1610

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;

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