичная арифметика. Формы представления чисел. Числа с фиксированной точкой. Числа с плавающей точкой. Достоинства и недостатки представления чисел.

Двоичная арифметика в прямом, обратном и дополнительных кодах. Сложение и вычитание, умножение и деление. Арифметика повышенной точности. Арифметика с плавающей запятой.
Тема 1.5. Архитектура микропроцессора

Структура типового микропроцессора; взаимосвязь различных основных блоков МП БИС. Основные блоки МП БИС. Архитектурные возможности основных типов МП. Архитектуры типовых 4,- 8,- 16,- 32-разрядных микропроцессоров.

Тема 1.6. Классификация микропроцессоров

по организации

Классификация микропроцессоров по конструктивному признаку, назначению, виду обрабатываемых сигналов, характеру временной организации работы, способу реализации команд; их особенности. Характеристики МП. Энергетические; электрические динамические параметры МП БИС.

Тема 1.7. Реализация типовых функций

Система команд микропроцессора. Классификация команд микропроцессора. Виды адресации. Структура и форматы команды МП. Языки программирования. Счет и временная задержка. Передача данных. Система команд 8, - 16, - 32-разрядных микропроцессоров. Иллюстрация выполнения отдельных команд микропроцессоров при помощи временных диаграмм.

Раздел 2. АРХИТЕКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

Тема 2.1. Структура микропроцессорной системы

Организация микропроцессорных систем. Структура типовой МПС. Классификация МПС. Характеристики МПС. Особенности МПС, их недостатки и достоинства. Архитектура МПС.

Тема 2.2. Организация памяти МПС

Основные характеристики систем памяти. Классификация микросхем памяти. Статические и динамические микросхемы памяти. Характеристики полупроводникового запоминающего устройства. Организация оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) в составе МПС. Иллюстрация режимов их работы при помощи временных диаграмм.

Тема 2.3. Организация обработки информации в МП

Принципы проектирования систем обработки информации на основе больших интегральных схем. Функции, реализуемые арифметическо-логическим устройством (АЛУ). Типовая структура обрабатывающей части микропроцессора. Типовая структура обрабатывающей части МП с цепями сдвига и переноса. Расширенная структура обрабатывающей части типового МП на основе АЛУ.

Тема 2.4. Организация процесса управления микропроцессором

Организация процесса управления в типовом МП; микропрограммный способ организации управления. Структура типового МП с расширенной организацией управления.

Тема 2.5. Организация интерфейса МПС

Интерфейс МПС с динамическим ОЗУ. Структура динамических ОЗУ. Мультиплексирование входов адреса. Запись и считывание данных из ОЗУ. Регенерация динамического ОЗУ. Сопряжение динамического ОЗУ с МП. Организация интерфейса со схемами КМОП- (комплиментарная технология МОП) и ЭСЛ- серий. Логическая серия КМОП интегральных схем. Организация интерфейса между устройствами на основе ТТЛ ИС и устройствами на основе КМОП ИС, ЭСЛ. Интерфейсирование ТТЛ и ЭСЛ ИС.

Тема 2.6. Работа статического ОЗУ МПС

Повышение быстродействия КЭШ-памяти (быстрая буферная память) МПС. Система с КЭШ-памятью. КЭШ-память с повышенным быстродействием.

Тема 2.7. Организация интерфейса со схемами, работающими С сигналами не ТТЛ-уровней

Формирование положительных и отрицательных импульсов. Ввод нестандартных (не ТТЛ) сигналов. Оптоэлектронные пары. Использование оптических изоляторов при организации интерфейса с МП.

Раздел 3. ОРГАНИЗАЦИЯ СОВРЕМЕННЫХ

МИКРОПРОЦЕССОРОВ

Тема 3.1. Организация 8-разрядного МП intel 8085, кр 580

Архитектура, характеристики МП: Intel 8085, КР и их модификаций. Назначение управляющих входов. Структурная схема, принцип работы. Запуск МП; стек; функциональное назначение элементов МП. Временные диаграммы.

Тема 3.2. Организация 16-разрядного мп

Архитектура; характеристики МП 8080/8086 фирмы Intel и ее аналогов. Назначение управляющих входов. Структурная схема, принцип работы МП. Функциональное назначение элементов МП. Временные диаграммы.

Тема 3.3. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ КОМПЛЕКТ Z-80

Состав, назначение МПК Z-80. Архитектура ЦПЭ. Характеристики БИС комплекта, назначение, система команд, логическая организация. Особенности работы, временные диаграммы.

Тема 3.4. АРХИТЕКТУРНАЯ ОРганизация МП фирмы intel 286, 386, 486

Архитектура МП 286, 386, 486 фирмы Intel. Логическая организация. Система команд. Структурные схемы. Принцип их работы. Отличительные особенности. Временные диаграммы.

Тема 3.5 ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МП ЗАРУБЕЖНЫХ ФИРМ

Архитектура МП: Intel Celeron 466, AMD K-6 III 400 МГц, Р-6, Strong ARM, Pentium III 600 МГц, IA64, Mersed. Логическая организация. Система

команд. Структурные схемы. Принцип их работы. Отличительные особенности. Временные диаграммы.

Тема 3.6. Однокристальные МИКРОЭВМ

Общие сведения, структурная организация однокристальных микроЭВМ (ОМЭВМ) семейства МК-48, МК-51. Память данных, память программ, каналы ввода-вывода. Система прерываний. Устройство управления и синхронизации. Блок последовательного интерфейса и прерываний. Режимы работы. Временные диаграммы. Отличительные особенности. Применение ОМЭВМ. Характеристики.
Тема 3.7. КМОП-микроконтроллеры семейства UPI-42

Общие сведения. Структурная схема микроконтроллера. Карта программной памяти. Карта распределения памяти данных. Устройство генератора и синхронизации. Таймер-счетчик. Система прерываний. Системные интерфейсы 8080, 8085AH, 8088, 8086, 8048. Каналы ввода-вывода.

Раздел 4. МУЛЬТИПРОЦЕССОРНЫЕ УСТРОЙСТВА

Тема 4.1 ПОНЯТИЕ О КОМПЬЮТЕРНОЙ СЕТИ

Концепция построения сети. Локальные вычислительные сети. Расширение компьютерных сетей. Одноранговые сети. Сети на основе сервера. Комбинированные сети.

Тема 4.2 КОМПОНОВКА МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

Топология сети. Базовые топологии; «шина», «звезда», «кольцо»; концентраторы, активные концентраторы, пассивные концентраторы, гибридные концентраторы. Комбинированные топологии; «звезда-шина», «звезда-кольцо».

Тема 4.3 Проверка мультипроцессорных систем

Проверочная работа и проблемы в сетях: сети с топологией «шина», сети на базе концентратора, сети с топологией «кольцо». Планирование сети. Выбор типа сети. Выбор топологии сети.

Тема 4.4. МАГИСТРАЛИ МУЛЬТИПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

Основные группы кабелей (магистралей). Коаксиальный кабель. Типы коаксиальных кабелей. Классы коаксиальных кабелей. Оборудование для их подключения. Витая пара. Неэкранированная витая пара. Экранированная витая пара. Компоненты (магистральной) кабельной системы. Оптоволоконный кабель. Передача сигналов. Узкополосная передача. Широкополосная передача. Кабельная система IBM.

Тема 4.5. Беспроводные сети

Беспроводная среда, возможности, применение. Типы беспроводных сетей. Локальные вычислительные сети. Точки доступа. Способы передачи. Передача “Точка-точка”. Расширенные локальные сети. Многоточечное беспроводное соединение. Беспроводные мосты дальнего действия. Мобильные сети. Пакетное радиосоединение. Сотовые сети. Микроволновые системы.

Тема 4.6. Микросистема сетевого адаптера

Назначение платы сетевого адаптера. Подготовка данных. Сетевой адрес. Передача и управление данными. Параметры конфигурации. Прерывание. Базовый порт ввода-вывода. Базовый адрес памяти. Выбор трансивера. Совместимость. Архитектура шины данных. Сетевые кабели и соединители. Производительность сети, специализированные платы сетевого адаптера. Платы сетевого адаптера беспроводных сетей. Проверочная работа. Проблемы в сетях.

Тема 4.7. Функционирование мультипроцессорной системы

Сетевая модель OSI и IEEE Project 802. Работа сети. Модель OSI. Многоуровневая архитектура. Взаимодействие уровней модели OSI. Прикладной уровень. Представительский уровень. Сеансовый уровень. Транспортный уровень. Сетевой уровень. Канальный уровень. Физический уровень. Модель IEEE Project 802. Категории. Расширения модели OSI. Управление логической связью. Управление доступом к среде.

Тема 4.8. Передача данных по мультипроцессорной системе

Назначение методов доступа. CSMA/CD. CSMA/CA. Управление трафиком. Множественный доступ с контролем несущей и обнаружение коллизий. Множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий. Доступ по передаче маркера. Доступ по приоритету запроса.

Тема 4.9. МУЛЬТИПРОЦЕССОРНЫЕ АРХИТЕКТУРЫ

Архитектура Ethernet. Происхождение. Основные характеристики. Стандартные IEEE на 10 Мбит/с. 10 Base T, 10 Base 2, 10 Base 5. Комбинирование «толстого» и «тонкого» Ethernet. Стандарты IEEE на 100 Мбит/с. 100 VC-Any LAN. Спецификация. Топология. 100 Base X Ethernet. Архитектура Token Ring. Обзор, основные характеристики. Структура. Функционирование. Аппаратные компоненты. Концентратор. Емкость. Магистральная система. Архитектура Apple. Talk и ArcNet. Функционирование. Аппаратное обеспечение.

Тема 4.10. Создание мультипроцессорных систем

Расширение локальных сетей. Репитеры, принцип работы. Отсутствие изоляции и фильтрации. Мосты, принцип работы. Создание таблицы маршрутизации. Создание сетевого трафика. Удаленные мосты. Различие между мостами и репитерами. Маршрутизаторы, принцип работы. Типы маршрутизаторов. Различие между мостами и маршрутизаторами. Мосты - маршрутизаторы. Шлюзы, принцип работы. Передача данных. Аналоговая связь. Коммутируемые линии. Типы коммутируемых линий. Выделенные аналоговые линии. Подавление помех. Цифровая связь. Мультиплексирование. Деление канала. Подавление помех. Сети с коммутацией пакетов. Принцип работы. Виртуальные каналы. Методы решения проблем, связанных с сетевым программным и аппаратным обеспечением.

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

1. 
   Системы счисления, применяемые в цифровой технике.
   

2. Двоичная арифметика, арифметические операции МП.

3. Развитие архитектуры, логической структуры МП.

4. Оценка возможностей и обоснование выбора архитектуры МП.

5. Анализ команд и режимов адресации памяти МПС.

6. Программирование МПС на языках высокого и низкого уровней.

7. Элементная база и схемотехника средств сопряжения МПС.

8. Узлы цифровых и цифроаналоговых устройств МПС.

9. Средства сопряжения устройств ввода с МПС.

10. 
    Моделирование МПС на МПК отечественного и зарубежного производства.
    

11. Составление программ, обеспечивающих работу МПС на базе МПК, Z-80, Intel 8080, 8085, 8086, 286, 386, 486, Pentium.

12. Планирование мультимикропроцессора (ММПС): выбор типа сети, вы- бор топологии сети, сети с топологией “шина”, “кольцо”.

13. Планирование ММПС: магистральная система, выбор среды передачи, выбор платы сетевого адаптера.

14. Проблемы в ММПС и методы их решения - методы доступа.

15. Проектирование ММПС.

16. Эксплуатация ММПС.

17. Реализация отказоустойчивости ММПС.

18. Расчет производительности ММПС.

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

1. 
   Ознакомление с работой на микроЭВМ. Пошаговый режим функционирования операционного устройства МПС.
   
2. 
   Регистры микропроцессора. Команды загрузки регистров. Команды пересылки. Методы адресации памяти. Команды работы с памятью.
   
3. 
   Выполнение арифметических операций.
   
4. 
   Выполнение логических операций.
   
5. 
   Команды циклического сдвига и сдвига с переносом.
   
6. 
   Команды сравнения.
   
7. 
   Команды безусловного и условного переходов.
   
8. 
   Подпрограмма и стек. Команды ввода-вывода.
   

Примерный перечень технических средств

И ПРОГРАММ

1. Локальная вычислительная сеть с сетевой операционной системой

WINDOWS -NT Server.

2. 
   IDaSS V0. 08d, Mini - IDaSS V7. 00 - интерактивная система проектирования ММПС и МПС.
   

3. Учебный микропроцессорный комплект (УМК) – микроЭВМ.

4. Пакет программ для УМК на языке низкого уровня.

ЛИТЕРАТУРА

Основная

1. 
   Бутыльский Ю. Т. Вычислительная и микропроцессорная техника. -М.: Радио и связь, 1998.
   

2. Каган Б.М. Основы проектирования МПУ автоматики. -М.: Сфера, 1993.

3. 
   Клингман Э. Проектирование микропроцессорных систем. -М.: Бином, 1997.
   

4. Преснухин Л. Н. Микропроцессоры. Т.1-3. -М.: Высш. шк., 1987.

5. Янсен Й. Курс цифровой электроники. Т.1-4. -М.: Мир, 1987.

6. Шматин А.С. Лабораторный практикум. Ч.1: Микропроцессоры. -Мн.: БГУИР, 1994.

7. Шматин А.С. и др. Лабораторный практикум. Ч. 2. Микропроцессоры. Программное обеспечение. -Мн.: БГУИР, 1994.

8. Клингман Э. Проектирование специализированных микропроцессорных систем. -М.: Бином, 1997.

9. IDaSS for ULSI - практическое руководство, 1997.

10. Sheldon, Tom, ed LAN Times Encyclopedia of Networking. New York: Osborne McGraw -Hill, 1994.

11. Tannenbaum, Andrew S. Computer Networks, Second Edition. Englewood Cliffs: Prentice Hall, 1996.

12. 
    Microsoft Corporation. Компьютерные сети.: Учебный курс. Channel Traiding –1997.
    

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ

1. 
   Хвощ С. Микропроцессоры в системах автоматического управления. – М.: Машиностроение, 1987.
   
2. 
   Кауфман М., Сидман А. Практическое руководство по расчетам в электронике. - М.: Энергоатомиздат, 1993.
   
3. 
   Хорвиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1996.
   
4. 
   Мик Дж., Брик Дж. Проектирование микропроцессорных устройств с разрядно-модульной организацией. - М.: Мир, 1984.
   
5. 
   Руководство по архитектуре IBM PC AT. -М.: Консул, 1992.
   
6. 
   Фрир Дж. Построение вычислительных систем на базе перспективных микропроцессоров. - М.: Мир, 1990.
   
7. 
   Фергусон Дж. Обслуживание микропроцессорных систем. -М.: Мир, 1989.
   
8. 
   Коффрон Дж. Расширение микропроцессорных систем. -М.: Мир, 1992.
   
9. 
   Гук М., Юрьев В. Процессоры Pentium ІІІ, Athlon и др. -СПБ.: Питер, 2000.
   
10. 
    Корнеев В.В., Киселев А.В. Современные микропроцессоры. - М.: Нолидж, 2000.
    
11. 
    Белоус А.И., Пономарь В.Н. Схемотехника биполярных микросхем для высокопроизводительных систем обработки информации. -Мн: Полифакт, 1998.
    
12. 
    Гусев В.М., Гусев Ю.Г. Электроника и микропроцессорная техника.- М.: Высш. шк., 2004.
    

<предыдущая страница