АЗОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ - филиал ДГТУ СРЕДНЕТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
Кафедра __Вычислительная техника и программирование____
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ И ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
Дисциплина___Архитектура ЭВМ и ВС___________________________ (наименование дисциплины)
Специальность_230105 Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем
2012 г.
(оборотная сторона титульного листа)
Составители: _______________________ ______________________________ (ФИО) (Занимаемая должность)
Рецензенты: _______________________ ______________________________ (ФИО) (Занимаемая должность)
Архитектура ЭВМ и вычислительных систем |
|
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Пояснительная записка Лабораторное занятие это форма организации учебного процесса, предполагающая выполнение студентами по заданию и под руководством преподавателя одной или нескольких лабораторных работ. Они составляют важную часть профессиональной практической подготовки специалистов. Цели выполнения практических работ: - закрепление знаний по теоретическим основам архитектуры ЭВМ и вычислительных систем; - получение практических навыков работы на компьютерах, отладки и тестирования программ. Для проведения лабораторных работ учебная группа делится на две подгруппы. После выполнения лабораторной работы и собеседования по ней с преподавателем студенту выставляется зачет. При отборе содержания лабораторных занятий, преподаватель руководствовался квалификационными требованиями к выпускнику специальности 230105 «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем». Анализ Государственных требований и содержания учебной дисциплины позволил выявить умения, овладение которыми возможно в ходе изучения учебного материала по дисциплине «Архитектура ЭВМ и вычислительных систем»: – выбирать рациональную конфигурацию оборудования в соответствии с решаемой задачей; – обеспечивать совместимость аппаратных и программных средств ВТ; – работать в интегрированной среде изучаемых языков программирования Содержанием лабораторных занятий по дисциплине является: моделирование систем, проектирование архитектуры ЭВМ, работа с использованием вычислительной техники. Содержание лабораторных занятий охватывает круг профессиональных умений, на формирование которых ориентирована данная дисциплина. Лабораторные занятия носят как репродуктивный, так и исследовательский характер, Это позволяет обеспечить высокий уровень познавательной деятельности студентов.
Содержание лабораторных работ и методические указания по их выполнению Лабораторная работа №1. Тема: Перевод из одной системы счисления в другую.
Цель: научиться переводить числа из одной системы счисления в другую.
Методические указания. Под системой счисления понимается способ представления любого числа с помощью некоторого алфавита символов, называемых цифрами. Все системы счисления делятся на позиционные и непозиционные. Непозиционными системами являются такие системы счисления, в которых каждый символ сохраняет свое значение независимо от места его положения в числе. Примером непозиционной системы счисления является римская система. К недостаткам таких систем относятся наличие большого количества знаков и сложность выполнения арифметических операций. Система счисления называется позиционной, если одна и та же цифра имеет различное значение, определяющееся позицией цифры в последовательности цифр, изображающей число. Это значение меняется в однозначной зависимости от позиции, занимаемой цифрой, по некоторому закону. Примером позиционной системы счисления является десятичная система, используемая в повседневной жизни. Количество p различных цифр, употребляемых в позиционной системе определяет название системы счисления и называется основанием системы счисления "p". В десятичной системе используются десять цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9; эта система имеет основанием число десять. Задание 1. Запишите развернутую и краткую формы записи любого числа. В ЭВМ применяют позиционные системы счисления с недесятичным основанием: двоичную, восьмеричную, шестнадцатеричную. В аппаратной основе ЭВМ лежат двухпозиционные элементы, которые могут находиться только в двух состояниях; одно из них обозначается 0, а другое 1. Поэтому основной системой счисления применяемой в ЭВМ является двоичная система. Двоичная система счисления. Используется две цифры: 0 и 1. Восьмеричная система счисления. Используется восемь цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Употребляется в ЭВМ как вспомогательная для записи информации в сокращенном виде. Для представления одной цифры восьмеричной системы используется три двоичных разряда (триада) (Таблица 1). Шестнадцатеричная система счисления. Для изображения чисел употребляются 16 цифр. Первые десять цифр этой системы обозначаются цифрами от 0 до 9, а старшие шесть цифр латинскими буквами: 10=A, 11=B, 12=C, 13=D, 14=E, 15=F. Шестнадцатеричная система используется для записи информации в сокращенном виде. Для представления одной цифры шестнадцатеричной системы счисления используется четыре двоичных разряда (тетрада) (Таблица 1).
Таблица 1. Наиболее важные системы счисления.
Перевод чисел из одной системы счисления в другую. Перевод чисел в десятичную систему осуществляется путем составления степенного ряда с основанием той системы, из которой число переводится. Затем подсчитывается значение суммы. Задание 2. Перевести 10101101.101 из «2» в «16», «8» и «10» с.с. При одновременном использовании нескольких различных систем счисления основание системы, к которой относится число, указывается в виде нижнего индекса. Задание 3. Переведите самостоятельно. а) Перевести 703.048 из «10» в «2», затем в «8» и наконец, в «16» б) Перевести B2E.416 из «16» в «10», затем в «8». Перевод целых десятичных чисел в недесятичную систему счисления осуществляется последовательным делением десятичного числа на основание той системы, в которую оно переводится, до тех пор, пока не получится частное меньшее этого основания. Число в новой системе записывается в виде остатков деления, начиная с последнего. Задание 4. а) Перевести 18110 из «10» в «2». б) Перевести 62210 из «8» в «2», затем в «10».
Перевод правильных дробей из десятичной системы счисления в недесятичную. Для перевода правильной десятичной дроби в другую систему эту дробь надо последовательно умножать на основание той системы, в которую она переводится. При этом умножаются только дробные части. Дробь в новой системе записывается в виде целых частей произведений, начиная с первого. Задание 5. Перевести 0.312510 Замечание. Конечной десятичной дроби в другой системе счисления может соответствовать бесконечная (иногда периодическая) дробь. В этом случае количество знаков в представлении дроби в новой системе берется в зависимости от требуемой точности. Задание 6. Перевести 0.6510 из «10» в «2» с.с. Точность 6 знаков. Для перевода неправильной десятичной дроби в систему счисления с недесятичным основанием необходимо отдельно перевести целую часть и отдельно дробную. Задание 7. Перевести 23.12510 из «10» в «2» с.с. Необходимо отметить, что целые числа остаются целыми, а правильные дроби дробями в любой системе счисления. Для перевода восьмеричного или шестнадцатеричного числа в двоичную форму достаточно заменить каждую цифру этого числа соответствующим трехразрядным двоичным числом (триадой) (Таб. 1) или четырехразрядным двоичным числом (тетрадой) (Таб. 1), при этом отбрасывают ненужные нули в старших и младших разрядах. Задание 8. а)Перевести 305.47 из «8» в «10» с.с. б)Перевести 7B2.E16 из «16» в «10». Для перехода от двоичной к восьмеричной (шестнадцатеричной) системе поступают следующим образом: двигаясь от точки влево и вправо, разбивают двоичное число на группы по три (четыре) разряда, дополняя при необходимости нулями крайние левую и правую группы. Затем триаду (тетраду) заменяют соответствующей восьмеричной (шестнадцатеричной) цифрой. Задание 9. а) Перевести 1101111001.1101 из «2» в «8» с.с. б) Перевести 11111111011.100111 из «2» в «16» с.с. Перевод из восьмеричной в шестнадцатеричную систему и обратно осуществляется через двоичную систему с помощью триад и тетрад. Задание 10. Перевести 175.248 "16" с.с.
Двоичная арифметика. При сложении двоичных чисел в каждом разряде производится сложение цифр слагаемых и переноса из соседнего младшего разряда, если он имеется. При этом необходимо учитывать, что 1+1 дают нуль в данном разряде и единицу переноса в следующий. Задание 11. Выполнить сложение двоичных чисел: а) X=1101, Y=101; б) X=1101, Y=101, Z=111; При вычитании двоичных чисел в данном разряде при необходимости занимается 1 из старшего разряда. Эта занимаемая 1 равна двум 1 данного разряда. Задание 12. Заданы двоичные числа X=10010 и Y=101. Вычислить X-Y. Умножение двоичных чисел производится по тем же правилам, что и для десятичных с помощью таблиц двоичного умножения и сложения. Пример. 1001* 101=? Деление двоичных чисел производится по тем же правилам, что и для десятичных. При этом используются таблицы двоичного умножения и вычитания. Пример. 1100.011 : 10.01=
Самостоятельная работа. Выполнить перевод числа в соответствии с вариантом. 1. Перевести десятичное число А=121 в двоичную систему счисления. 2. Перевести двоичное число А=10001010111,01 в десятичную систему счисления. 3. Перевести десятичное число А=135,656 в двоичную систему счисления с точностью до пяти знаков запятой. 4. Перевести двоичное число А=10111011 в десятичную систему счисления методом деления на основание. 5. Перевести восьмеричное число А=345,766 в двоичную систему счисления. 6. Записать десятичное число А=79,346 в двоичнодесятичной форме. 7. Перевести десятичную дробь 64 A = 63 9 в двоичную систему счисления. 8. Перевести десятичное число А=326 в троичную систему счисления. 9. Перевести десятичную дробь 40 A = 63 5 в двоичную систему счисления. 10. Перевести десятичное число А=15,647 в двоичную систему счисления. 11. Перевести десятичное число А=1211 в пятеричную систему счисления. 12. Перевести десятичную дробь А=0,625 в двоичную систему счисления. 13. Перевести двоичную дробь А=0,1101 в десятичную систему счисления. 14. Перевести десятичное число А=113 в двоичную систему счисления. 15. Перевести двоичное число А=11001,01 в десятичную систему счисления. 16. Перевести десятичное число А=96 в троичную систему счисления.
Лабораторная работа № 2 «Работа и особенности логических элементов ЭВМ» Цель лабораторной работы: – Изучение работы основных логических элементов ЭВМ; Форма организации занятия: индивидуальная работа Студент должен: Знать: – Базовые логические схемы; – Логические элементы ЭВМ; Уметь: – Составлять таблицы истинности – Составлять базовые логические схемы. Методические указания: Базовыми «строительными блоками» любых схем цифровых устройств является логические переключающиеся элементы или вентили (gates). Любые, сколь угодно сложные функции реализуются соответствующим соединением правильно выбранных вентилей. Вентиль представляет собой электронную схему, которая формирует выходной сигнал в соответствии с простой булевой операцией преобразования сигналов в соответствии с простой булевой операцией преобразования сигналов, поданных на его входы. Как правило, в качестве функций преобразования простейших вентилей используются элементарные функции И, ИЛИ, НЕ, НЕ-И, НЕ-ИЛИ. Базовые логические элементы
Как правило при проектировании сложных логических схем используются не все типы вентилей, а только один или два типа. Поэтому важно знать, из каких элементарных функций можно построить любую сколь угодно сложную функцию. В общем случае комбинационная схема имеет n двоичных входов и m двоичных выходов. Возможности конкретной схемы можно описать тремя способами: - посредством таблицы истинности; - посредством функциональной схемы, на которой будут изображены вентили и их соединения; - с помощью булева выражения. С помощью комбинационных логических схем можно реализовать многие важные функции цифровых устройств, но они не позволяют хранить информацию, а без хранения информации не может быть построено ни одно устройство. Для того, чтобы обеспечить возможность сохранения информации, в цифровых устройствах используется более сложный класс логических элементов, получивший в технической кибернетике наименование элементов с памятью или конечных автоматов. Сигнал на выходе элемента с памятью зависит не только от комбинации сигналов на его входах, но и от предыстории - текущего состояния элемента. Простейшим логическим элементом с памятью является триггер. Существует множество вариантов схем триггеров, но все их объединяет наличие двух важных свойств: - Триггер является двухстабильным элементом. При отсутствии сигналов на входах любой триггер пребывает в одном из двух состояний и остается в нем сколь угодно долго. Таким образом, триггер является элементарной ячейкой памяти емкостью 1 бит. - Триггер имеет два выхода, сигналы на которых всегда взаимно инверсны. Принято обозначать эти выходы как Q и . Триггеры используются для построения более сложных цифровых устройств – регистров и счетчиков. Самый распространенный тип триггера RS-триггер. Условное обозначение триггера и его реализация представлены на рис. 1.1.
Рисунок 1.1 RS-триггер и его реализация При сложении двоичных чисел образуется сумма в данном разряде, при этом возможен перенос в старший разряд. Обозначим слагаемые А, В, перенос Р, сумму S. Очевидно, что Р=АВ. Следовательно S= Данная схема называется полусумматор и реализует суммирование одноразрядных двоичных чисел.
Полный одноразрядный сумматор должен иметь три входа a,b - слагаемые и p – перенос из предыдущего разряда и два выхода, сумма s и перенос р. Логическое выражение для вычисления суммы в полном сумматоре имеет вид: Для уменьшения стоимости реализации логической функции производят минимизацию логического выражения. Для этого составляют сумму произведений (дизъюнктивная нормальная форма). Затем полученное выражение минимизируют до эквивалентной минимальной суммы произведений. Для моделирования схем используется программа Elektronics Workbench (EWB). Процесс создания схемы начинается с размещения на рабочем поле EWB компонентов из библиотек программы путем перетаскивания мышью. Для установки требуемых параметров компонента нужно дважды щелкнуть на нем мышкой и установить нужные параметры в открывающемся окне после размещения компонентов производится соединение их выводов проводниками. Для этого нужно подвести курсор к выводу компонента и после появления черной точки нужно нажать левую кнопку мыши и тащить курсор к выводу другого компонента до появления на нем такой же черной точки, после этого кнопка мыши отпускается и соединение готово. При необходимости подключения к одним выходам нескольких проводников в библиотеке Basic выбирается точка (символ соединения) и переносится на ранее установленный проводник. Базовые логические элементы находятся в группе Logic Gates Триггеры и сумматоры находятся в группе Digital Исследование логических элементов производится с помощью логического преобразователя или генератора слова, расположенных в группе Instruments. Логический анализатор (Logic Converter) содержит клеммы-индикаторы входов A,B, …H и один выход OUT, экран дл отображения таблицы истинности исследуемой схемы, экран-строку для отображения булева выражения (в нижней части).в правой части панели расположены кнопки управления процессом преобразования. Возможные варианты использования преобразователя: 1. Логический анализ n-входового устройства с одним выходом (входы исследуемого устройства подключаются к клеммам A-H, а выход – к клемме OUT). В этом случае, используя кнопки управления, получим: - Таблицу истинности исследуемого устройства. - булево выражение, реализуемое устройством. - минимизированное булево выражение - схема устройства на логических элементах без ограничения их типа. 2. Синтез логического устройства по таблице истинности Щелчком мыши по входным клеммам активизируем требуемое число входов анализатора, в результате чего получим начальную таблицу истинности. В столбце OUT задаем необходимые выходные сигналы. Далее выполняем команды п.п. 1.2-1.4. 3. Синтез логического устройства по булеву выражению. Булево выражение заносим в экран-строку Нажимаем кнопку , получаем таблицу истинности. Далее выполняем команды 1.3-1.4. Генератор слова позволяет изучать элементы с несколькими выходами. В генератор вносятся комбинации разных сигналов в шестнадцатеричном коде. Для ускорения ввода можно нажать кнопку Pattern и выбрать Up counter.
При сборке схемы входы элементов и узлов подключаются к генератору слова, а к выходам подключаются световые индикаторы. Горящий индикатор означает 1.
Задания на лабораторную работу: Задание 1. 1. Проведите моделирование логического элемента И (AND) 2. Проведите моделирование логического элемента И-НЕ (NAND). 3. Проведите моделирование логического элемента ИЛИ (OR) 4. Проведите моделирование логического элемента ИЛИ-НЕ (NOR). 5. Проведите моделирование логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (ХOR). 6. Проведите моделирование RS-триггера. Постройте таблицу истинности 7. Проведите моделирование JK-триггера. Постройте таблицу истинности 8. Проведите моделирование Т-триггера. Постройте Таблицу истинности 9. проведите моделирование полусумматора. Постройте таблицу истинности. 10. Проведите моделирование полного одноразрядного сумматора. Постройте таблицу истинности. Задание 2. Выполните вычисления по логическим схемам. Запишите соответствующие логические выражения. Постройте схему устройства на логических элементах без ограничения их типа. Минимизируйте булево выражение. Постройте схему минимизированного булева выражения. Задание 3. Постройте схему устройства на логических элементах без ограничения их типа. Минимизируйте булево выражение. Постройте схему минимизированного булева выражения. Задание 4. Выполните синтез комбинированного цифрового устройства, для которого выходной сигнал задан в виде 1. 1,0,0,1,0,1,0 2. 1,1,0,1,0,1,0 3. 1,0,1,1,0,1,0 4. 1,0,0,1,1,1,0 5. 1,0,1,1,1,1,0 6. 1,0,0,1,1,0,0 7. 1,1,0,0,1,1,0 8. 1,0,1,0,1,0,1 9. 1,0,1,1,0,0,1 10. 1,1,0,0,1,0,1
Задание 5 Постройте логическую функцию для решения задачи. Соберите логическую схему решения задачи. Найдите ответ. 1. В нарушении правил обмена валюты подозреваются четыре работника банка: Андреев, Воронов, Сидоров, Дмитриев. Известно, что а) если Андреев нарушил, то и Воронов нарушал правила обмена валюты; б) Если Воронов нарушил, то Сидоров нарушил или Андреев не нарушал; в) Если Дмитриев не нарушил, то Андреев нарушил, а Сидоров не нарушал; г) Если Дмитриев нарушил, то и Андреев нарушил. Кто из подозреваемых нарушил правила обмена валюты. 2. Беседуют трое: Белокуров, Чернов и Рыжов. Брюнет сказал Белокурову: «Любопытно. Что один из нас русый, другой – брюнет, а третий – рыжий, но ни у кого цвет волос не соответствует фамилии». Какой цвет волос имеет каждый беседующий. 3. В финальном турнире играли пять шахматистов. Андреев окончил все партии вничью. Борисов сыграл вничью с занявшими первое и последнее место. Викторов проиграл Борисову, но зато сыграл вничью только одну партию. Горин выиграл у Дмитриева и у занявшего четвертое место. Дмитриев не выиграл ни одной партии. Кто сколько очков набрал, и какое место занял. 4. Определите, кто из подозреваемых участвовал в преступлении, если известно: а) если Иванов не участвовал или Петров участвовал, то Сидоров участвовал; б) если Иванов не участвовал, то Сидоров не участвовал. 5. Виктор, Роман, Леонид, Сергей заняли на олимпиаде по физике четыре первых места. Когда их спросили о распределении мест, они дали такие ответы: а) Сергей – первый, Роман – второй; б) Сергей – второй, Виктор – третий; в) Леонид второй, Виктор – четвертый. Известно, что в каждом ответе только одно утверждение истинно. Как распределились места?
Варианты задания
Вопросы для зачета 1. Перечислите логические элементы ЭВМ. 2. Какие логические элементы принято считать основными, и какими булевыми выражениями они записываются? 3. Что собой представляет вентиль? 4. Какие типы триггеров Вы знаете, чем обусловлено их многообразие 5. Чем отличается полусумматор от полного сумматора 6. Какое устройство называется последовательностным? 7. Проведите классификацию триггеров. 8. Каковы основные характеристики триггеров? 9. Опишите работу RS-триггера с помощью структурной схемы и таблицы истинности. 10. Опишите работу JK-триггера с помощью структурной схемы и таблицы истинности. 11. Опишите работу D-триггера с помощью структурной схемы и таблицы истинности. 12. Опишите работу T-триггера с помощью структурной схемы и таблицы истинности. Рекомендуемая литература 1. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. М.: СОЛОН-Пресс, 2003. 2. Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Повпов И.И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем. М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2006 3. Путилин А.Б. Вычислительная техника и программирование в измерительных информационных системах. М.: Дрофа, 2006 4. Столингс У. Структурная организация и архитектура компьютерных систем. М.: Издательский дом Вильямс, 2002. 5. Информатика. Задачник-практикум. /Под ред. И.Г. Семакина, Е.К. Хеннера: Том 1. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 1999
Лабораторная работа № 2 «Работа логических узлов ЭВМ» Цель лабораторной работы: – Изучение работы основных логических узлов ЭВМ; Форма организации занятия: индивидуальная работа Студент должен: Знать: – Основные логические узлы ЭВМ; Уметь: – Составлять схемы простых логических узлов ЭВМ. Методические указания: Узлами ЭВМ являются стандартизированные наборы логических элементов, из которых набираются схемы, входящие в состав микропроцессоров, блоков памяти, контроллеров, внешних устройств и пр. Узлы ЭВМ разделяются на - Комбинационные (автоматы без памяти), выходные сигналы которых определяются только сигналом на входе. Примером является дешифратор. - Последовательностные (автоматы с памятью) - это узлы, выходной сигнал которых зависит не только от комбинации входных сигналов, но и от предыдущего состояния узла. Н.р. счетчики. - Программируемые узлы, функционируют в зависимости от того, какая программа в них записана. Н.р. программируемая логическая матрица. Многоразрядный сумматор процессора состоит из полных одноразрядных сумматоров. На каждый разряд ставится одноразрядный сумматор, причем выход (перенос) сумматора младшего разряда подключен ко входу сумматора старшего разряда. Например, схема вычисления суммы двух двоичных трехразрядных чисел выглядит следующим образом
Для исследования сумматоров используем логический преобразователь. Подключив к нему полусумматор последовательно нажимаем кнопки и получаем таблицу истинности, булево выражение. Для анализа сумматора используется также генератор слова. К нему подключаются входы сумматора, а выходы подключаются к цифровому индикатору (Decoded Seven-Segment Display), расположенному в группе Indicators. Регистры – это схемы хранения многоразрядных двоичных кодов. Основными типами регистров являются параллельные и сдвиговые. Параллельный регистр состоит из множества однобитовых элементов хранения информации, в которые можно параллельно записывать многоразрядный код.
Регистром сдвига называют цифровую схему, состоящую из последовательно включенных триггеров, содержимое которых можно сдвигать на один разряд влево или вправо подачей тактовых импульсов. Регистры сдвига широко применяются в цифровой вычислительной технике для преобразования последовательного кода в параллельный или параллельного в последовательный, а также при построении арифметическо-логических устройств. Составляется регистр сдвига из соединенных последовательно триггеров, в которые записываются разряды обрабатываемого кода. При наличии разрешающих сигналов импульс, приходящий на тактовый вход регистра, вызывает перемещение записанной информации на один разряд влево или вправо Информация в регистр сдвига может поступать последовательно и последовательно из него передаваться.
Счетчик – это типовой узел цифровых устройств, предназначенный для подсчета количества входных сигналов. Он представляет собой регистр, двоичный код которого можно увеличивать на 1 при подаче входного сигнала.
Мультиплексоры используются для коммутации в заданном порядке сигналов, поступающих с нескольких входных шин на одну выходную. мультиплексоры применяются для выдачи на одни и те же выводы микропроцессора адреса и данных, что позволяет существенно сократить общее количество выводов микросхемы. в микропроцессорных системах управления мультиплексоры устанавливают на удаленных объектах для возможности передачи информации по одной линии связи от нескольких установленных на них датчиков.
Шифраторы (кодеры) используются для преобразования десятичных чисел в двоичный или двоично-десятичный код. Дешифратор (декодер) – устройство с несколькими входами и выходами, у которого определенным комбинациям входных сигналов соответствует активное состояние одного из выходов, т.е. дешифратор является обращенным по входам демультиплексором, у которого адресные входы стали информационными, а бывший информационный вход стал входом разрешения. Дешифраторы широко используются в информационно-измерительной техники и микропроцессорах управления в качестве коммутаторов-распределителей информационных сигналов и синхроимпульсов, для демультиплексирования данных и адресной логики в запоминающих устройствах, а также для преобразования двоично-десятичного кода в десятичный с целью управления индикаторными и печатающими устройствами. Задания на лабораторную работу: Задание 1. 1. Соберите схему восьмиразрядного сумматора, выполните действия.
Переведите результат в десятичную систему счисления. Задание 2. 1. Соберите схему регистра сдвига и проведите ее испытание 2. Соберите схему регистра-счетчика и проведите ее испытание 3. Соберите схему регистра памяти и проведите ее испытание 4. Соберите схему дешифратора и проведите ее испытание 5. Соберите схему мультиплексора и проведите ее испытание
Вопросы для зачета 1. Что из себя представляет дешифратор, при решении каких задач он используется? 2. Что из себя представляют счетчики, какого типа они бывают? 3. Что из себя представляет регистр, какие функции он выполняет? 4. Назовите типы регистров и их возможное применение. 5. Что из себя представляет мультиплексор, каково его назначение?
Рекомендуемая литература 1. Информатика. Задачник-практикум. /Под ред. И.Г. Семакина, Е.К. Хеннера: Том 1. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 1999 2. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. М.: СОЛОН-Пресс, 2003. 3. Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Повпов И.И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем. М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2006 4. Путилин А.Б. Вычислительная техника и программирование в измерительных информационных системах. М.: Дрофа, 2006 5. Столингс У. Структурная организация и архитектура компьютерных систем. М.: Издательский дом Вильямс, 2002. |
Описание лабораторной работы № 1
Конструктивные элементы системного блока
по дисциплине «Архитектура ЭВМ и вычислительных систем»
для специальности: «Техническое обслуживание средств вычислительной техники и компьютерных сетей»
Цель работы: Получить навыки по определению компонентов системного блока, их назначения и свойств.
Краткая теория:
Системный блок – основная часть компьютера. Он состоит из металлического корпуса, в котором располагаются основные компоненты компьютера. С ним соединены кабелями клавиатура, мышь монитор и другие внешние устройства.
На системном блоке расположены следующие элементы:
Кнопки на лицевой панели:
Power предназначена для включения и выключения компьютера (может быть механической и электронно-механической, в зависимости от типа системного блока и блока питания).
Turbo использовалась в компьютерах старых поколений (286, 386 и 486) и была предназначена для ускорения или наоборот для замедления работы компьютера. С выходом новых процессоров семейства Pentium необходимость в данной кнопке отпала
Sleep стала применяться в компьютерах семейства Pentium II и при необходимости позволяет перевести компьютер в режим ожидания. В этих компьютерных системах кнопка Sleep заменила на лицевой панели кнопку Turbo.
Кнопка Reset предназначена для перезагрузки компьютера, без выключения питания.
Кнопка выброса дискеты 3.5'' и (или) 5.25''
Кнопки на задней панели:
Power предназначена для включения и выключения блока питания компьютера (на некоторых моделях отсутствует)
Индикаторы на передней панели:
Индикатор питания Power Led, показывает текущее состояние компьютера: включен он в сеть или нет. Этот индикатор горит на протяжении всей работы компьютера и обозначается символом горящей лампочки (индикатор как правило зеленого цвета, иногда синего).
Индикатор работы жестких дисков HDD Led, зажигается когда компьютер производит запись или чтение данных с жесткого диска. Обычно индикатор работы жестких дисков обозначается символом цилиндра (индикатор как правило красного цвета).
Индикатор Turbo – показывал когда включен режим ускорения работы процессора (индикатор как правило желтого цвета).
Индикатор показывающий частоту работы процессора, использовалась в компьютерах старых поколений (286, 386, 486, Pentium), представлял собой индикаторную матрицу показывающую 2х или 3х значное число, обозначающее частоту работы процессора. Данное число нужно было устанавливать вручную с помощью специальных перемычек. В зависимости от нажатия кнопки Turbo, это число меняло свое значение (в некоторых моделях этот индикатор выводил надписи LOW и HI, в соответствии с режимом Turbo).
Дополнительные индикаторы – показывают температуру процессора и других компонентов системного блока, а также скорости вращения вентилятор внутри системного блока. Для процессорных систем дополнительные индикаторы могут выдавать различные служебные сообщения о функционировании важнейших серверных компонентов. В ноутбуках и карманных ПК имеются индикаторы заряда батарей, работы в сети Wi-Fi и BlueTooth.
Разъемы для подключения внешних устройств:
USB 1.0/2.0 - для подключения устройств поддерживающих данный интерфейс.
FireWare – для подключения устройств поддерживающих данный интерфейс.
HeadPhone – для подключения наушников.
Microphone – для подключения микрофона.
CardReader – для работы с различными картами памяти.
Замок для блокировки клавиатуры (Lock) иногда устанавливался замок на дверцу системного блока предотвращая доступ к кнопам управления.
Внутри системного блока расположены следующие элементы:
Блок питания, который в зависимости от типа системного блока и материнской платы может иметь различную мощность, возможность подключения разного количества дисковых устройств, разный форм фактор и различный способ подключения к системной плате. Кроме того некоторые блоки питания имеют возможность горячей замены.
Блок питания стандарта AT использовался в компьютерах старых поколений (286, 386, 486, Pentium и аналогах от AMD, IBM и т.п.). Мощность до 250вт. (некоторые серверные решения имели более мощный блок питания). Разъем для подключения к материнской плате состоял из 2х частей и защелкивался с наклоном.
Блок питания стандарта ATX использовался в компьютерах старых поколений (Pentium II и Pentium III, первых версиях Pentium IV и их аналогах от AMD) Мощность до 350вт. (некоторые серверные решения имели более мощный блок питания). Разъем для подключения к материнской плате состоял из 1й части (прямоугольный – 20гнезд).
Блок питания стандарта ATX + 4использовался в компьютерах поколений (Pentium IV и их аналогах от AMD) Мощность до 350вт. (некоторые серверные решения имели более мощный блок питания). Разъем для подключения к материнской плате состоял из 1й части (прямоугольный – 20 гнезд) и 2й части (прямоугольной из 4 гнезд для питания ядра процессора).
Блок питания стандарта BTX использовался в компьютерах поколений (Pentium D, CoreDuo, Core2Duo и их аналогах от AMD) Мощность до 600вт. (некоторые серверные решения имели более мощный блок питания). Разъем для подключения к материнской плате состоял из 1й части (прямоугольный – 24 гнезда) и 2й части (прямоугольной из 4 гнезд для питания ядер процессоров некоторые модели имели и 3ю аналогичную часть из 4 гнездового разъема).
Блоки питания серверов – имеют повышенную мощность, возможность горячей замены и содержат датчики, позволяющие проводить диагностику их состояния.
Блоки питания ноутбуков и карманных компьютеров не имеют жесткой стандартизации – она поддерживается лишь на уровне одного бренда.
Материнская плата - является основной составной частью каждого PC. Это самостоятельный элемент, который управляет внутренними связями и взаимодействует через прерывания с другими внешними устройствами. В этом отношении материнская плата является элементом внутри PC, влияющим на общую производительность компьютера. Материнскую плату (Motherboard) также называют главной (Mainboard) или системной платой. Размеры материнской платы нормированы. Также стандартизованы и отверстия внутри платы, которые соединяют ее с дном корпуса. Поэтому говорят не о размерах, а о типоразмерах материнских плат. Существует восемь основных типоразмеров материнских плат:
-FullSize (устаревший)
- Baby-AT (стандартный)
- HalfSize (миниплата для Slimline корпуса)
- LPX (для корпусов с уменьшенной высотой и Slimline)
- Mini-LPX (для корпусов с уменьшенной высотой и Slimline)
- АТХ (для корпусов ATX)
- Mini-ATX (для корпусов ATX с уменьшенной высотой)
- NLX (дальнейшее развитие стандарта ATX)
Карты расширений – используются для добавления в компьютер дополнительных интерфейсов, устанавливаются в разъемы на материнской плате. К ним относятся:
Видеокарта – для подключения монитора, ТВ и других устройств вывода изображения (некоторые видеокарты позволяют производить захват видео или компоноваться по две для обеспечения высокопроизводительного режима SLI). Могут устанавливаться в слоты ISA (8, 16), WESA, PCI, AGP, PCI - E.
Звуковая карта – для подключения к компьютеру звуковых устройств (акустики, микрофона, наушников, внешних входных и выходных устройств). Некоторые звуковые карты реализуют MIDI интерфейс. Современные модели поддерживают звук (5.1 и 7.1). Могут устанавливаться в слоты ISA (8, 16), WESA, PCI, PCI - E.
Сетевая карта – для объединения компьютеров в сеть. Позволяют использовать проводной интерфейс 10/100/1000мб./с.; оптоволоконный интерфейс и беспроводной интерфейс. Могут устанавливаться в слоты ISA (8, 16), WESA, PCI, PCI - E.
Модем – для выхода в Internet. Может устанавливаться в слоты ISA (8, 16), WESA, PCI, PCI - E.
SCSI адаптер – для подключения устройств работающих по интерфейсу SCSI. Может устанавливаться в слоты ISA (8, 16), WESA, PCI, PCI - E.
Дополнительные контроллеры COM, LPT, USB, FireWare, FDD, HDD, PS/2. Могут устанавливаться в слоты ISA (8, 16), WESA, PCI, PCI – E
Дисковые накопители:
Жесткие диски HDD формата IDE. Устанавливаются в штатные места, используют 40 или 80 жильный интерфейсный кабель и стандартный кабель питания. Конфигурируются джамперами. Возможна установка в мобильное шасси MobileRac, которое располагается в штатном отсеке 5.25''.
Жесткие диски HDD формата SATA и SATA2. Устанавливаются в штатные места или корзины с горячей заменой HotSwap используют специальный SATA интерфейсный кабель только для одного диска и специальный кабель питания. Конфигурируются в BIOS (SATA2 джамперами). Возможна установка в мобильное шасси MobileRac, которое располагается в штатном отсеке 5.25''
Жесткие диски HDD формата SCSI. Устанавливаются в штатные места или корзины с горячей заменой HotSwap используют специальный SCSI интерфейсный кабель и стандартный кабель питания. Конфигурируются джамперами.
Дисководы для дискет 3.5’’. Располагаются в штатных отсеках, выходящих на переднюю панель. Возможна установка до 2х устройств. Используется стандартный интерфейсный кабель для FDD и специальный шлейф питания для дисководов.
Дисководы для дискет 5.25’’. Располагаются в штатных отсеках, выходящих на переднюю панель. Возможна установка до 2х устройств. Используется стандартный интерфейсный кабель для FDD и стандартный шлейф питания.
Накопитель на магнитной ленте ZIP, Jazz или аналогичный Располагаются в штатных отсеках, выходящих на переднюю панель. Используется специальный интерфейсный кабель и стандартный шлейф питания.
Накопители на оптических дисках формата IDE. CD-ROM(R,RW), DVD-ROM(R, RW, R+CD-RW, RAM), BlueRay. Устанавливаются в штатные места, используют 40 жильный интерфейсный или специальный кабель и стандартный кабель питания. Конфигурируются джамперами.
Накопители на оптических дисках формата SATA и SATA2. DVD-ROM(R, RW, RAM), BlueRay. Устанавливаются в штатные места, используют SATA интерфейсный или специальный кабель и стандартный или SATA кабель питания. Конфигурируются джамперами.
Card Reader – устройства для работы с картами памяти (SD, CF, MS, SM и их разновидностями). Располагаются в штатных отсеках, выходящих на переднюю панель.. Используется стандартный внутренний USB интерфейсный кабель.
Система воздушного охлаждения – состоит из вентиляторов, закрепленных на передней и задней панели, верхней крышки и возле корзин с жесткими дисками. Вентиляторы с обратной связью и контролем скорости вращения имеют тройной разъем подключения, обычные двойной, серверные варианты позволяют совершать горячую замену вентиляторов.
Система водного охлаждения процессора и памяти – опциональное устройство для наиболее оптимального отвода тепла от элементов материнской платы. Подключение и управление завит от модели и бренда.
Форм-факторы системных блоков.
Основным отличием корпусов нового стандарта является использование блоков питания повышенной мощности, нового расположения крепежных отверстий для системной платы и использование дополнительных точек крепления охлаждающей системы процессора.
Наиболее широкое распространение получили корпуса двух разновидностей: desktop, располагающийся горизонтально на рабочем столе и применяемый по большей части в моделях РС, производимых фирмами - "брэндами" и tower, вертикально расположенный и более дешевый, массовый тип корпуса. Корпуса последнего типа подразделяются, в свою очередь, на micro-, mini-, midi- и big-tower, различающиеся по числу отсеков для 5,25" накопителей: соответственно micro-tower имеют 1 посадочное место под такие накопители, mini-tower - 2, midi-tower - 3 и big-tower - 4 и более. Рассмотрим их подробнее:
Desktop - Чаще всего в корпусе такого типа размещаются горизонтально от 2 до 3 устройств формата 5,25" и вертикально 2 - формата 3,5", причем одно из них - с внешним доступом. Такие корпуса занимают достаточно большое пространство на рабочем месте, не всегда могут обеспечить удобный доступ к внутренним устройствам, да и иногда возникают проблемы с нормальным охлаждением процессора. Все это свидетельствует о том, что время корпусов типа desktop неумолимо проходит, а ведь первые писишки появились именно в таких корпусах, о tower тогда никто и не слышал. Но сейчас desktop-ы не имеют абсолютно никаких преимуществ перед башнями, а некоторые их недостатки мы отметили выше. Да же известные брэнды, не так давно сплошь и рядом выпускавшие свои модели только в таких корпусах, все больше склоняются к более практичным башням.
Slim - Развитие идеи миниатюризации применительно к компьютерной области породило такое чудо, как предельно интегрированные системные платы формата Flex-ATX и их естественное продолжение - корпуса то ли Slim, то ли Super Slim. В общем, все корпуса тесные, крайне неудобные, возможностей - минимум, а возможности модернизации очень ограничены, но зато - внешне они выглядят оригинально и эксклюзивно, но вот только стоят такие малыши гораздо дороже полнофункциональных машин, а рекламируется производителями - как недорогие решения для офисов, а порой и для домашнего применения. Смех, да и только.
Mini – tower. Довольно маленький по высоте корпус типа mini-tower раньше, в эпоху господства "матерей" формата Baby АТ, был самым широко распространенным, однако сейчас он встречается гораздо реже, так как с размещением в нем полноразмерных системных плат АТХ могут возникнуть проблемы, остаются только малогабаритные платы форматов micro-ATX и flex-АТХ. Такие корпуса чаще всего используется в РС самых простейших конфигураций и применяется в качестве офисных машин или сетевых терминалов.
Midi (middle) – tower. Самый распространенный сегодня формат корпуса - midi (middle)-tower АТХ, обеспечивает использование большого количества накопителей и практически всех типов системных плат при приемлемых габаритных размерах. Являясь настоящей "рабочей лошадкой", оптимально приспособленной для решения самого широкого круга задач, корпуса этого типа применяется практически везде.
Big (full) – tower Являясь самыми крупногабаритными, корпуса типа big-tower обеспечивают размещение системных плат любых размеров и самого большого количества устройств формата 5,25", чаще всего 4 - 6. Кроме того, они обычно комплектуются блоками питания повышенной мощности. Основная область применения корпусов - рабочие станции, небольшие серверы и компьютеры для продвинутых пользователей. Однако в связи с все ширящейся экспансией недорогих IDE RAID-контроллеров в массовые устройства, потребность в большом количестве посадочных мест для дисковых накопителей может вывести корпуса big-tower в разряд наиболее распространенных устройств, особенно если учесть, что современные высокоскоростные винчестеры в процессе работы ощутимо греются, и уже сейчас начали появляться устройства, монтируемые в 5-дюймовые отсеки и предназначенные для охлаждения 3-дюймовых HDD.
Barebone - Это упрощённое решение от производителя, которое включает в себя всё для быстрого сбора компьютера и нуждается только в таких вариативных компонентах, как процессор, память и жёсткий диск. Процесс установки последних занимает считанные минуты, и компьютер готов. Как правило, в таких системах, производители используют собственные проприетарные компоненты, поэтому замена материнской платы или добавление какого-нибудь компонента, может вызвать некоторые затруднения. Однако обычно, такие системы используются в качестве массовых корпоративных компьютеров, либо как персональный компьютер у человека, не обременённого потребностями к апгрейду.
Monoblock - применяется для бредовых ПК. В таком корпусе кроме обычных компонент располагаются также монитор, акустика, иногда клавиатура и web – камера. В таких корпусах выпускаются компьютеры MAC, DEL и некоторые другие.
Для серверов существует отдельная ветвь классификации корпусов:
Корпуса для установки в стойку (имеется несколько стандартов ширины и глубины серверных стоек, а так же возможна различная высота блока от 1го до 3х юнитов).
Корпуса для напольного (настольного) размещения – близки ко параметрам к Big tower.
Универсальные корпуса – позволяют размещать сервер в стойке и в напольном положении.
Корпуса для ноутбуков и карманных ПК не имеют жесткой спецификации.
Задание:
Произвести анализ предложенного системного блока ПК.
Описать все составные элементы данного системного блока с их характеристиками.
Описать назначение отдельно выданных компонентов компьютерной системы.
Самостоятельно ответьте на вопросы
Почему ноутбуки и карманные ПК не имеют четко обозначенной конфигурации?
Как можно определить максимально возможное число устанавливаемых в данный системный блок дисковых накопителей?
Как определить тип блока питания ПК?
Как по блоку питания определить оптимально число подключаемых устройств?
Как определить форм- фактор ПК?
Описание лабораторной работы