ПРЕДИСЛОВИЕ

Данные методические указания (МУ) составлены в соответствии с учебным планом СГАУ бакалаврской подготовки 230100.4.62-2014-О-П-4г00м для изучения дисциплины Б3.Б.2 «ЭВМ и периферийные устройства», относящейся к направлению 230100.62 «Информатика и вычислительная техника» (ИВТ). Они также могут быть полезны студентам, обучающимся по специальностям, связанным с информационными технологиями.

В брошюре описаны только две лабораторные работы из всего курса, рассчитанного на один семестр. Студентам отводится на них 8 академи­ческих часов практических занятий и 6 часов самостоятельной работы.

МУ к лабораторным работам посвящены изучению структурной организации электронно-вычислительных машин (ЭВМ). Изучение этих вопросов необходимо для понимания работы вычислительных систем.

МУ дают студентам знания принципов устройства ядра современных ЭВМ, а также дают им типичные примеры практической реализации этих принципов на примере арифметико-логического устройства (АЛУ) ‑ основного узла микропроцессора.

Рассмотрен двухтактный конвейерный АЛУ, работающий на основе принципа микропрограммного управления, применяющегося сейчас практически во всех цифровых вычислительных устройствах. Этот АЛУ имеет двухуровневое управление процессом вычислений, также широко применяемое в современных ЭВМ и контроллерах.

Обсуждаются различные способы кодирования микрокоманд, синхронизация комбинационных схем с обычно более медленными оперативными запоминающими устройствами (ОЗУ).

Для изучения использованы виртуальные макеты двух составных структурных блоков АЛУ – операционного и управляющего автоматов. Для их создания и для обучения на них студентов использован графический редактор и эмулятор из одной из систем автоматизированного проектирования (САПР), разработанной для программирования ПЛИС. Это позволяет не только изучить проект и даже самостоятельно его создать, но и увидеть «изнутри» его работу, изучить реакцию системы во времени на множество факторов, которые заранее трудно учесть.

В лабораторных работах использованы виртуальные макеты (так называемые «проекты», по терминологии фирмы-разработчика данной САПР), разработанные студентами и преподавателями СГАУ. Они прошли успешную апробацию в образовательном процессе СГАУ на факультете «Информатика»– в курсовом и дипломном проектировании, а также в практических занятиях и лабораторных работах студентов специальности «Автоматизированные системы обработки информации и управления» (АСОИУ). Все эти проекты можно найти в Учебно-методическом комплексе дисциплины (УМКД) «Аппаратные средства вычислительной техники» по специальности 090105 «Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматизированных систем». Этот УМКД относится ко второму поколению таких комплексов. Он составлен на кафедре ИСТ СГАУ.

Изучая описанные здесь лабораторные работы, студенты решают следующие основные задачи:

  • ознакомление с принципами организации АЛУ;

  • изучение основ работы с современными средствами проектирования цифровых вычислительных систем;

  • изучение работы АЛУ.

Перед выполнением лабораторных работ по данным МУ студентам следует ознакомиться с используемой в них САПР. Студентам предлагается это сделать на примере самостоятельного проектирования относительно несложного устройства – четырехразрядного двоичного вычитателя.

В данных лабораторных работах студенты проходят, фактически, лишь первоначальное знакомство с АЛУ. Поэтому, для относительной простоты изложения, в него не включены вопросы программной и аппаратной реализации арифметических операций для чисел с плавающей запятой.

Изучение предмета в данных лабораторных работах основано на булевой логике, теории автоматов и цифровой схемотехнике.

В подготовке лабораторных работ использовались – в качестве ядра автоматизированной системы – компьютеры, совместимые IBM PC. Использованы компьютеры на основе микропроцессоров типа Pentium.

Программное обеспечение (ПО) компьютеров, использованное в лабораторных работах, следующее. Это операционные системы (ОС) Windows XP, либо Windows Vista, либо Windows 7. Прикладное программное обеспечение включает в себя типичный набор прикладных программ для офиса, обычно устанавливаемых на компьютере вместе с ОС.

Для выполнения лабораторных работ потребуется также и специа­лизированное приложение – САПР MAX+PLUS II («Altera», США) в версии не ниже десятой. В данных работах в последнее время использовалась версия 10.2.

По описанию данной САПР и работе с ней издано немало публикаций. Для успешного выполнения лабораторных работ мы рекомендуем студентам ознакомиться с трудами украинских специалистов В. Поречного [1] и В. Стешенко [2]. Первое из них подходит для первоначального знакомства с предметом, а второе – для более углубленного изучения и для справок.

В МУ достаточно подробно излагаются теоретические вопросы.

Успешное изучение предмета на данных лабораторных работах требует знания основ цифровой схемотехники.

Кроме этого, студентам также потребуются базовые физико-математические знания в объеме технического вуза.

Знания, полученные из данного практикума, будут полезными в курсах «Микропроцессорные средства систем автоматизации», «Операционные системы», «Интерфейсы АСОИУ». Эти знания также являются основой для курсового и дипломного проектирования.

Лабораторные работы из данных методических указаний следует дополнить ознакомительной работой с САПР. Кроме этого, в практическую часть дисциплины «ЭВМ и периферийные устройства» входит лабораторная работа, посвященная функциональной организации ЭВМ (на примере системы прерываний компьютеров IBM PC), а также лабораторная работа, посвященная системе ввода/вывода компьютеров этого семейства.

Отметим, что вместе с другими названными здесь лабораторными работами практическая часть занимает несколько больший объем, в зависимости от конкретных учебных дисциплин. Так, согласно рабочей программе по дисциплине «ЭВМ и периферийные устройства» и учебному плану 230100.4.62-2014-О-П-4г00м, на очные занятия отводятся 54 академических часа, и столько же ‑ на самостоятельную работу.

При сокращенном объеме обучения по данным МУ можно совместить ознакомление с САПР и первую из работ.

Все использованные в данных работах материалы взяты из открытых источников и использованы (а также предназначены для использования в дальнейшем) только в учебных и образовательных целях.

Этот труд впервые выходит в тираж, хотя в практике работы со студентами на кафедре ИСТ СГАУ к настоящему времени использованы уже две его редакции. В ходе этой апробации был замечен и устранен ряд недостатков как самих МУ, так и используемых в практике проектов. Однако, как в любой сложной открытой системе, отдельные недостатки все же не могут не присутствовать. Это следует учесть тем читателям, кто решится использовать данный материал «в железе». Авторы и редакция не могут нести ответственность за возможные последствия в этих случаях. Тем не менее, все замечания и конструктивные предложения будут рассмотрены и учтены.

Информация для контактов – адрес электронной почты: oleg_zayakin@inbox.ru ; адрес обычной почты: СФ ФИАН, ул. Ново-Садовая, 221, г. Самара, 443011, Россия; номер служебного телефона: +7 846 335 95 83; номер служебного факса: +7 846 335 56 00; служебная веб-страница (строго модерируется!): http://www.fian.smr.ru/personal_page.php?id=48&lang=rus .

Хочется выразить признательность доценту кафедры ИСТ А. С. Овсянникову за любезное предоставление проектов для использования их в MAX+PLUS II.