Кіріспе

Әртүрлі деңгейдегі жиналымды микросхемалар арқылы жүзеге асырылатын цифрлық құрылғылар мен цифрлық өңдеу тәсілдері заман талабына сай (әртүрлі) құралымдардың негізін қалайды. (Бұл осы мәселелерге байланысты маманданушы студенттердің цифрлық құрылғылар жөнінде жеткілікті деңгейде білім алуын қажет етеді.)

Оқу құралының мақсаты – студенттердің цифрлық құрылғылар мен микропроцессорлардың құрылым принциптері және олардың жұмыс тәртібі жөніндегі білімін қалыптастырып, олардың оқу барысының келесі кезеңдерінде оқытылатын арнайы пәндерді (мысалы, Микропроцессорлық жүйелер, Бағдарламалы құрылымдар және т.б.) игеруіне немесе өздік жұмыс арқылы білім деңгейін көтеруіне қажетті түпнегіз қалау.

Оқу құралының бірінші бөлімінде цифрлық құрылғылардың математикалық (арифметикалық және логикалық) негіздері, қиыстырма және тізбектеме құрылғылардың құрылу тәртібі мен іс-әрекеті және олардың қалыпты түрлері, жады құрылғыларының негізгі құрылым принциптері мен кеңейтілу жолдары қарастырылған.

Оқу құралының екінші бөлімі, жалпы түрде микропроцессорлық жүйе (МПЖ) деп аталатын, есептеу, бақылау-өлшеу және басқару жүйелерінің құрамындағы басты құрылғысы саналатын, микропроцессорлардың құрылымымен, олардың іс-әрекеттерінің ұйымдастырылу тәртібімен таныстыруға арналған. Микропроцессорлардың негізгі құрылым принциптері мен жұмыс тәртібін түсіндіру үшін олардың нақтылы бір түрін қарастыру ыңғайлы келеді. Оқу құралында осындай үлгі ретінде осы заманның басқару жүйелерінде кең қолданылатын қарапайым микропроцессор Intel 8085 алынып, оның ішкі құрама блоктары мен іс-әрекетін басқарушы бағдарламаларының құрылу негіздері қарастырылды.

Микропроцессорлық жүйелерге байланысты материал оқу құралының екі бөлімін ұштастыру мақсатында және микропроцессорлардың құрылымы мен жұмыс тәртібін қарастыруға кіріспе ретінде енгізілген.

Оқу құралы автордың өндіріс және педагогика саласындағы көпжылдық тәжірибесінің негізінде жазылды. Мазмұны жағынан оқу құралы бакалаврлық оқу жүйесінде 050704 – Есептеу техникасы және бағдарламалы қамтамасыздандыру және 050719 – Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар мамандықтарына дайындау барысында оқытылатын “Цифрлық құрылғылар және микропроцессорлар” пәнінің бағдарламасына сәйкес келеді.

Айтылған мамандықтармен қатар оқу құралын (сәйкесті қысқарту немесе толықтыру арқылы) өзге мамандықтарға жоспарланған осы сияқты пәндерді оқыту барысында пайдалануға болады.

1 Цифрлық құрылғылар

1.1 Цифрлық құрылғылардың математикалық негіздері

Атқарар қызметі мен күрделілігі жағынан әртүрлі цифрлық құрылғының (логикалық элементтерден бастап есептеу машиналарына дейін) жұмысы екілік санау жүйесінде жүзеге асырылады, яғни олардың кірістеріне түсетін және оның шығыстарынан алынатын информация екілік сан түрінде көрсетіледі.

1.1.1 Екілік санау жүйесі

Цифрлық құрылғыларда пайдаланылатын екілік санау жүйесі позициялық санау жүйесіне жатады. Демек, сандарды екілік санау жүйесінде көрсету үшін және оларға арифметикалық операциялар жүргізу үшін, өзімізге таныс, күнделікті пайдаланылатын ондық санау жүйесінің қағидалары пайдаланылады. Сондықтан, алда келтірілетін, екілік санау жүйесіне байланысты түсіндірмелер ондық санау жүйесіндегі сәйкесті мәселелерді еске түсіріп, салыстырма қарастырылым арқылы жүргізіледі.

Ондық санау жүйесінде сан жазуға он символ (0 … 9) пайдаланылады (бұл жүйенің ондық санау жүйесі деп аталуы да осыған байланысты). Бұл символдардың сандағы тұрған орнына байланысты құны (салмағы) белгіленеді: ол онның (яғни, санау жүйесінің негізінің) сәйкесті разряд нөмірінің мәніндегі дәрежесі арқылы анықталады. Сонымен, санның ең кіші разрядындағы (нөлінші разрядтағы) символдың құны бір (10⁰), келесі разрядтың (бірінші разрядтың) құны он (10¹), одан әрі жүз (10²), мың (10³) және с.с. өзгере береді. Разряд құны, мәніне сәйкесті, бірлік, ондық, жүздік, мыңдық деп және с.с. аталады, ал сан разрядында тұрған символ сәйкесті разряд құнының сан құрамына қанша рет кіретіндігін көрсетеді. Келесі мысал арқылы айтылғанды түсіндірейік:

.

Сонымен, келтірілген санның құрамында 7 бірлік, 5 жүздік, 3 мыңдық бар, ал ондық жоқ (0).

Екілік санау жүйесінде сан жазуға екі символ (0 және 1) пайдаланылады. Разряд құны екінің (яғни, санау жүйесінің негізінің) сәйкесті разряд нөмірінің мәніндегі дәрежесі арқылы анықталады. Сонымен, санның ең кіші разрядындағы (нөлінші разрядтағы) символдың құны бір (2⁰), келесі разрядтың (бірінші разрядтың) құны екі (2¹), одан әрі төрт (2²), сегіз (2³) және с.с. өзгере береді. Разряд құны бірлік, екілік, төрттік, сегіздік деп және с.с. аталады, ал екілік код разрядында тұрған символ сәйкесті разряд құнының сан құрамына қанша рет кіретіндігін, дәлірек айтқанда, бар-жоқтығын көрсетеді. Айтылғанды келесі мысал суреттейді:

.

Код құрамындағы символдардың 0 және 1 мәнінде ғана болуына байланысты, олар разрядқа сәйкесті құндық мәннің код құрамында бар-жоқтығын көрсетеді. Мысалы, келтірілген мысалдағы кодтың құрамында бірлік, екілік және сегіздік бар (1), ал төрттік жоқ (0).

1.1.2.1 Сандардың түрлендірілімі

1.1.1.1.1 Ондық санның екілік санға түрлендірілуі

Өзімізге үйреншікті ондық сан түріндегі информацияны цифрлық құрылғыда өңдеу үшін ол екілік санау жүйесіндегі сәйкесті көрсетілім түріне, яғни екілік кодқа түрлендірілуі керек. Ол үшін түрлендірілетін сан және алынған кезекті бөлінділер екіге (яғни, жаңа санау жүйесінің негізіне) тізбелеп бөлінеді де, бөлінді мәні нөл болған кезде бөлу операциялары тоқтатылады; жеке бөлу операцияларында анықталған қалдықтардың шығарылым бағытына қарсы тәртіппен жазылымы осы ондық санның екілік кодын береді. Мысал ретінде, ондық санау жүйесіндегі 75 санына сәйкесті екілік кодтың анықталуын көрсетелік:

75₁₀ = 1001011₂.

Әрине, көрсетілген тәсілмен кез келген ондық санның сәйкесті екілік кодын анықтауға болады. Бірақ автор бұл тәсілді жеңіл тәсіл деп санамайды: біріншіден, бұндағы тізбелеп жүргізілетін бөлу операциялары ұзақ уақыт алады (мысал ретінде ондық 1000 санының екілік кодын алып көріңіз); екіншіден, тізбеленген бөлу операцияларының жүргізілу ұзақтығынан, қателік жіберу ықтималдығы да ұлғая түседі.

Айтылған тәсілдің кемістіктерінен құтылу мақсатында, автор ондық санның екілік кодын анықтауға іс жүзінде пайдаланып жүрген өз тәсілдерін ұсынады және оның біріншісін суреттеуге алдыңғы мысалда алынған 75 саны пайдаланылады:

- алдымен алынған ондық санның құрамына кіретін екінің ең жоғарғы дәрежесіндегі санның екілік коды жазылады (64₁₀ = 2⁶ = 1000000₂, бұл санды сөз ыңғайлылығы үшін бірінші қадам коды деп аталық);

- келесі қадамда түрлендірілетін саннан анықталған бірінші қадам коды алып тасталады да (75 – 64 = 11), қалған санның құрамына кіретін екінің ең жоғарғы дәрежесіндегі сан анықталады (8₁₀ = 2³ = 1000₂, бұл санды екінші қадам коды деп аталық);

- осы тәртіппен жалғастыра отырып, ақырында өзімізге жатталымды кішігірім санның кодына жетеміз (11 – 8 = 3, 3₁₀ = 11₂);

- алынған бірнеше қадам кодтарын қосу арқылы қажетті код шығарылады.

Бұл тәсілдің айтылған тәртібінің біріктірілген суреттемесін көрсетелік:

Сонымен, қосу тәсілі деп аталатын бұл тәсілдің әр қадамында анықталатын кодтардың жазылымы да (1 және бірнеше нөл), олардың ақырында өзара қосылуы да оңай орындалатын операциялар болғандықтан бұл тәсіл арқылы ондық санның екілік кодын анықтау қиын болмайтындығы сөзсіз. Бірақ, кейбір жағдайда бұл тәсілді одан әрі жеңілдету мүмкіндігі туады. Мысалы, 1000 санының кодын шығару үшін алдыңғы тәсілді пайдалану алты қадамға созылады (512 + 256 + 128 + 64 + 32 + 8). Алынған сан 512-ден гөрі 1024-ке (2¹⁰) жуық, сондықтан бұл жерде қажетті кодты шығару үшін 1024 санының кодынан 24-тің кодын алу жеңіл болар еді деген ой туады. Бірақ, 1024-тің 10000000000 түріндегі екілік кодынан 24 санының 11000 кодын алу тасымал арқылы жүзеге асырылатындықтан бұл оңай операция емес. 1024-тен 1 кемітілген 1023 санының коды 1111111111 болады және одан 23 санының 10111 кодын алу қиын еместігін осы мысалдың келесі суреттемесінен көреміз:

Сонымен, алу тәсілі деп аталатын екінші тәсіл коды ізделінетін ондық санның екінің нақтылы дәрежелі санынан аздап кем болған кезінде пайдалануға ыңғайлы келеді. Ол келесі тәртіппен жүзеге асырылады:

- алдымен алынған ондық саннан аздап жоғары болатын екінің нақтылы дәрежесі арқылы сипатталатын саннан 1 кемітілген санның коды алынады (ол қатар жазылған бірнеше 1 арқылы жазылады және ондағы 1-дің саны дәреже мәніне тең болады):

- бастапқы сан мен алынған кодтың ондық мәнінің айырымы анықталып, келесі қадамда екі тәсілдің ыңғайлысын пайдалану арқылы осы санның коды анықталады;

- ақырында бірінші қадам кодынан екінші қадам коды алынып, қажетті код шығарылады.

Кейбір жағдайда ондық санға сәйкесті қажетті код айтылған екі тәсілді кезектеп пайдалану арқылы алынады.

1.1.1.1.2 Екілік санның ондық санға түрлендірілуі

Керісінше жағдайда, яғни берілген екілік код арқылы оған сәйкесті ондық санды анықтау код жазылымындағы 1 символдарының тұрған разрядтарына сәйкесті құндарын қосу арқылы жүзеге асырылады, оны келесі мысал суреттейді:

110110001₂ = 2⁸ + 2⁷ + 2⁵ + 2⁴ + 2⁰ = 256 + 128 + 32 + 16 + 1 = 433₁₀.

1.1.1.1.3 Санның оналтылық жазылымы

Цифрлық құрылғылардың жұмысы екілік сандарға негізделген, бірақ пайдаланушыға мұндай сандармен жұмыс істеу (мысалы, Ассемблер тілінде бағдарлама құру кезінде) оңай нәрсе емес, сондықтан бұндай жағдайда пайдаланушының жұмысын жеңілдету үшін екілік кодтар оналтылық санау жүйесінде көрсетіледі. Жүйенің аталымына сәйкесті, бұл жүйеде сан жазуға (немесе көрсетуге) он алты символ пайдаланылады, олар – 1 … 9, A, B, C, D, E, F.

Ондық санның оналтылық жазылымын, әрине, дәстүрлі тәсілмен, яғни түрлендірілетін санды он алтыға бөліп, шығарылған қалдықтарды кері бағытта жазу арқылы анықтауға болады. Бірақ оны жеңілірек келетін тәсілмен анықтауға болады:

- алдымен ондық санның екілік коды анықталады;

- алынған кодтағы символдар кіші разрядынан бастап төрт-төрттен топтарға біріктіріледі;

- әрбір топтың кодына сәйкесті оналтылық символын қою арқылы түрлендірілетін ондық санның оналтылық жазылымы шығарылады.

Айтылғанды келесі мысал арқылы түсіну қиын емес:

.

1.1.2 Логикалық функциялар

Дата добавления: 2014-01-06