2407

Министерство 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 к выполнению курсовой работы для студентов по направлению подготовки

15.03.04 Автоматизация технологических процессов и производств

Воронеж 2018

2

УДК 004.384

Стариков А. В. Применение вычислительных машин, систем и сетей в автоматизации и управлении [Электронный ресурс]: методические указания к выполнению курсовой работы для студентов по направлению подготовки 15.03.04 Автоматизация технологических процессов и производств / А. В. Стариков; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж,

2018. – 14 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

Учебными планами по направлению подготовки бакалавра 15.03.04 – «Автоматизация технологических процессов и производств» очной и заочной форм обучения для дисциплины «Применение вычислительных машин, систем и сетей в автоматизации и управлении» предусматривается выполнение и защита курсовой работы.

Цель выполнения и защиты курсовой работы контроль качественного уровня усвоения студентами тем и вопросов дисциплины «Применение вычислительных машин, систем и сетей в автоматизации и управлении».

Задание на курсовую работу содержит следующие три блока (части), относящиеся к различным разделам дисциплины:

1.Арифметические основы электронных вычислительных машин.

2.Логические основы электронных вычислительных машин.

3.Основные понятия и принципы применения вычислительных машин, систем и сетей.

Для выполнения задания, относящегося к блоку «Арифметические основы электронных вычислительных машин», необходимо знать:

1)Что такое позиционная система счисления?

2)Какие позиционные системы счисления получили распространение в вычислительной технике и информатике? Почему?

3)Как представляются различные формы чисел (целые и вещественные, положительные и отрицательные) в компьютере?

4)Как осуществляется перевод различных форм представления чисел из одной позиционной системы счисления в другую?

5)Как выполняются арифметические операции над числами, представленными в различных позиционных системах счисления?

6)Как кодируется информация для представления в компьютере? Какие системы кодировки наиболее распространены?

Необходимо уметь практически выполнить запись чисел в различных позиционных системах счисления, перевод чисел из одной позиционной системы счисления в другую, сложение чисел со знаком, кодирование нечисловой информации для представления в компьютере.

Для выполнения задания, относящегося к блоку «Логические основы электронных вычислительных машин», необходимо знать:

1)понятия, операции (дизъюнкция, конъюнкция, инверсия), аксиомы и теоремы булевой алгебры (алгебры логики);

2)основные логические элементы (И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ), соответствующие им условные графические обозначения, таблицы истинности, временные диаграммы, представления в контактной и схемотехнической формах;

3)правила построения совершенных дизъюнктивных и конъюнктивных нормальных форм (СДНФ и СКНФ), основываясь на данных таблиц истинности;

4

4)правила минимизации выражений функций алгебры логики с использованием аксиом и основных теорем булевой алгебры;

5)правила построения логических схем по заданной функции алгебры логики, формирования функции логики по заданной логической схеме.

Необходимо уметь практически построить СДНФ и СКНФ для заданной логической функции, выполнить их минимизацию, используя аксиомы и основные теоремы булевой алгебры. По полученной минимальной нормальной форме (МНФ) построить логическую структурную схему; уметь также выполнить обратную задачу, т. е. по заданной логической схеме получить логическую функцию в аналитическом виде.

Для выполнения задания, относящегося к блоку «Основные понятия и принципы применения вычислительных машин, систем и сетей», необходимо:

1) знать основные понятия и варианты архитектуры электронных вычислительных машин и систем;

2) иметь представление о функционально-структурной организации, системе команд и режимах (способах) адресации центрального процессора;

3) знать общие принципы построения и использования информационновычислительных сетей.

1 Примеры заданий для выполнения курсовой работы по дисциплине «Применение вычислительных машин, систем и сетей в автоматизации и управлении»

1.1 Арифметические основы электронных вычислительных машин

Задание №1. Перевести число, представляющее номер зачётной книжки, в двоичную, восьмеричную и шестнадцатеричную системы счисления. Схема перевода должна быть приведена в пояснительной записке по курсовой работе.

Задание №2. Представить результат (сумму) и схему сложения двух чисел: первое слагаемое первые две цифры номера зачётной книжки, второе слагаемое отрицательное число, представленное последними тремя цифрами номера зачётной книжки. Сложение произвести в двоичной системе счисления, учитывая при этом, что отрицательное число должно представляться в дополнительном коде.

Задание №3. Используя таблицу кодов КОИ-7, записать свои фамилию и имя, разделённые пробелом, в виде последовательности двоичных и шестнадцатеричных кодов. Дополнить полученную последовательность кодов восьмым контрольным разрядом для контроля на чётность (бит контроля чётности) и записать новые последовательности кодов повышенной надёжности. Пояснить в чём заключается повышение надёжности кодирования в данном случае.

5

1.2 Логические основы электронных вычислительных машин

Задание №4. Записать логическое выражение для функции F(X,Y,Z) согласно заданной таблице истинности (таблица 1). Полученное логическое выражение упростить (минимизировать) с использованием алгебраических преобразований и составить по нему логическую схему. Вариант значений логической функции при различных значениях аргументов X, Y и Z определяется по последней цифре номера зачётной книжки.

Задание №5. Для заданной схемы, составленной из трёх логических элементов Э1, Э2 и Э3 (рисунок 1), записать логическое выражение и составить таблицу истинности. Вариант схемы выбирается на рисунке 1 в соответствии с последней цифрой номера зачётной книжки, вариант типов элементов Э1, Э2 и Э3 выбирается в таблице 2 в соответствии с предпоследней цифрой номера зачётной книжки.

7

1.3 Основные понятия и принципы применения вычислительных машин, систем и сетей

Задание №6. Начертить обобщённую структурную схему электронной вычислительной машины с традиционной (фон-неймановской) архитектурой. Привести пояснения по каждому блоку обобщённой структурной схемы.

Задание №7. Дать определение понятию и перечислить виды типовых топологий вычислительной сети, сопроводив каждый вид краткой характеристикой и примерами.

2 Методические рекомендации к выполнению заданий курсовой работы

2.1 Арифметические основы электронных вычислительных машин

В рабочей программе дисциплины «Применение вычислительных машин, систем и сетей в автоматизации и управлении» данной теме соответствует «Раздел 1. Введение. Основы построения электронных вычислительных машин». При выполнении заданий рекомендуется использовать записи конспекта лекций, а также информацию из отчёта, подготовленного для защиты лабораторной работы №1 «Двоичное представление информации. Арифметические операции с двоичными числами. Перевод чисел из одной системы счисления в другую».

Рекомендации к выполнению задания №1. Для перевода вещественного десятичного числа в двоичную систему счисления необходимо выполнить по отдельности перевод целой и дробной частей числа. Перевод целой части выполняется с помощью последовательного деления целой части десятичного числа на 2 с одновременным слежением за получающимися остатками, из которых формируется целая часть двоичного числа путём записи их в направлении от последнего к первому.

Перевод дробной части десятичного числа выполняется с помощью последовательного умножения дробной части десятичного числа на 2 с одновременным слежением за целыми частями получающихся произведений, из которых формируется дробная двоичного числа путём записи их в направлении от первой к последней.

Например, десятичное число 37.125 эквивалентно двоичному числу 100101.001, которое получается в результате выполнения следующих операций.

1.Для целой части десятичного числа (37) целочисленное деление на 2

изапись полученных остатков от деления в направлении от последнего к первому:

37 : 2 = 18 + 1 (остаток 1)

Целая часть числа в двоичном виде: 100101

8

2. Для дробной части десятичного числа (0.125) умножение на 2 и запись полученных целых частей произведений в направлении от первой к последней:

3. Объединение полученных целой и дробной частей двоичного числа:

100101 + 0.001 = 100101.001

4. Проверка полученного результата с помощью обратного перевода из двоичной системы счисления в десятичную:

100101.001 = 1 25+0 24+0 23+1 22+0 21+1 20+0 2-1+0 2-2+1 2-3 = = 32 + 4 + 1 + 1/8 = 37 + 0.125 = 37.125

При выполнении задания №1 можно использовать следующую общую процедуру перевода целого десятичного числа в одну из предложенных систем счисления. Необходимо выполнить последовательное целочисленное деление на число, являющееся основанием системы счисления, в которую осуществляется перевод. Сначала делят само переводимое число, а затем и получающиеся частные от деления до тех пор, пока в качестве частного не будет получен 0. При этом должны фиксироваться остатки от деления, запись которых в направлении от последнего к первому, и даёт представление числа в новой системе счисления.

Следует иметь в виду, что целочисленное деление числа на 2 выполняется сравнительно легко, но количество операций деления при этом может оказаться достаточно большим.

Получив двоичное представление числа, легко перейти к восьмеричному и шестнадцатеричному представлениям, выполнив группирование двоичных цифр по три (для восьмеричной системы) или по четыре (для шестнадцатеричной) с последующей заменой каждой тройки или четвёрки двоичных цифр одной восьмеричной или шестнадцатеричной цифрой соответственно. Группирование двоичных цифр для целой части числа следует начинать справа, для дробной части слева, дописывая в недостающие позиции незначащие нули. Например, десятичное число 37.125 в различных системах счисления имеет следующий вид:

100101.0012 = 45.18

100101.0012 = 00100101.00102 = 25.216

Проверка полученного результата, заключающаяся в обратном переводе в десятичную систему, подтверждает эквивалентность представлений числа:

45.18 = 4 81 + 5 80 +1 8-1 = 32 + 5 + 1/8 = 37.125 25.216 = 2 161 + 5 160 + 2 16-1 = 32 + 5 +2/16 = 37.125

Наименьшее количество операций деления потребуется при переводе целого десятичного числа в шестнадцатеричную систему (хотя делить многозначные числа на 16 сложнее, чем на 2). Получив шестнадцатеричное представление, следует представить каждую цифру этого представления

9

четвёркой двоичных цифр, т.е. выполнить перевод числа в двоичную систему счисления. Затем, осуществив группирование двоичных цифр по три с заменой каждой группы восьмеричной цифрой, получить восьмеричное представление.

Таким образом, при выполнении задания №1 можно использовать один из следующих вариантов:

перевести десятичное число в двоичный вид с помощью целочисленного деления на 2. Затем путём группирования двоичных цифр получить восьмеричное и шестнадцатеричное представления числа;

перевести десятичное число в восьмеричный вид с помощью целочисленного деления на 8. Затем, заменив каждую восьмеричную цифру тройкой двоичных цифр, получить двоичное представление, из которого путём группирования по четыре двоичных цифры (дописывая при необходимости незначащие нули) получить шестнадцатеричное представление;

перевести десятичное число в шестнадцатеричный вид с помощью целочисленного деления на 16. Затем, заменив каждую шестнадцатеричную цифру четвёркой двоичных цифр, получить двоичное представление, из которого путём группирования по три двоичных цифры (дописывая при необходимости незначащие нули) получить восьмеричное представление.

Рекомендации к выполнению задания №2. При сложении чисел с разными знаками необходимо положительное двоичное число представить прямым кодом, отрицательное двоичное число дополнительным кодом, а затем сложить эти коды. При этом требуемый знак суммы будет формироваться «автоматически». Если в знаковом разряде будет содержаться «двоичный 0», то сумма представляет собой прямой код положительного числа. Если в знаковом разряде суммы будет содержаться «двоичная 1», то сумма представляет собой дополнительный код отрицательного числа.

Предположим, что номером зачётной книжки является число 12345, т.е. необходимо выполнить двоичное сложение двух чисел: 12 и -345. Прямым кодом числа 12 является число 000011002. Дополнительный код числа -345 формируется следующим образом. Сначала получаем прямой код соответствующего положительного числа 345 (например, последовательным делением на 2): 00000001010110012. Затем выполняем инвертирование, т.е. обращение (замену на противоположное значение) двоичных разрядов прямого кода, для получения обратного кода отрицательного числа: 11111110101001102. И, наконец, сложив обратный код с двоичной 1, получаем дополнительный код числа -345: 11111110101001112.

В заключение выполним сложение прямого кода числа 12 и дополнительного кода числа -345:

0000000000001100 +1111111010100111 1111111010110011