Департамент образования и науки Кемеровской области Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования

Департамент образования и науки Кемеровской области
Государственное образовательное учреждение
среднего профессионального образования
«Кузнецкий индустриальный техникум»
«Вычислительная техника»
(наименование дисциплины)
Методические указания и контрольные задания
для студентов-заочников образовательных учреждений
среднего профессионального образования
по специальности
140448.51
код
«Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и
наименование специальности
электромеханического оборудования (по отраслям)»
Новокузнецк
2014 г.
ББК 74.5 +32.973
А 234
Утверждено на заседании методического совета
ГОУ СПО «Кузнецкий индустриальный техникум»
Протокол № ___ от __.__.2014г.
Председатель методического совета
_______________ Н.В. Ананьина
Рассмотрено на заседании ЦМК
Компьютерных систем и программирования
Протокол № __ от __.__.2014г.
_______________ Н.В. Максименко
Агаркова Н.А. Вычислительная техника: Методические указания и
контрольные задания для студентов-заочников образовательных учреждений среднего профессионального образования по специальности 140448.51
/Н.А. Агаркова. – Новокузнецк: Кузнецкий индустриальный техникум,2014.21 с.
©Агаркова Н.А., 2014
©ГОУ СПО «Кузнецкий индустриальный техникум», 2014
1
Содержание
Пояснительная записка
3
Примерный тематический план
6
Раздел 1 Математические и логические основы вычислительной техники
7
Тема 1.1 Виды информации и способы представления ее в ЭВМ
7
Тема 1.2 Логические элементы ЭВТ
9
Раздел 2 Типовые узлы и устройства вычислительной техники
12
Тема 2.1 Типовые комбинационные цифровые устройства
12
Тема 2.2 Последовательностные цифровые устройства
15
Раздел 3 Микропроцессоры
17
Тема 3.1 Структурная схема микропроцессора
17
Тема 3.2 Способы адресации
20
Тема 3.3 Организация интерфейсов в вычислительной системе
21
Тема 3.4 Микропроцессорные системы в сфере профессиональной
деятельности
22
Задания для контрольной работы и методические указания
по её выполнению
23
Указания к выполнению заданий №1 и №2
24
Указания к выполнению задания №3
28
Примерный перечень лабораторных работ
39
Информационное обеспечение обучения
40
2
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Рабочая программа учебной дисциплины является частью основной профессиональной образовательной программы с учётом запросов работодателей,
особенностей развития региона, науки, экономики, техники, технологий и социальной сферы в рамках, установленных ФГОС по специальности СПО 140448.51
«Эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)»
утвержденным приказом Министерства образования и
науки РФ от 25.02.2010 №144 и является единой для всех форм обучения.
Учебная дисциплина «Вычислительная техника» входит в профессиональный цикл.
Настоящему курсу должно предшествовать изучение следующих дисциплин: «Информатика и ИКТ», «Электротехника и электроника».
В результате освоения программы дисциплины обучающийся заочной
формы обучения должен уметь:
- определять логическое состояние на выходе цифровой схемы по известным состояниям на её входах
- выбирать тип микросхемы по справочнику, исходя из заданных параметров и условий использования;
- читать электрические схемы, построенные на цифровых микросхемах.
В результате освоения дисциплины обучающийся заочной формы обучения должен знать:
-
основные сведения об электронно-вычислительной технике: класси-
фикацию, характеристики, принцип действия;
- виды информации и способы представления ее в ЭВМ; системы счисления, перевод чисел из одной системы счисления в другую, правила недесятичной арифметики;
- логические основы ЭВМ, элементарные логические функции;
- типовые узлы и устройства вычислительной техники: регистры, де3
шифраторы, счетчики, сумматоры; принципы построения и классификацию
устройств памяти;
- способы организации интерфейсов в вычислительной технике;
- основы микропроцессорных систем, архитектуру микропроцессора и ее
элементы, систему команд микропроцессора, процедуру выполнения команд,
рабочий цикл микропроцессора.
Результатом
освоения
программы
дисциплины
является
овладение
обучающимися общими (ОК) и профессиональными компетенциями (ПК):
ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.
ОК 2. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.
ОК 3. Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и
нести за них ответственность.
ОК 4. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для
эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.
ОК 5. Использовать информационно-коммуникационные технологии в
профессиональной деятельности.
ОК 6. Работать в коллективе и в команде, эффективно общаться
с коллегами, руководством, потребителями.
ОК 7. Брать на себя ответственность за работу членов команды (подчиненных), за результат выполнения заданий.
ОК 8. Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение
квалификации.
ОК 9. Ориентироваться
в
условиях
частой
смены
технологий
в профессиональной деятельности.
4
ОК 10. Исполнять воинскую обязанность, в том числе с применением полученных профессиональных знаний (для юношей).
ПК 1.1. Разрабатывать схемы цифровых устройств на основе интегральных
схем разной степени интеграции.
В соответствии с программой при изучении дисциплины необходимо выполнить одну контрольную работу.
Изучение дисциплины и выполнение контрольной работы следует начинать с подбора рекомендуемых источников.
Затем необходимо ознакомиться с методическими указаниями по отдельным темам, уяснить объём темы и последовательность изучаемого материала.
После этого перейти к изучению материала по рекомендуемым методическим
указаниям.
5
Примерный тематический план
Раздел 1. Математические и логические основы вычислительной техники
Тема 1.1 Виды информации и способы представления её в ЭВМ
Тема 1.2 Логические элементы ЭВТ
Раздел 2. Типовые узлы и устройства вычислительной техники
Тема 2.1 Типовые комбинационные цифровые устройства
Тема 2.2 Последовательностные цифровые устройства
Раздел 3 Микропроцессоры
Тема 3.1 Структурная схема микропроцессора
Тема 3.2 Способы адресации
Тема 3.3 Организация интерфейсов в вычислительной системе
Тема 3.4 Микропроцессорные системы в сфере профессиональной деятельности
6
ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Раздел 1 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ И ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Тема 1.1 Виды информации и способы представления ее в ЭВМ
Студент должен:
уметь:
- переводить числа из одной системы счисления в другую.
Виды информации и способы представления ее в ЭВМ. Системы счисления,
взаимосвязь между системами счисления, перевод чисел из одной системы счисления в другую. Формы представления чисел с фиксированной запятой. Формы
представления чисел с плавающей запятой. Понятие разрядной сетки. Правила
недесятичной арифметики;
знать:
- виды информации и способы представления ее в ЭВМ;
- системы счисления, способы перевода чисел из одной системы счисления
в другую;
- способы представления чисел в ЭВМ.
Методические указания
Понятие информация предполагает наличие двух объектов – источника информации и её потребителя. Материальные объекты, посредством которых происходит перенос информации от источника к потребителю, называется носителями информации. Отображение множества состояний источника в множество
состояний носителя называется способом кодирования. В вычислительной тех7
нике, использующей цифровые вычислительные машины, применяют двоичные
(бинарные) коды, для которых число символов равно двум (0 и1). Таким образом, с помощью всего двух символов можно и производить вычисления, и обрабатывать любую другую информацию. Необходимо рассмотреть виды информации: числовые и нечисловые.
Системы счисления делятся на позиционные и непозиционные. Необходимо
разобраться какие системы счисления и почему применяются в ЭВМ. Чем характеризуется позиционная система счисления. Правило перевода из одной системы счисления в другую.
Состояние обрабатываемой информации отражается в разрядной сетке, числа
в которую могут быть занесены двумя способами: в форме с плавающей запятой
и в форме с фиксированной запятой. Необходимо рассмотреть, как записывается
число в форме с плавающей запятой и с фиксированной запятой. Достоинства и
недостатки этих форм представления чисел.
В вычислительных устройствах операции вычитания, деления, умножения
сводятся к операциям сложения и сдвига промежуточных результатов влево или
вправо в зависимости от выполняемого действия. Это возможно, если в операциях будут участвовать не сами числа, а их коды: прямой, обратный и дополнительный. Необходимо научиться переводить положительные и отрицательные
числа в прямой, обратный и дополнительный коды. А также выполнять операции сложения и вычитания в модифицированных обратном и дополнительном
кодах над числами с фиксированной запятой.
Источник: [1] глава 1, [2] глава 4, глава 5; [3] глава 1, глава 2, глава 3, глава 4.
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое носители информации?
2. Виды информации.
8
3. Что такое система счисления?
4. Почему в вычислительной технике используется двоичная система счисления?
5. По какому правилу число из шестнадцатеричной системы счисления переводится в двоичную систему и наоборот?
6. Чем отличается образование дополнительного кода отрицательного числа от
обратного кода?
7. Какие преобразования необходимо выполнить при переводе из обратного и
дополнительного кодов отрицательного числа в прямой код?
Тема 1.2 Логические элементы ЭВТ
Студент должен:
иметь представление:
- о цифровых электронных схемах, их элементах и компонентах;
уметь:
- согласовывать ИМС по логическим уровням и нагрузочным способностям;
- производить синтез и анализ цифровых схем.
знать:
- параметры и характеристики ИМС основных технологий;
- форму сигналов;
- параметры сигналов: низкий и высокий логические уровни;
- особенности применения логических элементов.
Понятие цифровых электронных схем. Классификация и определения. Критерии сравнения цифровых ИМС Степень интеграции ИМС. Классификация и
система обозначений цифровых ИМС. Основные логические операции. Таблицы
9
истинности. Параметры и характеристики логических элементов различных технологий. Применение логических элементов в устройствах вычислительной техники.
Основной базис алгебры логики. Законы алгебры логики. Нормальные и совершенные нормальные формы, минимизация логических функций. Синтез и
анализ цифровых схем.
Методические указания
Наиболее часто применяются электронные устройства в виде интегральных
микросхем (ИМС). Цифровые ИМС обеспечивают строительство практически
всех узлов и блоков ЭВМ и других цифровых устройств, в которых обрабатываемая информация представлена в виде двоичных чисел. Подавляющее большинство ИМС представляет собой потенциальные ЛЭ. Параллельно с развитием
цифровой техники шло создание различных серий ИМС. Серия ИМС представляет собой комплект микросхем, имеющих единое схемотехническое и конструктивно-технологическое исполнение. Необходимо рассмотреть различные
серии ИМС сравнить их электрические параметры и степенью интеграции.
Все схемы вычислительных устройств построены на элементах, выполняющих логические операции. Такие элементы принято называть логическими (ЛЭ).
Они используются для оценки и решения задач алгебры логики (исчисления высказываний). Под высказыванием понимается любое утверждение, о котором
можно
сказать, что оно истинно, или оно ложно. Одно из высказываний принимают за
1, другое за 0.
В логике не требуется знания абсолютного значения величины, поэтому физическая величина, подвергаемая логическим преобразованиям, называется переменной, или аргументом. Логические переменные могут подвергаться различным преобразованиям с использованием ЛЭ. Такие преобразования описываются с помощью переключательных функций. Любая функция может быть задана
10
различными способами. Необходимо рассмотреть эти способы.
Для реализации простейших функций алгебры логики проводят анализ и синтез. Синтез включает в себя следующие этапы: постановка задачи; составление
таблицы истинности, составление СДНФ (СКНФ) на основе таблицы истинности; построение схемы с учетом оптимального набора элементов.
Одна из основных задач синтеза заключается в выборе типов элементов, на
которых будут реализовываться заданные функции. Поэтому необходимо определить минимальный набор ЛЭ (базис). Необходимо изучить основные ЛЭ И,
ИЛИ, НЕ, выполняемые ими логические функции, таблицы истинности, временные диаграммы. А также электрические схемы, реализующие основные логические функции.
Для преобразования логических функций, содержащих одну переменную,
пользуются тождествами. Для преобразования логических функций, содержащих
несколько переменных, необходимо соблюдать определенный порядок, который
представляется в виде законов алгебры логики. Необходимо изучить основные
законы алгебры логики: переместительный, сочетательный, распределительный,
закон двойного отрицания и правило де Моргана и их применение для минимизации переключательных функций.
Как правило, переключательная функция, подвергаемая упрощению, представляется в двух формах: СДНФ и СКНФ. Необходимо изучить запись функций
в СДНФ и СКНФ.
Источник: [1] §1.3, [2] гл.6, §7.2; [3] гл.7, гл. 8.
Вопросы для самоконтроля
1.Что такое логическая функция?
2.Какие логические функции считаются элементарными?
3.Какими способами может быть задана функция, реализуемая логической схемой?
11
4.Что такое основной базис алгебры логики?
5.Что такое СДНФ и СКНФ?
Раздел 2 ТИПОВЫЕ УЗЛЫ И УСТРОЙСТВА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Тема 2.1 Типовые комбинационные цифровые устройства
Студент должен:
иметь представление:
- о назначении и областях применено, ИМС различных серий;
уметь:
- выбирать серии ИМС по справочнику, исходя из заданных параметров и
условий использования;
- производить синтез и анализ цифровых схем комбинационного типа;
знать:
- условные графические обозначения ИМС комбинационного типа;
- принцип работы ИМС комбинационного типа;
- назначение и принцип работы дешифратора, его параметры;
- назначение и принцип работы мультиплексора, его параметры;
- принцип работы сумматора, его параметры.
Шифраторы и дешифраторы. Назначение. Таблица состояний. УГО шифратора и дешифратора. Параметры. Примеры использования. Сравнительные характеристики микросхем, приведенных в справочнике.
Мультиплексоры и демультиплексоры. Принцип работы мультиплексора (селектора). Таблица состояний. УГО мультиплексора. Параметры. Примеры использования. Сравнительные характеристики микросхем мультиплексоров, при12
веденных в справочнике. Принцип работы демультиплексора. Таблица состояний.
УГО демультиплексора. Примеры использования.
Сумматоры. Определение сумматора. УГО полного сумматора и таблица его
состояний. Сравнительные характеристики микросхем сумматоров, приведенных
в справочнике.
Методические указания
Преобразование информации в ЭВМ производится электронными устройствами (логическими схемами) двух классов: комбинационными устройствами и
последовательностными устройствами.
Реализуемый в комбинационных устройствах способ обработки информации называется комбинационным, т. к. результат обработки информации зависит
только от комбинации входных сигналов и вырабатывается сразу же при подаче
входной информации. Комбинационные устройства цифровых систем либо собираются из отдельных микросхем малой степени интеграции (МИС) И-НЕ,
ИЛИ-НЕ, либо изготавливаются в виде МС средней степени интеграции (СИС),
либо входят в состав больших ИС (БИС) и сверх больших ИС (СБИС). Комбинационные устройства называются цифровыми автоматами без памяти (примитивными).
К комбинационным устройствам относятся: дешифраторы, шифраторы,
мультиплексоры, демультиплексоры, преобразователи кодов, сумматоры, компараторы.
При изучении дешифратора и шифратора обратите внимание, что эти
устройства преобразуют входную информацию. Дешифратор преобразует двоичный код в сигнал, который возникает только на одном из его выходов. Шифратор преобразует сигнал на входе в двоичный код на выходе. Изучите условное
графическое обозначение (УГО) дешифратора и шифратора, таблицы истинности, поясняющие работу этих устройств, а также области использования. По
справочнику найдите маркировку обозначения дешифраторов и шифраторов.
При изучении мультиплексоров и демультиплексоров обратите внимание,
13
что эти устройства применяются для передачи информации. Мультиплексор передает информацию с нескольких входов на один выход. Демультиплексор с одного входа на несколько выходов в зависимости от адресного кода. Изучите
УГО мультиплексоров и демультиплексоров, таблицы истинности, поясняющие
работу этих
устройств, области использования. По справочнику найдите маркировку обозначения.
Сумматор представляет собой устройство, предназначенное для сложения
двоичных чисел. Изучите классификацию сумматоров, УГО полного одноразрядного сумматора, таблицу истинности, а также какие арифметические операции кроме сложения можно выполнять с помощью сумматора и что для этого
необходимо.
Источник: [1] §1.4, [2] гл.7 §7.6 - §7.9; [3] гл. 9, гл.10, гл.11.
Вопросы для самоконтроля
1.Что такое комбинационное устройство?
2.В чем заключается сущность процесса дешифрации?
3.Каково количество выходных шин полного дешифратора при дешифрации
трехразрядного числа?
4.Привести примеры использования дешифраторов.
5.Что такое шифратор?
6.Для чего нужен мультиплексор и демультиплексор, в чем разница между ними?
7.Что такое сумматор?
8.Каковы различия в построении схем сумматора последовательного и параллельного действия?
14
Тема 2.2 Последовательностные цифровые устройства
Студент должен:
уметь:
- выбирать тип регистра и триггера и стандартную микросхему по справочнику, исходя из заданных параметров и условий использования;
- выбирать тип счетчика и стандартную микросхему по справочнику; исходя из
заданных параметров и условий использования;
- выполнять каскадное включение счетчиков;
- выбирать тип микросхемы памяти по справочнику, исходя из заданных параметров и условий использования;
знать:
- принцип работы различных типов триггеров и регистров;
- типы и параметры счетчиков;
- параметры сигналов: частота повторения, фронт, срез;
- характеристики и отличительные особенности микросхем памяти различных
типов;
- принцип работы различных типов микросхем памяти.
Триггеры (RS, D, Т, JK-типов): принцип работы, функциональная схема,
временная диаграмма, параметры, примеры использования, микросхемное исполнение.
Регистры (параллельные, последовательные, реверсивные, сдвигающие).
Определение, временная диаграмма работы регистра, установка нулевого состояния, параметры, сигналы управления, примеры использования, микросхемное
исполнение, сравнительные характеристики регистров разных серий микросхем.
Счетчики. Классификация. Принципы построения и работа счетчиков. Суммирующие, вычитающие и реверсивные счетчики. Счетчики с произвольным коэффициентом пересчета.
Классификация ИМС памяти. Характеристики МС памяти. Принципы по15
строения ИМС памяти.
Принцип построения ИМС ОЗУ. Принцип построения ИМС ПЗУ.
Методические указания
Последовательностные устройства это цифровые автоматы с памятью.
Сигнал на выходе этих устройств зависит не только от комбинации входных
сигналов, но и от того в каком состоянии находилось устройство до подачи
входных импульсов.
Основным устройством, которое способно запомнить цифровую информацию, является триггер. Он имеет два устойчивых состояния, одно из которых
принимается за 1, а другое – за 0. В вычислительной технике наибольшее распространение получили триггеры, выпускаемые в виде интегральных микросхем. Необходимо рассмотреть различные типы триггеров (RS, D, T, JK), их
классификацию, принцип работы в зависимости от входных сигналов.
Регистры представляют собой упорядоченную последовательность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове. Необходимо рассмотреть классификацию регистров в зависимости от способа ввода и вывода информации, принцип построения регистров последовательного и параллельного действия и их работу.
Счетчик - это устройство, предназначенное для подсчета числа импульсов,
поступающих на его вход и фиксации этого числа в виде двоичного кода на выходах. Необходимо рассмотреть, что является основой для построения счетчиков, их классификацию и принцип работы в зависимости от направления счета.
Микросхемы памяти неотъемлемая часть ПК во многом определяющая его
технические характеристики. В МС памяти бит информации хранится в специальном запоминающем элементе, а в ячейке памяти хранится слово или его
часть. Ячейка памяти состоит из запоминающих элементов. Помимо запоминающих элементов в состав МС памяти входят схемы, обеспечивающие запись и
считывание информации. МС памяти делятся: на энергозависимые и энергоне16
зависимые. Необходимо рассмотреть УГО МС памяти оперативных запоминающих устройств (ОЗУ) и постоянных запоминающих устройств (ПЗУ), их характеристики и применение, а также отличия в режимах работы. Найти по справочнику различные типы МС памяти и их обозначение.
Источник: [1] §1.3, §1.4, [2] §7.3 -§7.5; [3] глава 13, глава 14, глава 15;
Вопросы для самоконтроля
1.Для чего предназначены триггеры?
2.В чем заключаются различия в работе схем триггеров, имеющих только информационный вход, и триггеров, имеющих информационный и управляющий
(вход синхронизации) входы?
3.Чем различается работа триггеров со статическим и динамическим управлением?
4.Как устроен регистр и каково его основное назначение?
5.Сравните быстродействие регистров параллельного и последовательного действия.
6.Что такое счетчик?
7.Каково назначение микросхем памяти?
8.В чем разница между ОЗУ и ПЗУ?
9.Какому типу МС памяти соответствуют обозначения ROM, PROM, RAM?
Раздел 3 МИКРОПРОЦЕССОРЫ
Тема 3.1 Структурная схема микропроцессора
Студент должен:
иметь представление:
- о современной элементной базе БИС и СБИС в вычислительной технике и
17
перспективах ее развития;
- о принципе работы микропроцессора;
уметь:
- читать временные диаграммы различных машинных циклов микропроцессора;
знать:
- назначение и структуру микропроцессора
- структуру команд типового микропроцессора;
- систему команд микропроцессора, процедуру выполнения команд;
- рабочий цикл микропроцессора.
Реализация процессоров на основе БИС и СБИС различных типов. Классификация микропроцессоров. Назначение блоков арифметико-логического устройства, устройства управления, блок регистров микропроцессора. Принцип работы
микропроцессора.
Структура памяти. Сегментация. Вычисление адреса. Структура команд. Система команд микропроцессора, процедура выполнения команд. Рабочий цикл
микропроцессора. Работа микропроцессора при выполнении прерывания. Взаимодействие аппаратного и программного обеспечения в работе ЭВМ.
Методические указания
Процессор – это главная часть цифровой ЭВМ, осуществляющая сложную
переработку информации. Наибольшее распространение получили процессоры,
выполненные на одном кристалле, или однокристальные микропроцессоры
(МП). Необходимо рассмотреть классификацию МП по различным признакам, а
также структуру МП. Структура МП – это сведения только о составе его компонентов, соединениях между ними, обеспечивающих их взаимодействие. Также
необходимо рассмотреть назначение основных компонентов МП – это арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ), регистры общего назначения (РОН) и аккумулятор (А), регистр команд (РгК), счетчик команд (СчК), регистр адреса (РгА) и другие устройства, назначение шин адреса
18
(ША), шины данных (ШД), шины управления (ШУ), внутренней шины (ВШ).
Так как МП является конечным автоматом, то его можно представить в виде
некоторого цифрового устройства, состоящего из двух частей: операционной и
управляющей. В операционной части совершаются элементарные действия по
обработке информации. Все эти операции производятся под воздействием сигналов управляющей части и синхронизируются тактовыми сигналами. Необходимо рассмотреть рабочий цикл МП при выполнении различных операций по
шагам.
При работе МП могут появиться события, требующие его внимания, возникающие в нем самом или во внешних устройствах. Эти события называются сигналами прерываниями. Если МП может воспринимать этот сигнал в данный момент времени, то начинается режим обмена информацией по прерыванию. Он
выполняется в определенном порядке. Необходимо рассмотреть порядок работы
МП при выполнении прерывания.
Источник: [1] §3.1, [2] глава 8, глава 11.
Вопросы для самоконтроля
1.Каково назначение процессора в ЭВМ?
2.Что такое микропроцессор?
3.Перечислите основные характеристики МП.
4.Какие сигналы поступают по шинам процессора?
5.Каково назначение АЛУ?
6.Какие функции выполняет УУ?
7.Что такое команда?
8. Зачем нужны прерывания?
19
Тема 3.2 Способы адресации
Студент должен:
уметь:
- решать задачи программирования микропроцессора с использованием различных способов адресации микропроцессорной системы;
знать:
- способы адресации, используемые при программировании микропроцессорных
систем.
Понятие способа адресации. Различные способы адресации (на примерах микропроцессоров, использующих различные типы организации взаимодействия в вычислительной системе). Регистровая, непосредственная, косвенная, прямая, стековая адресации.
Методические указания
Большая часть команд МП работает с кодами данных (операндами). Одни команды требуют входных операндов (одного или двух), другие выдают выходные операнды. Определение места положения операндов производится кодом команды. Существуют разные методы, с помощью которых код команды может определить, откуда брать входной операнд и куда поместить выходной операнд. Эти методы называются методами адресации. Необходимо рассмотреть: регистровую, непосредственную, косвенную, прямую и стековую адресации их различия и использование.
Источник: [2] §10.3; [3] §21.3.
Вопросы для самоконтроля
1.Какие существуют способы адресации?
2.Какой из способов адресации самый быстрый?
20
Тема 3.3 Организация интерфейсов в вычислительной технике
Студент должен:
уметь:
- строить временные диаграммы различных циклов обмена информацией;
знать:
- основные классы интерфейсов, используемых в вычислительной технике;
- основные управляющие сигналы и принципы организации обмена информацией в интерфейсах различных типов.
Различные классы интерфейсов вычислительных систем. Внутренние интерфейсы (шины), внешние интерфейсы (порты), интерфейсы процессоров.
Методические указания
Связь устройств автоматизированных систем друг с другом осуществляется с
помощью средств сопряжения, которые называются интерфейсами. Интерфейс
представляет собой совокупность коммутаторов, линий, сигналов, электронных
схем и алгоритмов (протоколов), предназначенную для осуществления обмена информацией между устройствами.
В соответствии с функциональным назначением интерфейсы можно поделить на следующие основные классы: системные интерфейсы ЭВМ; интерфейсы
периферийного оборудования; программно-управляемых модульных систем и приборов; интерфейсы сетей передачи данных.
Источник: [1] глава 4.
Вопросы для самоконтроля
1.Что такое интерфейс?
2.Что относится к внутренним интерфейсам?
21
3.Что относится к внешним интерфейсам?
4.В чем разница между синхронной и асинхронной передачами данных?
5.Какие достоинства у интерфейса USB?
6.На каких принципах основаны беспроводные интерфейсы?
Тема 3.4 Микропроцессорные системы в сфере профессиональной деятельности
Студент должен:
знать:
принципы организации микропроцессорных систем с реальными внешними
устройствами применительно к сфере профессиональной деятельности.
Принцип организации и построения микропроцессорных систем с реальными
внешними устройствами в сфере профессиональной деятельности.
Методические указания
Микропроцессорная система (МПС) – это вычислительная, контрольноизмерительная или управляющая система, основным устройством обработки информации в которой является МП. В основу построения микропроцессорных систем положено три принципа: магистральности, модульности, микропрограммного
управления. Магистральность определяет характер связей между блоками МПС –
все блоки соединяются с единой системной шиной. Модульность состоит в том, что
система строится на основе ограниченного количества типов конструктивно и
функционально законченных модулей. Принцип микропрограммного управления
состоит в возможности осуществления элементарных операций – микрокоманд.
Микропроцессорная система обеспечивает большую гибкость работы, она способна настраиваться на любую задачу. Гибкость определяется также выбором режима работы системы, т. е. режима обмена информацией по системной шине (ма22
гистрали). Любая МПС поддерживает три основных режима работы по магистрали:
программный обмен информацией; обмен с использованием прерываний; обмен с
использованием прямого доступа к памяти.
Диапазон применения МПС очень широк, требования к МПС применяются самые разные, поэтому сформировалось несколько типов МПС, различающихся
мощностью, универсальностью, быстродействием, и структурными отличиями.
Основные типы МПС: микроконтроллеры; контроллеры; микрокомпьютеры; компьютеры
Рассмотрите типы микропроцессорных систем, применяемых на производстве,
где Вы работаете. Для каких целей они применяются? Также рассмотрите микропроцессорные системы управления приводами. Из каких основных блоков состоят
эти системы? В каких режимах работают данные системы?
Вопросы для самоконтроля
1.Что такое МПС?
2.Что означает режим работы МПС – программный обмен информацией?
3.Какой режим обмена предполагает отключение процессора?
4.Микропроцессорная система какого типа разрабатывается чаще всего?
Источник: [6]
Задания для контрольной работы
и методические указания по её выполнению
При выполнении контрольной работы необходимо соблюдать следующие
требования.
1. Чётко и правильно переписать задание контрольной работы по своему варианту. Выполненные работы по другому варианту, возвращаются без
проверки.
23
2. Ответы на вопросы должны быть чёткими, полными и аргументированными.
3. Работу выполнять пастой чётко и разборчиво; графики, схемы – с соблюдением действующих стандартов.
4. В тетради необходимо оставлять поля и место в конце работы для заметок,
страницы пронумеровать.
5. В конце работы привести перечень использованных источников, проставить дату выполнения и подпись.
Контрольная работа состоит из 4 заданий:
- два теоретических вопроса;
- две задачи.
Указания к выполнению заданий №1 и №2
В этих заданиях нужно ответить на теоретический вопрос. Для правильного и качественного ответа следует изучить соответствующий материал из рекомендуемой литературы. Ответ на вопрос должен быть конкретным, с пояснением
принципа работы того или иного устройства. Описываемые устройства следует
обязательно пояснить электрическими схемами, УГО, графиками, таблицами истинности.
В некоторых вопросах требуется сравнить различные устройства с точки
зрения особенностей их работы, отметить их преимущества и недостатки, а также применение.
Контрольное задание
Задание №1. Ответить на вопрос, в соответствии с заданным вариантом, из
таблицы 1.
24
Задание №2. Ответить на вопрос, в соответствии с заданным вариантом, из
таблицы 2.
Таблица 1 – Теоретические вопросы к заданию №1
Номер
Вопрос
варианта
Виды информации
1
Основные логические функции 2-х переменных
2
Внутренние интерфейсы
3
Правила перевода целой и дробной части числа из одной системы
4
счисления в другую
Кодирование чисел в ЭВМ
5
Способы представления переключательных функций
6
Минимизация переключательных функций
7
Описать основные характеристики ЭВМ
8
Классы ЭВМ, их назначение
9
Системы счисления
10
Интерфейсы периферийных устройств
11
Формы представления чисел
12
Способы адресации микропроцессоров
13
Основные логические элементы. УГО, таблицы истинности, принцип
14
работы
Организация рабочего цикла микропроцессора
15
Основные законы алгебры логики
16
Поколения ЭВМ
17
Назначение и характеристики интерфейсов
18
Классификация микропроцессоров
19
Внешние интерфейсы
20
СДНФ и СКНФ алгебры логики
21
Общие сведения о цифровых микросхемах
22
Работа микропроцессора при выполнении прерываний
23
25
Таблица 2- Теоретические вопросы к заданию №2
Номер
Вопрос
варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Начертить схему RS-триггера на логических элементах ИЛИ-НЕ. Привести временную диаграмму. Пояснить принцип работы.
УГО дешифратора. Привести таблицу истинности. Написать выходную функцию.
Пояснить принцип работы. Разрядность n=3 (число входов). Применение дешифраторов.
УГО шифратора. Назначение, принцип работы. Применение шифратора.
УГО мультиплексора «из 16 в 1». Привести таблицу истинности, выходную функция. Пояснить принцип работы. Применение мультиплексоров.
Регистр последовательного действия. Привести УГО, временную диаграмму работы. Пояснить принцип работы. Разрядность регистра n=4. Применение регистров
последовательного действия.
Начертить схему RS-триггера на логических элементах И-НЕ. Привести временную диаграмму. Пояснить принцип работы
УГО полного одноразрядного сумматора. Написать назначение выводов. Привести
таблицу истинности. Написать выходные функции сумматора. Пояснить принцип
работы
УГО D-триггера. привести временную диаграмму работы. Пояснить принцип работы. Применение D – триггеров.
УГО Т-триггера. Привести временную диаграмму работы. Пояснить принцип работы. Применение Т-триггеров.
УГО JK-триггера. Привести временную диаграмму работы. Пояснить принцип работы.
УГО суммирующего счетчика. Привести таблицу состояний выходов. Пояснить
принцип работы. Разрядность счетчика n=4
УГО ОЗУ статического типа с матричной организацией. Назначение выводов. Пояснить принцип работы при различных режимах.
УГО демультиплексора «из 1 в 16». Привести таблицу истинности. Написать выходную функцию. Пояснить принцип работы.
УГО РПЗУ. Назначение выводов. Пояснить принцип работы при различных режимах
Классификация микросхем памяти. Характеристики микросхем памяти.
УГО ОЗУ динамического типа. Назначение выводов. Пояснить принцип работы
при различных режимах
Начертить структурную схему микропроцессора. Пояснить назначение блоков и
шин.
УГО дешифратора. Привести таблицу истинности. Написать выходную функцию.
Пояснить принцип работы. Разрядность n=4 (число входов).
УГО ППЗУ. Назначение выводов. Пояснить принцип работы при различных режимах.
УГО ОЗУ статического типа со словарной организацией. Назначение выводов.
Пояснить принцип работы при различных режимах.
УГО демультиплексора «из 1 в 8». Привести таблицу истинности. Написать выходную функцию. Пояснить принцип работы.
УГО мультиплексора «из 8 в 1». Привести таблицу истинности. Написать выходную функцию. Пояснить принцип работы.
26
23
Регистр параллельного действия. Привести УГО, назначение выводов. Пояснить
принцип работы.
Примечание: УГО – условное графическое обозначение
27
Указания к выполнению задания №3
Задание №3 состоит из двух задач. Номера задач выбираются из таблицы
3, в соответствии с заданным вариантом.
Перед тем как приступить к решению задач контрольной работы, следует
изучить методические указания к решению задач. В методических указаниях
даются разъяснения, как следует ответить на поставленный вопрос, разбираются
типовые примеры с пояснением хода решения.
Таблица 3 – Задачи к заданию №3
Номер варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Номер задачи
9г
3а
2а
11а
1б
3б
5г
2в
2г
11в
5в
2б
11г
4е
1г
5б
3в
1в
3г
4в
6г
11д
1а
Номер задачи
8б
5а
9а
4а
7а
11б
6а
10а
4д
3д
9б
7б
4б
6б
7в
4г
10б
8г
7г
6в
3е
9в
8в
28
Задачи к заданию №3
1.Построить схему на логических элементах ИЛИ-НЕ, заданную функцией
а) F = ( В  С) (А  D ) ( A  D) (B C )
б) F ( B C ) (A  C ) (B  D ) (D  C)
в) F ( A  D ) (B C  D) (C D ) (A  B)
г) F  A B(C
  D )( A  C)( B  D)
2.Построить схему на логических элементах И-НЕ, заданную функцией
а) F A BC D  AC D  BD  A С D
б) F A BC D  BD  A BC  C D
в) F A B  BC D  C D  A BC D
г) F BC  A BD  A BC  C D
3. Выполнить операцию вычитания в модифицированном обратном коде
а) 52 – 17
в) 33 - 22
д) 38 - 15
б) 47 – 22
г) 45 - 17
е) - 25 -37
4.Выполнить операцию сложения в модифицированном дополнительном
коде
а) – 37 + 14
в) 32 + 27
д) -39 + 18
б)
г) 26 - 13
е) 42 + 19
21 – 11
5.Напишите выражение булевой функции F, реализуемой схемой
29
5а
A
1
&
1
F
B
1
C
&
D
5б
30
A
1
&
B
F
1
1
&
C
D
1
1
5в
31
A
B
A
&
1
1
C
F
1
1
1
1
D
&
&
1
5г
A
&
1
B
1
C
&
1
F
1
D
&
1
32
6.Перевести число из десятичной системы счисления в шестнадцатеричную.
а) 1264,6810
б) 4525,7510
в) 3847,34110
г) 9568. 62810
7.Перевести число из шестнадцатеричной системы счисления в десятичную
а) 25А,516
б) 13С,816
в) 1D8,316
г) 3В6,216
8. Перевести число из двоичной системы счисления в шестнадцатеричную
а) 101101101,011012
б) 100011001,101012
в) 111111001,00110112
г) 1100101010,1011012
9. Перевести число из десятичной системы счисления в восьмеричную (получить четыре цифры после запятой)
а) 0,684110
б) 0,523810
в) 0,467210
г) 0,732410
10.Перевести число из двоичной системы счисления в десятичную
а) 10101011,12
б) 111101,112
в) 10101100,012
г) 111001,012
11.Построить схему на логических элементах НЕ, ИЛИ, И, заданную функцией
а) F ABC  C D  ABC D  (B C )
б) F( A  C  D )  BC  A( C  D)
в) F( A  C )  (B D)  ABD  ( C  B)
33
г) FB(A  C )  ABD  ( C  D )  (B C)
д) F  A BD(B
  C  D) BC ( C  D )
34
Для решения задачи 1 нужно применить закон двойного отрицания
и закон де Моргана.
Пример
Построить схему на логических элементах ИЛИ-НЕ, заданную функцией
F( B C ) ( C  D )
Решение
Для этого следует произвести двойную инверсию (используя закон двойного отрицания) над заданной КНФ и преобразовать по теореме де Моргана инверсию
конъюнкций в дизъюнкцию инверсий.
F ( B C ) ( C  D )  ( B C ) ( C  D )  ( B  C )  ( C  D )
для полученной функции построим схему в соответствии с рисунком 1
B
1
B
1
B C
F
1
C
1
C
C D
1
D
D
1
Рисунок 1
35
Для решения задачи 2 нужно применить закон двойного отрицания и закон де
Моргана, преобразуя инверсию дизъюнкций в конъюнкцию инверсий, а затем по
полученной функции построить схему.
Для решения задач 3 и 4 нужно перевести числа из десятичной системы
счисления в двоичную и применить правило перевода положительных и отрицательных чисел в обратный или дополнительный коды, а затем выполнить операцию сложения двоичных чисел.
Для решения задачи 5 нужно записать выходную функцию, начиная с входов
Пример
Написать выражение булевой функции F, реализуемой схемой, в соответствии с
рисунком 2
A
DD1
1
DD4
DD5
&
B
C
DD2
1
F
1
DD3
1
D
Рисунок 2
36
Решение
Запишем функцию, выполняемую логическим элементом (ЛЭ) DD1
f = (А + С)
Запишем функцию, выполняемую ЛЭ DD2
f= С
Запишем функцию, выполняемую ЛЭ DD3
f = ( D C )
Запишем функцию, выполняемую ЛЭ DD4
f = (A  C) (D  C ) В
Выходная функция будет иметь вид
F(A  C) (D  C ) B
Для решения задач 6 – 10 необходимо знать правила перевода из одной
системы счисления в другую.
Для решения задачи 11 необходимо знать, что ЛЭ, предназначенные для
выполнения указанных в формуле операций, располагаются на схеме, начиная от
входов в таком же порядке, в каком выполняются логические операции.
Пример
Построить схему на логических элементах НЕ, ИЛИ, И, заданную функцией
F A BC  A BC  A BC
37
Решение
Сначала изображают ЛЭ НЕ (инверторы) для получения функции отрицания входных переменных (по количеству входных переменных, имеющих отрицание), затем ЛЭ И, выполняющие функцию конъюнкция (по количеству слагаемых) и потом ЛЭ ИЛИ, реализующий функцию логического сложения (дизъюнкцию). Схема в соответствии с рисунком 3 .
А
1
&
В
1
&
1
F
С
1
&
Рисунок 3
38
Примерный перечень лабораторных работ
Наименование работы
Тема
Тема 1.3 Анализ и синтез КС с одним выходом и проверка их на работоспособность.
Тема 2 1 Изучение принципа построения основных комбинационных
устройств
Тема 2 1 Изучение принципа работы многоразрядного двоичного сумматора комбинационного типа.
Тема 2.2 Изучение принципа действия различных типов триггеров.
Кол.
час.
2
4
2
4
Тема 2.2 Изучение работы регистров.
2
Тема 2.2 Изучение принципа работы счетчика.
2
Тема 2.3 Изучение принципа работы ОЗУ.
2
Всего
20
39
Перечень рекомендуемых учебных изданий, Интернет-ресурсов, дополнительной литературы:
Основные источники:
1. Партыка Т.Л., Попов И.И. Вычислительная техника [Текст]: учебник / Т.Л.
Партыка, И.И. Попов – 2-е изд., испр. и доп. – М.: ФОРУМ, 2010. – 608 с.
2. Келим, Ю.М. Вычислительная техника [Текст]: учебник для студ.учрежд.
сред. проф. образования / Ю.М. Келим. - М.: Издательский центр «Академия»,
2013. – 368 с.
Дополнительные источники:
3. Мышляева И.М. Цифровая схемотехника [Текст]: учебник для сред. проф. образования / И.М. Мышляева. – М.: Издательский центр «Академия», -2005. – 400
с.
4. Нарышкин А.К. Цифровые устройства и микропроцессоры [Текст]: учебное
пособие для студ. высш. учеб. заведений / А.К. Нарышкин. – 2-е изд. Стер. – М.:
издательский центр «Академия», 2008. – 320 с.
Интернет-ресурсы
5. Новиков
Ю.В.
Курс:
Введение
в
цифровую
схемотехнику.
www.INTUIT.ru/department/hardware/digs/1/
6. Новиков Ю.Р. Учебный курс: Основы микропроцессорной техники.
www.INTUIN.ru/department/hardware/mpbasics/lit.html
40