1610
.pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»
Применение вычислительных машин, систем и сетей в
автоматизации и управлении
Методические указания для самостоятельной работы по направлению подготовки бакалавра 15.03.04 Автоматизация технологических процессов и производств
профиль Автоматизация и управление в технологических системах форма обучения очная
Воронеж 2019
2
УДК 004.384
Применение вычислительных машин, систем и сетей в автоматизации и управлении: методические указания для самостоятельной работы по направлению подготовки бакалавра 15.03.04 Автоматизация технологических процессов и производств (профиль Автоматизация и управление в технологических системах) для очной формы обучения / А. В. Стариков; М-во науки и высшего образования РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2019. –
15 с.
Печатается по решению редакционно-издательского совета ВГЛТУ
Рецензент: заведующий кафедрой электротехники и автоматики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», доктор технических наук, профессор Афоничев Д.Н.
3
Введение
Учебный план по направлению подготовки бакалавра 15.03.04 – «Автоматизация технологических процессов и производств» включает изучение дисциплины «Применение вычислительных машин, систем и сетей в автоматизации и управлении» в течение 3-го семестра в объёме 108 часов, из которых 18 часов отводится для лекционных занятий, 36 часов для лабораторных работ, 18 часов для самостоятельной работы студентов. На подготовку к итоговому контролю отводится 36 часов. Итоговый контроль осуществляется в виде сдачи экзамена.
Рабочая программа дисциплины определяет в качестве основной цели усвоение студентами принципов организации и функционирования вычислительных машин, систем и сетей, а также возможностей их использования при решении задач автоматизации и управления технологическими процессами и производствами.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
ознакомление с краткой историей развития вычислительной техники, общей структурой и функциональными возможностями вычислительных машин, классификацией вычислительных машин и сетей, примерами использования их в системах автоматизации и управления технологическими процессами;
изучение принципов организации и функционирования вычислительных машин, систем и сетей, состава центральных и периферийных (внешних) устройств вычислительных машин, способов организации взаимодействия вычислительных машин и систем, включенных в состав информационно-вычислительных сетей;
уяснение основных понятий архитектуры вычислительных машин, структуры операционных устройств и памяти, организации шин и системы ввода-вывода, топологии информационно-вычислительных сетей;
усвоение арифметических и логических основ вычислительных машин, приемов перевода чисел из одной позиционной системы счисления в другую, арифметических операций над двоичными числами, способов кодирования числовой и символьной информации, основных операций и законов алгебры логики (булевой алгебры);
приобретение навыков работы с двоичной информацией, выполнения
арифметических и логических операций над данными, представленными в двоичном виде, преобразования логических выражений с использованием основных законов булевой алгебры.
В результате освоения дисциплины «Микропроцессорная техника» студент должен:
знать: структуру, функциональные возможности и классификацию вычислительных машин, основные понятия, принципы построения и функционирования информационно-вычислительных сетей, состав
4
центральных и периферийных (внешних) устройств вычислительных машин и систем;
уметь: использовать основные понятия архитектуры вычислительных машин, систем и сетей, анализировать структуру операционных устройств и памяти, организации шин и системы ввода-вывода, топологию информационно-вычислительных сетей;
владеть: методикой и практическими приемами перевода чисел из одной позиционной системы счисления в другую, двоичного кодирования числовой и символьной информации, основами алгебры логики, основными понятиями анализа и синтеза логических схем.
1 Содержание учебной дисциплины
В соответствии с рабочей программой освоение дисциплины «Микропроцессорная техника» предусматривает изучение следующих разделов (тем) и вопросов, входящих в их состав:
Раздел 1. ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН
Цели и задачи дисциплины. Краткая история развития вычислительной техники. Общая организация и принципы работы ЭВМ с традиционной архитектурой. Принципы Джона фон Неймана. Основной цикл работы вычислительной машины (цикл управления фон Неймана). Арифметические основы вычислительной техники. Понятие системы счисления. Позиционные системы счисления. Двоичная система счисления. Двоичная арифметика и представление информации в ЭВМ. Логические основы вычислительной техники. Алгебра логики (булева алгебра). Аксиомы и теоремы алгебры логики. Базовые логические элементы. Элементы анализа и синтеза простейших структурных логических схем. Простейшие логические устройства для реализации вычислительных функций.
Раздел 2. АРХИТЕКТУРА И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН
Понятие архитектуры ЭВМ. Структурная и функциональная организация ЭВМ. Центральный процессор. Память. Устройства ввода-вывода. Организация шин. Принстонская (фон-неймановская) и гарвардская архитектуры вычислительных машин: особенности, преимущества, недостатки, примеры реализации. Система команд ЭВМ. Форматы команд. Методы (режимы) адресации операндов. Примеры форматов команд, использующих различные методы адресации. Классификация и характеристики ЭВМ. Понятие семейства ЭВМ. Известные примеры отечественных и зарубежных семейств ЭВМ. Поколения ЭВМ.
Раздел 3. СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ И СЕТЕЙ
Организация параллельных вычислений. Классификация архитектур вычислительных систем: SISD, MISD, SIMD, MIMD. Архитектура памяти параллельных вычислительных систем. Общие понятия информационновычислительных сетей. Эталонная модель взаимодействия открытых систем
5
ISO/OSI. Типы сетей связи. Протоколы и технологии локальных сетей. Сетевые устройства локальных сетей. Программное обеспечение и функционирование локальных сетей. Глобальные сети. Сеть Internet. Семейство (стек) протоколов TCP/IP. Адресация в стеке протоколов TCP/IP. Корпоративные сети: функции, характеристики, типовая структура, сетевое оборудование и программное обеспечение. Корпоративные информационные порталы.
Назначение лекционных занятий по дисциплине «Применение вычислительных машин, систем и сетей в автоматизации и управлении» получение теоретических знаний студентами по важнейшим разделам дисциплины, а также формирование общего представления по обзорным темам (вопросам) дисциплины.
Помимо лекционных занятий, обязательным элементом изучения дисциплины «Применение вычислительных машин, систем и сетей в автоматизации и управлении» является выполнение студентом лабораторных работ. В соответствии с рабочей программой дисциплины «Применение вычислительных машин, систем и сетей в автоматизации и управлении» предусматривается следующая тематика лабораторных занятий (в скобках указано нормативное количество времени, отводимое на выполнение и защиту лабораторной работы):
1.Двоичная система счисления. Двоичная арифметика и представление информации в ЭВМ (6 часов).
2.Алгебра логики (булева алгебра). Аксиомы и теоремы алгебры логики (6 часов).
3.Базовые логические элементы. Простейшие комбинационные логические устройства (6 часов).
4.Арифметико-логическое устройство, оперативная память, мультиплексная организация шин микро-ЭВМ (10 часов).
5.Протоколы и технологии локальных сетей. Программное обеспечение и функционирование локальных сетей (4 часа).
6.Глобальные сети. Сеть Internet. Семейство (стек) протоколов TCP/IP. Адресация в стеке протоколов TCP/IP (4 часа).
Выполнение лабораторных работ предусматривает использование учебно-лабораторного оборудования, подготовку письменного отчёта о выполненной работе и его защиту. При защите отчёта студент должен продемонстрировать знание необходимого теоретического материала по теме практического занятия, аргументировано ответить на вопросы преподавателя, касающиеся практической части работы.
2 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы
При осуществлении самостоятельной работы студент должен руководствоваться указаниями преподавателя, данными методическими указаниями, методическими материалами лабораторного практикума, материалами конспекта лекций, рекомендованной основной и дополнительной учебной литературой, включая электронные источники информации.
6
Ниже приведен перечень основной и дополнительной литературы, имеющейся в учебной библиотеке ВГЛТУ и доступных электронных библиотечных системах (ЭБС).
Основная литература
1. Вычислительная техника [Электронный ресурс] : учеб. пособие / А. В. Душкин, О. В. Ланкин, Р. В. Чекризов ; ФКОУ ВПО Воронежский институт ФСИН России. Воронеж : Изд.-полиграф. центр «Научная книга», 2015. 325
с. ЭБС «Знаниум». http://znanium.com/bookread2.php?book=924589.
2. Юдина, Н. Ю. Вычислительные машины, системы и сети [Текст] : учеб. пособие / Н. Ю. Юдина; М-во образования и науки Рос. Федерации, Фед. гос. бюджет. учреждение высш. проф. образования «Воронеж. гос. лесотехн. акад.». Воронеж, 2015. 219 с. ЭБС ВГЛТУ.
Дополнительная литература
1. Стариков, А. В. Применение вычислительных машин, систем и сетей в автоматизации и управлении [Электронный ресурс] : Лабораторный практикум по направлению подготовки бакалавра 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств» для очной формы обучения / А. В. Стариков. ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». Воронеж, 2018. 56 с. ЭБС ВГЛТУ.
2.Стариков, А. В. Применение вычислительных машин, систем и сетей в автоматизации и управлении [Электронный ресурс] : методические указания к выполнению курсовой работы по направлению подготовки бакалавра 15.03.04
«Автоматизация технологических процессов и производств» для очной формы обучения / А. В. Стариков. ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». Воронеж, 2018. 14 с. ЭБС ВГЛТУ.
3.Новожилов, О. П. Архитектура ЭВМ и систем [Текст] : учеб. пособие для бакалавров : доп. УМО вузов по унив. политехн. образованию в качестве учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений, обучающихся по направлению 230100 «Информатика и вычислительная техника» / О. П.
Новожилов. М. : Юрайт, 2012. 527 с.
4. Олифер, В. Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы [Текст] : рек. М-вом образования и науки Рос. Федерации в качестве учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений, обучающихся по направлению «Информатика и выч. техника» и по специальностям «Автоматизир. машины, комплексы, системы и сети», «Программное обеспечение выч. техники и автоматизир. систем» / В. Г. Олифер, Н. А. Олифер. СПб : Питер, 2010. 944 с.
Для качественного освоения дисциплины потребуются следующие ресурсы информационно-телекоммуникационной сети «Интернет»:
ЭБС «Единое окно доступа к образовательным ресурсам»: http://window.edu.ru/;
ЭБС «Знаниум»: http://znanium.com;
7
Интернет-университет информационных технологий: http://www.intuit.ru;
сайт с обширной подборкой научной, учебной и учебно-методической
литературы, представленной в виде библиотеки открытых электронных источников: http://www.twirpx.com.
Поскольку лекции читаются не в полном объеме дисциплины, то студентам на самостоятельное изучение выносится ряд тем (табл. 1). Преподаватель сообщает студентам их общее содержание и организует контроль знаний по заявленным темам.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
№ |
Тема самостоятельной работы |
Номер источника |
||||||||
п/п |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
||||||
1 |
Краткая история |
развития |
вычислительной |
1(осн.), С. 3-21; |
||||||
|
техники. |
|
|
|
|
|
|
|
3 (доп.) С. 9-13. |
|
2 |
Двоичная система счисления. Двоичная |
1 (осн.), С. 22-59; |
||||||||
|
арифметика и представление информации в |
2 (доп.), С. 7-11. |
||||||||
|
ЭВМ. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
Элементы анализа и синтеза простейших |
1 (осн.), С. 60-80; |
||||||||
|
структурных логических схем. |
|
|
|
2 (осн.), С. 48-53; |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 (доп.) С. 11-12. |
|
4 |
Принстонская |
и |
гарвардская |
архитектуры |
1 (осн.), С. 177-191; |
|||||
|
вычислительных |
машин: |
|
особенности, |
2 (осн.), С. 8-27; |
|||||
|
преимущества, |
|
недостатки, |
|
примеры |
3 (доп.), С. 25-27. |
||||
|
реализации. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
Классификация и характеристики ЭВМ. |
1 (осн.), С. 5-13. |
||||||||
|
Понятие семейства ЭВМ. Поколения ЭВМ. |
|
||||||||
6 |
Организация |
параллельных |
|
вычислений. |
2 (осн.), С. 118-131; |
|||||
|
Классификация |
архитектур |
вычислительных |
3 (доп.), С. 425-517. |
||||||
|
систем: |
SISD, MISD, SIMD, MIMD. |
||||||||
|
|
|||||||||
|
Архитектура |
|
памяти |
|
|
параллельных |
|
|||
|
вычислительных систем. |
|
|
|
|
|
||||
7 |
Протоколы и технологии локальных сетей. |
2 (осн.), С. 131-186; |
||||||||
|
Сетевые |
устройства |
локальных |
сетей. |
4 (доп.), С. 20-106. |
|||||
|
Программное |
|
обеспечение |
и |
||||||
|
|
|
||||||||
|
функционирование локальных сетей. |
|
|
|||||||
8 |
Глобальные |
сети. |
Сеть |
Internet. Семейство |
2 (осн.), С. 200-206; |
|||||
|
(стек) протоколов TCP/IP. |
Адресация в стеке |
4 (доп.), С. 61-87. |
|||||||
|
протоколов TCP/IP. |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
Проверка качества освоения разделов (тем) дисциплины осуществляется посредством текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации
8
студентов. Результаты текущего контроля отражаются в баллах модульнорейтинговой системы оценки знаний.
Контроль результатов самостоятельной работы студентов выполняется преподавателем. При этом для проверки ряда разделов (тем) целесообразно организовать тестовую форму контроля знаний обучающихся.
3 Перечень вопросов для подготовки к экзамену по дисциплине «Применение вычислительных машин, систем и сетей в
автоматизации и управлении»
1.Краткая история развития вычислительной техники.
2.Общая организация и принципы работы ЭВМ с традиционной архитектурой.
3.Принципы Джона фон Неймана.
4.Основной цикл работы вычислительной машины (цикл управления фон Неймана).
5.Арифметические основы вычислительной техники.
6.Понятие системы счисления. Позиционные системы счисления.
7.Двоичная система счисления. Двоичная арифметика и представление информации в ЭВМ.
8.Логические основы вычислительной техники. Алгебра логики (булева алгебра)
9.Аксиомы (постулаты) и теоремы (законы) алгебры логики.
10.Базовые логические элементы.
11.Элементы анализа и синтеза простейших структурных логических схем.
12.Простейшие логические устройства для реализации вычислительных функций.
13.Понятие архитектуры ЭВМ. Структурная и функциональная организация ЭВМ.
14.Центральный процессор ЭВМ.
15.Память ЭВМ.
16.Устройства ввода-вывода ЭВМ.
17.Организация шин ЭВМ.
18.Принстонская (фон-неймановская) и гарвардская архитектуры вычислительных машин: особенности, преимущества, недостатки, примеры реализации.
19.Система команд ЭВМ. Форматы команд.
20.Методы (режимы) адресации операндов. Примеры форматов команд, использующих различные методы адресации.
21.Классификация и характеристики ЭВМ.
22.Понятие семейства ЭВМ. Известные примеры отечественных и зарубежных семейств ЭВМ. Поколения ЭВМ.
23.Организация параллельных вычислений.
9
24.Классификация архитектур вычислительных систем: SISD, MISD, SIMD, MIMD.
25.Архитектура памяти параллельных вычислительных систем.
26.Общие понятия информационно-вычислительных сетей.
27.Эталонная модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI.
28.Типы сетей связи.
29.Протоколы и технологии локальных сетей.
30.Сетевые устройства локальных сетей.
31.Программное обеспечение и функционирование локальных сетей.
32.Глобальные сети. Сеть Internet.
33.Семейство (стек) протоколов TCP/IP.
34.Адресация в стеке протоколов TCP/IP.
35.Корпоративные сети: функции, характеристики, типовая структура, сетевое оборудование и программное обеспечение.
36.Корпоративные информационные порталы.
4 Тесты для проверки остаточных знаний по дисциплине «Применение вычислительных машин, систем и сетей в автоматизации и управлении»
икритерии оценки ответов
1.Выбрать правильный эквивалент для числа 16510:
1)101001012;
2)010110102;
3)2438;
4)А716.
2.Выбрать правильный эквивалент для числа 011011012:
1)1358;
2)10910;
3)10810;
4)6B16.
3.Выбрать правильный эквивалент для числа 2158:
1)010101012;
2)13110;
3)8D16;
4)D816.
4.Выбрать правильный эквивалент для числа В716:
1)101001112;
2)2278
3)16710;
4)19510.
5.Выбрать правильный эквивалент двоичного представления в прямом коде для числа -12510:
1)111111012;
2)100000102;
3)100000112;
10
4)110110112.
6.Выбрать правильный эквивалент двоичного представления в обратном коде для числа -12510:
1)111111012;
2)100000102;
3)100000112;
4)110001112.
7.Выбрать правильный эквивалент двоичного представления в дополнительном коде для числа -12510:
1)111111012;
2)100000102;
3)100000112;
4)001111112.
8.При сложении 2-х двоичных чисел получен следующий результат:
0101100 + ? = 0110011
Выбрать двоичное число, использованное в качестве второго слагаемого:
1) 00001010;
2) 00001101;
3) 00000111;
4) 00000101.
9. Выполнено сложение положительного числа 01100002, представленного в прямом коде, с отрицательным числом 110110112, представленным в дополнительном коде. Выбрать число, представляющее сумму (результат
сложения): |
|
|
|
||
1) |
258; |
|
|
|
|
2) |
-1316; |
|
|
|
|
3) |
1110; |
|
|
|
|
4) |
111100112. |
|
|
|
|
10. Таблица истинности |
|
|
|||
|
X |
|
Y |
F(X, Y) |
|
|
0 |
|
0 |
0 |
|
|
1 |
|
0 |
0 |
|
|
0 |
|
1 |
0 |
|
|
1 |
|
1 |
1 |
|
соответствует логической (булевой) функции: |
|||||
1) |
конъюнкции (И); |
|
|
||
2) |
дизъюнкции (ИЛИ); |
|
|
||
3) |
сложение по модулю 2 (исключающее ИЛИ, неравнозначность); |
||||
4) |
инверсия функции конъюнкции (И-НЕ, штрих Шеффера); |
||||
11. Таблица истинности |
|
|
|||
|
X |
|
Y |
F(X, Y) |
|
|
0 |
|
0 |
0 |
|
|
1 |
|
0 |
1 |
|
|
0 |
|
1 |
1 |
|
|
1 |
|
1 |
1 |
|