Основы автоматики и МПТ

Дисциплина Автоматизация и управление

Заказчик	swd ☆ 3 ✍ 3 ♥ 0
Вид работы	Контрольная
ВУЗ	Минский политехнический колледж
Срок	25.12.2015
Преподаватель	Борисова Л.П.
Вариант	42
Бюджет	800 ₽

Весь путь развития техники может быть охарактеризован постепенным освобождением человека от непосредственного участия в технологическом процессе.
Автоматика – процесс, при котором функции управления и контроля осуществляются методами и средствами автоматики.
Системы автоматики в зависимости от выполняемых функций,
делятся на:
-автоматические системы контроля;
- автоматические системы регулирования; 
- автоматические системы управления;
Автоматические системы управления подразделяются на:
-разомкнутые; 
- замкнутые (автоматические системы регулирования).
Таким образом, автоматическое регулирование является частным случаем более общего понятия_автоматического управления.
В системах автоматики расстояние между объектом управления или контроля и пунктом управления или контроля невелико. Если же это расстояние такое большое, что для его преодоления необходимо применять специальные технические средства (линии связи, приемники, передатчики), то системы автоматики преобразуются в системы телемеханики.
Первые автоматические устройства получили применение еще в XVI веке, в период промышленной революции. Интенсивное развитие автоматики вызвало необходимость выделения ее в самостоятельную область науки и техники, что и было осуществлено в 1930 году на второй международной энергетической конференции.
Новое качественное развитие автоматика получила после создания электронных вычислительных машин, позволяющих быстро автоматизировать новые области деятельности человека – процесс вычисления, научные исследования, проектирование, планирование. С совершенствованием ЭВМ стало возможным автоматизировать целиком предприятия, а в настоящее время создаются автоматизированные системы управления целыми отраслями хозяйства.
В зависимости от сложности задач управления в системах автоматики используют микропроцессоры, программируемые контроллеры и микроЭВМ.
Микропроцессор (МП) – это программируемое устройство обработки информации и управления, выполненное на одной или нескольких больших интегральных микросхемах, состоящее из операционной и управляющей частей и осуществляющее ввод и вывод информации, принятие решений, арифметические и логические операции.
Информация может быть дискретной (прерывистой) и аналоговой (непрерывной). Отсюда системы автоматизированного управления могут быть цифровыми и аналоговыми.

Контрольные вопросы
1 Дайте определения следующим понятиям: автоматика;
автоматизация; частная, комплексная и полная автоматизация; управление; телемеханика.
2 Какие ученые внесли свою лепту в развитие автоматизации и вычислительной техники?
3 Когда автоматику выделили в самостоятельную область науки и техники? Чем это было вызвано?
4 Когда появилась первая вычислительная машина? Дайте
определение микропроцессора.
5 Как классифицируются системы автоматики в зависимости от выполняемых функций? Изобразите структурные схемы систем автоматики.

Раздел 1 Элементы систем автоматического управления
Тема 1.1 Датчики

Содержание программы
Классификация датчиков. Параметрические датчики (датчики активного сопротивления, индуктивные, емкостные). Генераторные (фотоэлектрические, термоэлектрические, пьезоэлектрические). Назначение, принцип действия, технические характеристики, схемы включения, область применения.
Лабораторная работа №1
Исследование датчиков различного типа

Методические указания
Датчиком называют устройство, воспринимающее изменение параметра контролируемой величины и преобразующее это изменение в выходной сигнал, удобный для дальнейшей обработки и дистанционной передачи.
Для подготовки к выполнению лабораторной работы необходимо обратить особое внимание на основные характеристики датчиков:
- статическая характеристика y=f(x) – зависимость выходной
величины (у) от входной  величины (х) в установившемся режиме;
- чувствительность S=AY/AX отношение приращенной выходной ДУ к входной ДХ величине;
- порог чувствительности - минимальное изменение входной величины, вызывающее изменение выходной;
- статический коэффициент передачи Кст = у/х- отношение выходной к входной.
Следует отметить, что датчики, используемые в современных автоматических системах, разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам:
- по виду входной величины (датчики скорости, перемещений, температуры, давления и т.д.);
- по характеру изменения во времени выходного сигнала (непрерывного и дискретного действия);
- по роду выходного сигнала (электрические и неэлектрические).
Широкое распространение получили электрические датчики, которые в зависимости от принципа производимого им преобразования делятся на два типа: параметрические (модуляторы);генераторные.
При изучении конкретных датчиков параметрического и генераторного типа (в соответствии с программой) следует особое внимание уделить физике происходящих процессов, техническим характеристикам и области применения; следует рассмотреть наиболее широко используемые измерительные схемы (мостовые, дифференциальные и компенсационные).

Контрольные вопросы
1 Дайте определение датчика.
2 По каким принципам классифицируются датчики?
3 Как классифицируются электрические датчики? Приведите примеры датчиков разного типа с объяснением их принципа действия.
4 Перечислите основные характеристики датчиков и дайте необходимые пояснения. 
 5 Перечислите наиболее широко используемые измерительные схемы (изобразите эти схемы).

Тема 1.2 Усилительные устройства

 Содержание программы
Усилительное устройство. Назначение. Классификация усилительных устройств, их параметры и характеристики. Транзисторные усилители, усилители на интегральных микросхемах. Схемы включения операционных усилителей, основные технические характеристики.

Методические указания
Прежде чем начинать изучение темы, следует повторить вопросы из дисциплины  «Основы промышленной электроники», касающиеся биполярных транзисторов (физические процессы, усиление, основные схемы включения); обратных связей в усилителях; принципов построения усилительных каскадов на транзисторах; интегральных микросхем.
Энергия, получаемая с датчиков, в большинстве случаев недостаточна для воздействия на регулирующий орган, поэтому сигнал с датчика предварительно усиливается усилителем.
Усилителем называется устройство, предназначенное  для количественного преобразования (усиления) входного сигнала.
Эффект усиления осуществляется в усилителях за счет энергии вспомогательного источника. И в зависимости от вида вспомогательного источника энергии усилители можно разбить на следующие группы: электрические, гидравлические, пневматические и комбинированные.
Усилители делятся на однокаскадные и многокаскадные, а также усилители с обритыми связями и без обратных связей. Чаще всего применяются электрические усилители.
Особое внимание следует уделить схемам усилительных каскадов на биполярных транзисторах: каскаду с общим эмиттером, с общей базой (повторитель тока), с общим коллектором (повторитель напряжения); выходным каскадам (усилителям мощности) и многокаскадным усилителям.
Широкие функциональные возможности дифференциальных усилителей позволили создать на их основе интегральные схемы высококачественных усилителей. Такие интегральные усилители получили название операционных, так как с их помощью путем введения линейных и нелинейных элементов отрицательной обратной связи можно производить математические операции: -суммирование, вычитание, интегрирование и т.д. Операционные усилители (ОУ) можно использовать и для усиления, генерирования, формирования, преобразования и детектирования сигналов.
ОУ можно включать как инвертирующий, неинвертирующий, дифференциальный (разностный).  
 
Контрольные вопросы
1 Дайте определение усилителя.
2 Как классифицируются усилители?
3 Дайте краткие характеристики и простейшие принципиальные схемы усилительных каскадов с общим коллектором.
4 Дайте определение ОУ. Какие функции может выполнять ОУ?
Приведите схемы включения ОУ.

Тема 1. 3 Элементы и узлы систем автоматического управления

Содержание программы
Понятие  об элементах и узлах систем автоматического управления. Элементы памяти, триггеры, регистры, счетчики, дешифраторы, формирователи импульсов: назначение, принцип действия, технические характеристики, схемы включения.
Лабораторная работа №2
Исследование интегральных микросхем

Методические указания
Прежде, чем приступить к изучению конкретных элементов и узлов систем автоматического управления ЭВМ, необходимо уяснить тот факт, что ЭВМ работают в двоичной системе счисления, а в математических расчетах и повседневной жизни мы пользуемся десятичной системой счисления, а ввод информации в ЭВМ может осуществляться в восьмиричной или шестнадцатиричной системах счисления.
Память ЭВМ – это совокупность запоминающих устройств, предназначенных дам записи, хранения, и выдачи информации, представленной в виде цифровых кодов.
Необходимо изучить принцип работы запоминающего элемента биполярного типа и ячейки МОП-памяти.
Триггер - это электронное устройство, с помощью которого можно записывать, хранить и считывать двойную информацию.
В зависимости от используемых информационных входов триггеры подразделяются на следующие типы:
- триггеры с раздельной установкой 0 и 1 (RS-триггеры);
- триггеры со счетным входом (Т-триггеры)
- триггеры с приемом информации по одному входу (Д-триггеры или триггеры задержки);
- универсальные триггеры (JK-триггеры)
При изучении триггеров необходимо обратить внимание на их условные графические обозначения и таблицы истинности триггеров.
JK -триггер является универсальным, так как на его основе можно получить схемы, функционирующие как Д-, Т- и RS-триггеры.
Регистром называется  функциональное устройство, предназначенное для приема и запоминания  двоичного кода.
Регистр представляет собой совокупность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове, и вспомогательных схем, обеспечивающих выполнение некоторых операций.
Необходимо рассмотреть регистры с однофазной и парафазной передачей информации.
Счетчик – устройство, предназначенное для подсчета числа сигналов, поступающих на его вход и фиксации этого числа в виде кода, хранящегося в триггерах.
Необходимо рассмотреть схемы и принцип действия счетчиков с последовательным и параллельным переносом.
Дешифратор – это логическая схема, предназначенная для преобразования n-разрядного двоичного кода в один управляющий сигнал.
Основное внимание необходимо уделить линейным и многоступенчатым дешифраторам, принципам их реализации.
Формирование импульса – это изменение формы импульса. Обычно на вход схемы формирователя импульсов поступают искаженные импульсы, которые затем преобразуются в импульсы правильной формы.
Следует рассмотреть простейшие линейные цепи (RC-,RL- и RLC-цепь), укорачивающие и операционные цепи, линии задержки импульсов, нелинейные преобразователи импульсов.

Контрольные вопросы
1 Дайте определение СС. В чем различие позиционных и непозиционных СС?
2 Чем объясняется использование двойной СС для представления чисел в ЭВМ?
3 Дайте определение памяти ЭВМ.
4 Объясните принцип работы запоминающего элемента биполярного типа.
5 Объясните принцип работы ячейки МОП - памяти.
6 Объясните назначение и разновидность триггеров.
7 Объясните назначение регистров. Перечислите достоинства и недостатки регистров с однофазной и парафазной передачей информации.
8 Объясните назначение счетчиков. Перечислите достоинства и недостатки счетчиков с последовательным и параллельным переносом.
9 Объясните назначение и принцип построения дешифратора.

Раздел 2 Основы теории систем автоматического управления
Тема 2.1 Замкнутые системы автоматического управления непрерывного действия

Содержание программы
Понятие о замкнутых системах автоматического управления непрерывного действия, их видах. Воздействия, виды воздействий, динамические характеристики систем автоматического регулирования (САР). Типовые динамические звенья САР и их динамические свойства. Понятие об устойчивости, обратной связи САР, показатели качества САР.

Методические указания
Автоматическим регулятором называется устройство, которое без непосредственного участия человека осуществляет функции контроля и управления процессом, воздействующим на некоторую физическую величину таким образом, что количественное значение этой величины выдерживается равным заданному значению с требуемой степенью точности. Следовательно, автоматический регулятор должен выполнять следующие функции:
- измерять регулируемую величину;
- сравнивать измеренное значение регулируемой величины с заданным значением;
- осуществлять воздействие на регулируемый процесс в соответствии с величиной и знаком ошибки таким образом, чтобы уменьшить ошибку регулирования до нуля или до некоторого допустимого значения.
Необходимо рассмотреть принципы регулирования (принципы построения систем автоматического регулирования (САР)):
 - регулирование по отклонению; - регулирование по возмущению; 
- комбинированное регулирование,
Существует большое разнообразие САР. Их можно классифицировать по различным признакам: 
- в зависимости от характера взаимодействия регулятора и объекта (разомкнутые и замкнутые);
- в зависимости от того, используется в САР усилитель, потребляющий энергию от внешнего источника, или нет, САР подразделяются на системы прямого и непрямого действия (по виду используемой вспомогательной энергии системы непрямого действия делятся на электрические, гидравлические, пневматические и комбинированные);
- в зависимости от характеристик элементов (линейные и нелинейные);	- по характеру воздействия одних устройств на другие (непрерывного и дискретного действия); 
САР дискретного действия в свою очередь делятся на релейные и импульсные;
- от числа регулируемых параметров (одно- и многомерные системы);
- в зависимости от характера реакции САР на влияние внешних
факторов, стремящихся изменить регулируемую величину (статические и астатические).
Под воздействием понимают любой фактор, приводящий к изменению состояния системы. Воздействия могут возникать в результате действия, как внешних факторов, так и внутренних. Внешние воздействия могут быть двух видов: управляющими и возмущающими. Возмущающие воздействия подразделяются на основные и второстепенные (помехи).
В качестве типовых воздействий приняты скачкообразные, линейные и гармонические воздействия.
Свойства САР зависят от свойств элементов, которые входят в систему, а также от способов соединения их между собой. В свою очередь свойства элементов определяются их статическими и динамическими характеристиками.
Динамической характеристикой звена называется зависимость между выходной и входной величинами в функции от времени, которая описывается дифференциальным уравнением. Динамические характеристики подразделяются на временные и переходные.
Временной характеристикой называется графическое изменение выходного сигнала САР при его переходе из одного установленного состояния в другое при типовом входном воздействии. За типовое часто принимают ступенчатое (скачкообразное) единичное входное воздействие.
Графическое изображение изменения выходного сигнала при переходе элемента из одного установившегося состояния в другое при единичном ступенчатом изменении входного сигнала называется переходной характеристикой.
При изучении динамических характеристик необходимо уделить внимание частотным, амплитудно-частотным и амплитудно-фазовым характеристикам.
Любая САР состоит из ряда звеньев, каждое из которых обладает определенными динамическими свойствами. В зависимости от характера протекания переходного процесса различают следующие типовые звенья САР: дифференцирующее, усилительное, интегрирующее, апериодическое, колебательное и звено чистого запаздывания. При изучении типовых звеньев САР необходимо внимание обратить на дифференциальное уравнение звена и его переходную функцию.
Одним из главнейших требований, предъявляемых к САР, является устойчивость, быстродействие. 
Под устойчивостью САР понимают ее способность приходить к последующему установившемуся состоянию после приложения воздействия, которое вывело ее из состояния равновесия. Для оценки устойчивости рассматривают поведение системы в переходном процессе.
Для исследования устойчивости САР используют два метода: прямой и   косвенный. Необходимо уяснить суть этих методов исследования, изучить критерии устойчивости (алгебраические и частотные).
Требование устойчивости системы является главным, но недостаточным для обеспечения работоспособности системы. Необходимо учитывать показатели качества процесса регулирования: запас устойчивости, точность, длительность переходного процесса и коэффициент перерегулирования. Для оценки качества САР используют прямые и косвенные оценки. В качестве косвенных показателей используют интегральные критерии качества.
Обратной связью функциональной схемы САР называется связь, направленная от выхода к входу рассматриваемою участка цепи. Следует рассмотреть отрицательную обратную связь и положительную обратную связь.

Контрольные вопросы
1 Дайте определение автоматического регулятора. Перечислите функции автоматического регулятора.
2 Перечислите принципы регулирования.
3 По каким критериям классифицируются САР?
4 Дайте определение статической и астатической САР.
5 Дайте определение воздействию. Перечислите виды воздействий,
6 Дайте определение статическим и динамическим  характеристикам.
7 Дайте характеристики типовым звеньям САР.
8 Дайте определение устойчивости САР. 
9  Перечислите критерии устойчивости САР.
10 Перечислите показатели качества процесса регулирования.
11 Перечислите методы оценки качества САР.
12 Для чего в функциональную схему САР вводится обратная связь?
13 Перечислите виды обратных связей.

Тема 2.2 Дискретные системы автоматического управления

Содержание программы
Принципы действия дискретной САУ. Основных положения алгебры логики: двоичные функции, определение и классификация дискретных автоматов, основные законы и соотношения для функционально полной системы. Построение логических элементов в потенциальной системе: резистивно-транзисторная логика, транзисторная логика, диодно- транзисторная логика, транзисторно- транзисторная логика, логические интегральные микросхемы.

Методические указания
В системах автоматического управления САУ широко применяют логические элементы (ЛЭ). Они вырабатывают сигнал на выходе в зависимости от определенных сочетаний сигналов на входе и реализуют логические функции, которые, как и их аргументы, имеют значения 0 или 1. Символом «О» обозначают минимальный уровень (сигнала нет), а «1» - максимальный уровень (сигнал есть). Следует рассмотреть структурные схемы замкнутой и разомкнутой дискретных САУ.
Построение дискретных САУ с использованием ЛЭ осуществляют с помощью различных методов, в основе которых лежит алгебра логики. Область алгебры логики состоит из множества высказываний (обозначаются А, В, С, ...., X,Y)
Высказывание - это законченное предложение, которое может иметь два значения истинности: либо быть истинным (А - истинно: А=1) либо быть ложным (С - ложно: С=0)
Высказывания могут быть простыми и сложными: первые не зависят от других высказываний, а вторые образуются из двух или более простых высказываний. Простые высказывания называют логическими переменными, а сложные - логическими функциями этих переменных (функциями алгебры логики – ФАЛ или переключательными функциями - ПФ).
При рассмотрении логических функций («И», «ИЛИ», «НЕ», неравнозначность, равнозначность, «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ») необходимо уделить внимание условным графическим обозначениям (УГО) соответствующих ЛЭ и таблицам истинности.
При упрощении  – минимизации логических функций используют основные законы алгебры логики: переместительный, сочетательный, распределительный и закон инверсии, а также основные правила: поглощение; склеивание; повторение; двоичное отрицание, выражения, имеющие всегда значение «I» и значение «О».
ПФ могут быть выражены различными логическими формулами благодаря возможности проведения над ними эквивалентных преобразований. На практике наиболее удобными для представления ПФ оказываются дизъюнктивные (ДНФ) и конъюктивные (КНФ) формы. Дискретные автоматы бывают комбинированного и последовательного типа.
Под синтезом дискретных автоматов понимают проектирование схемы, реализующей заданный закон ее функционирования. Следует рассмотреть последовательность этапов синтеза.
При создании дискретных САУ, вычислительной техники широко используют полупроводниковые ЛЭ, среди которых часто используются, транзисторные, диодно-транзисторные, транзисторно-транзисторные ЛЭ. В настоящее время ЛЭ выпускаются в виде интегральных микросхем.

Контрольные вопросы
1 Объясните структурные схемы замкнутой и разомкнутой дискретных САУ.
2 Дайте определение следующим понятиям: высказывание, логические переменные, переключательные функции, синтез.
3 Изобразите УГО основных ЛЭ и их таблицы истинности.
4 Перечислите основные законы и правила алгебры логики.
5 Дайте понятия дизъюнктивным формам: ДНФ и СДНФ.
6 Дайте понятия конъюктивнымформам: КНФ и СКНФ.
7 Дайте определение комбинационным и последовательностным схемам.
8 Перечислите последовательность этапов синтеза.
9 Объясните электрические принципиальные схемы ЛЭ в различных, логиках.



Раздел 3  Микропроцессорная техника
Тема 3.1 Арифметические и логические основы ЭВМ

Содержание программы
Позиционные системы счисления. Представление чисел с фиксированной и плавающей запятой. Форматы данных. Выполнение арифметических операций над двоичными числами. Физические формы  представления информации. Основные логические элементы ЭВМ.

Методические указания
Под системой счисления (СС) понимают совокупность приемов и правил обозначения и наименование чисел. Различают два типа систем счисления: непозиционные и позиционные.
Необходимо ознакомиться со способами перевода чисел из одной СС в другую.
Разнообразные арифметические и логические операции выполняются в устройствах, называемых арифметическо-логическими устройствами (АЛУ). В цифровых ЭВМ обрабатываются данные трех типов: числа могут быть представлены в естественной (с фиксированной точкой ) и натуральной (с плавающей точкой) форме; логические значения – имеют фиксированную разрядность и рассматриваются как наборы независимых друг от друга логических переменных; текстовая информация (набор символов) - буквы, цифры, знаки. 
При изучении этой темы следует ознакомиться с правилами кодирования чисел (прямой, обратный и дополнительный коды) и правилами двоичной арифметики (основное внимание уделить сложению и вычитанию чисел в кодах).
Основным блоком АЛУ является сумматор, поэтому следует рассмотреть принцип построения одноразрядных полусумматоров и полных сумматоров (их синтез); многоразрядных сумматоров.

Контрольные вопросы
1 Дайте определение АЛУ. 
2 В каких формах могут быть представлены данные? Объясните суть этих форм. 
3 Для чего двоичные числа представляют в прямом, обратном и дополнительных кодах?
4 Перечислите правила двоичной арифметики.
5 Дайте определение одноразрядных полусумматора и полного сумматора. Синтезируйте их схемы.
6 Постройте полный одноразрядный сумматор на полусумматорах.
          7 Объясните принцип построения многоразрядных сумматоров.

Тема 3.2 Устройства, входящие в состав ЭВМ, микроЭВМ 

Содержание программы
Структурная схема ЭВМ, микроЭВМ. Назначение основных блоков, их связь в системе, принцип функционирования. Арифметико-логические устройства процессоров. Устройства управления. Запоминающие устройства микропроцессорных систем (классификация ЗУ, характеристики; типы ЗУ; организация памяти микроЭВМ). Периферийное оборудование микроЭВМ (назначение, основные характеристики, классификация, устройства ввода-вывода информации, система отображения информации, устройства ввода-вывода аналоговой информации, устройства внешней памяти).  

Методические указания
Структурная схема ЭВМ состоит из  блоков: арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ), память ЭВМ (запоминающие устройства), устройства ввода  и вывода информации.
 Необходимо рассмотреть схемы ЭВМ  для различных поколений ЭВМ и определить основные принципы построения.
АЛУ служат для выполнения арифметических и логических действий над двоичными числами и алфавитно-цифровыми кодами. АЛУ классифицируются:
а) по способу действия над операндами:
- последовательного действия; 
- параллельного действия;
- параллельно-последовательного действия;
б) по способу представления чисел: 
- для двоичных чисел с фиксированной точкой;
- для двоичных чисел с плавающей точкой;
- для десятичных чисел ( в двоично-десятичном поле);
в) по характеру использования элементов и узлов:
-комбинационного типа; 
-блочного типа.
Следует рассмотреть типовую структурную схему АЛУ, определить назначение основных блоков. Входящее в МП устройство управления (УУ) выполняет две основных функции: управление выполнением операций и выборку команд программы в необходимой последовательности, их дешифрацию и обработку составляющих их частей. В настоящее время в MП используются два типа УУ выполнением операций: - УУ с микропрограммным' управлением; -УУ с «жесткой»  логикой.
В состав ЭВМ входят различного назначения запоминающие устройства, обеспечивающие хранение и выдачу кодов чисел и команд. Обычно ЭВМ имеет многоступенчатую структуру памяти различного типа и  назначения:
- внутренние ЗУ (ОЗУ и ПЗУ);
- внешние ЗУ (накопители различного типа, диски);
ВЗУ предназначены для хранения больших объемов информации. Следует рассмотреть следующие ВЗУ:
- накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);
- накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД типа «Винчестер»),
- накопители на оптических дисках (НОД);
- накопители на магнитооптических дисках (НМОД);
Периферийные устройства ЭВМ предназначены для ввода, вывода и хранения данных с последующим их вводом в ЭВМ являются средствами коммуникации ЭВМ с внешними источниками и потребителями информации и обеспечивают согласование сигналов внешних объектов и сигналов, используемых в ЭВМ.
Все периферийные устройства ЭВМ обычно подразделяются на три большие группы:
-устройства связи ЭВМ с человеком пользователем. Это прежде всего клавиатуры (в которых используются клавишные переключатели различного типа: ); графопостроители; устройства управления курсором дисплея (манипуляторы типа «мышь», «джойстик», трекбол, сетевое перо), видеотерминалы (мониторы различного вида), печатающие устройства (принтеры, плоттеры) сканеры. 
-устройства связи с объектами контроля и управления: различные датчики и исполнительные органы; цифроаналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразователи. ЦАП подразделяются па электрические и механические. АЦП можно разбить на четыре основные группы:
-преобразователи перемещений (линейных или угловых);
-преобразователи электрических величин (напряжений, токов или сопротивлений); - преобразователи интервалов времени; 
-преобразователи следящего типа.

Контрольные вопросы
1 Дайте определение АЛУ и их классификацию.
2 Из каких блоков состоит АЛУ (дайте назначение этих блоков)
3 Дайте определение УУ.
4 Чем отличаются УУ с микропрограммным управлением и жесткой логикой?
 5 Дайте определение ОЗУ, СОЗУ, ДОЗУ ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ, кэш-памяти, флэш-памяти
6 Приведите примеры ВЗУ и дайте их краткую характеристику.
7 Дайте определение периферийным устройствам ЭВМ, их разделение на группы.
8 Объясните назначение ЦАП и их классификация.
9 Объясните назначение АЦП и их классификация.

Тема 3.3  Архитектура микропроцессоров

Содержание программы
Классификация микропроцессоров ( однокристальные и секционные микропроцессоры (МП); технические характеристики; микропроцессорные комплекты; микроконтроллеры). Архитектура однокристальных МП (обобщенная логическая структурная схема МП; назначение основных модулей, принцип функционирования МП; набор программно-доступных регистров). Архитектура секционных МП( структура секционного процессорного элемента, организация микроЭВМ на секционных МП). Организация АЛУ. Микропроцессоры архитектуры INTEL, DEC,  MOTOROLA).  

Методические указания
При рассмотрении темы следует классифицировать микропроцессоры, определить технические характеристики микропроцессоров, дать определение микропроцессорному комплекту (МПК), базовому МПК, микропроцессорному набору; следует рассмотреть общую схему ЭВМ с назначением блоков и магистралей. Особое внимание следует уделить МПК БИС КР580, рассмотреть структуру МП КР580ВМ80А с назначением блоков и узлов. Систему команд МП КР580ВМ80А, форматы команд и способы адресации этого МП.
Применение секционируемых микроЭВМ дает возможность пользователю варьирования разрядности микроЭВМ за счет объединения различного числа БИС операционной части, настройки микроЭВМ на обработку произвольной системы команд за счет изменения кодировки ПЗУ. Следует рассмотреть пример построения секционируемой микроЭВМ на базе МПК К1804. Следует рассмотреть состав  МПК К1804, структурную схему секционного МП, организацию обрабатывающей части МП секционного типа. Следует рассмотреть МП  персональных компьютеров Intel и AMD(Celeron, Pentium, Duron , Athlon), особенности построения и использования, а также изучить процессоры RISC архитектуры.

Контрольные вопросы
1 Дайте определение МПК, базовому МПК, микропроцессорному набору.
2 Перечислите состав МПК БИС КР58О.
3 Перечислите основные блоки МП КР580ВМ80А, объясните их назначение.
4 На какие группы делится система команд МП КР580ВМ80А?
5 Какие форматы команд используются в МП КР580ВМ80А?
6 Какие способы адресации используются в МП КР580ВМ80А?
7Чем обусловлено использование секционируемых микроЭВМ?
8 Перечислите состав МПК БИС К1804.
9 Как организуется обрабатывающая часть МП секционного типа?
10 Объясните общую схему ЭВМ. Назначение основных блоков.
11 Дайте характеристику современным МП и микроЭВМ. 
12 Перечислите основные принципиальные отличия МП RISC – CISC – архитектуры.

Тема 3.4 Организация ввода-вывода в микропроцессорной системе 

Содержание программы
Организация интерфейсов  ( понятие и виды интерфейсов, организация системных интерфейсов, интерфейсы периферийных устройств). Контроллеры периферийных устройств ( понятие программно-доступного порта ввода-вывода. Контроллеры параллельных и последовательных интерфейсов). Система прерываний в микропроцессорной системе ( понятие прерываний выполнения основной программы. Типы прерываний. Организация системы прерываний в микропроцессорной системе). Организация прямого доступа к памяти( назначение организации прямого доступа к памяти (ПДП), схема организации ПДП).




Методические указания
Ввод - вывод в ЭВМ заключается в обмене данными (это числа, наборы символов, команд) между периферийными устройствами машины и ее оперативной памятью.
Следует рассмотреть принципы организации ввода - вывода:
-программный обмен: синхронный обмен; асинхронный обмен; 
- ввод-вывод по прерываниям;
-прямой доступ к памяти (ПДП).
Существует два основных типа каналов:
- селекторный - группа быстродействующих внешних устройств подключается к каналу, режим работы которого обеспечивает однократный прием или передачу большой порции данных. При этом режим работы с периферийными устройствами называется монопольным.
- мультиплексный канал. Медленнодействующие устройства характеризуются большими временными промежутками между передаваемыми кодами символов. Поэтому в паузах между обслуживанием одного периферийного устройства удается опросить выходные регистры всех остальных устройств или передать в них коды выводимых символов. Эту задачу решает мультиплексный канал.
Мультиплексированием называется передача данных от нескольких независимых источников в один информационный канал. Устройства, реализующие этот принцип передачи информации, называются мультиплексорами. Следует рассмотреть условное графическое обозначение и принципы реализации  мультиплексора и демультиплексора, выполнить их синтез.
Связь устройств ЭВМ друг с другом осуществляется с помощью сопряжений, которые в вычислительной технике называются интерфейсами.
Интерфейс представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов, предназначенную для осуществления обмена информацией между устройствами.
Следует рассмотреть классификацию интерфейсов по следующим принципам:
- по функциональному назначению (магистральные и 
внешние интерфейсы периферийных устройств, системные интерфейсы, локальных сетей и глобальных сетей);
- по типу организации связей (магистральные, радиальные, радиально - магистральные;
- по принципу обмена информацией (с параллельной, последовательной передачей информации);
- по способу передачи информации во времени (с синхронной и асинхронной передачей данных).

Контрольные вопросы
1 В чем суть ввода – вывода в ЭВМ?
2 Объясните программный обмен данными и его разновидности.
3 Назначение и принцип осуществления ПДП.
4 По каким каналам осуществляется обмен данными с быстродействующими и медленнодействующими устройствами?
5 Дайте определение мультиплексору и выполните его синтез.
6 Дайте определение  и классификацию интерфейсов.

Тема 3.5  Вычислительные и микропроцессорные устройства 

Содержание программы
Особенности построения микропроцессорных систем. Применение вычислительных средств в системах управления. Контроль работы вычислительных средств.

Методические указания
При рассмотрении темы следует дать определение микропроцессорной системе (МПС); рассмотреть ее структурную схему и дать назначение блоков и магистралей МПС.
Под вычислительной системой (ВС) понимают совокупность технических средств (устройств для обработки данных, устройств памяти, периферийных устройств) и специальных программ, поставляемых вместе с аппаратурой.
Вычислительная система, решающая задачи управления, называется контроллером.
Большинство ВС относится к восстанавливаемым системам, таким, в которых возможно устранение неисправности и ее последствий.
Возможные ошибки (сбои) вычислительной машины можно разделить на систематические и случайные.
Ошибки в процессе вычислений во время наладки, ремонта и профилактики обнаруживаются средствами контроля ЭВМ -совокупностью средств, предусмотренных в аппаратуре ЭВМ и (или) в программах. Поэтому средства контроля подразделяются на программные и аппаратные.
Программный контроль ЭВМ состоит из программно-логического контроля и (или) тестового контроля выполнения предусмотренных зависимостей или состояний.
Аппаратный контроль ЭВМ осуществляется с помощью встроенного в ЭВМ оборудования.
Следует рассмотреть следующие аппаратурные методы контроля: контроль па четность-нечетность; контроль по совпадению; контроль с исправлением одиночной ошибки, допущенной при передаче; метод дублирования оборудования: контроль арифметических операций.
Следует рассмотреть следующие программные методы контроля: контроль правильности ввода информации; контроль с помощью двойных просчетов; контроль алгоритма; контроль программы по счетчику времени; контроль с помощью тестовых задач.

Контрольные вопросы
1Объясните структурную схему МПС. Данте определение ВС.
2 Какие ВС называются восстанавливаемыми? 
3 Чем обусловлены систематические ошибки? 
4 Чем вызваны случайные ошибки? 
5 Чем обнаруживаются программный контроль ЭВМ? 
6 Как осуществляется программный контроль ЭВМ? Перечислите программные методы контроля и разъясните их суть.
7 Как осуществляется аппаратурный контроль ЭВМ? Перечислите аппаратурные методы контроля и разъясните их суть.

Тема 3.6  Основы программирования

Содержание программы
Классификация языков программирования. Понятие алгоритма программы, его свойства. Типы алгоритмов. Способы описания. Простые, циклические, ветвящиеся алгоритмы. Характеристики программ. МП. Назначение, состав, структурная схема. Работа МП. Система команд. Составление и отладка программ.

Методические указания
Для первых программно-управляемых машин разработка программ велась применительно к решению конкретных задач. Связь пользователя с машиной состояла всего из двух уровней: система команд машины - программа пользователя. Команды и их операнды имели непосредственные адреса.
В дальнейшем процесс программирования был усовершенствован путем применения метода символических адресов.
Участки программ, повторяющиеся в одной программе или являющиеся общими для различных программ, могут быть записаны в программе отдельным блоком, а в ходе выполнения основной программы их можно вызвать по мере необходимости и исполнять. Такие программные блоки называются подпрограммами основной программы.
Если подпрограммы должны использоваться в различных программах, то они и могут храниться отдельно от программ. В этом случае их называют стандартными программами. Большинство из этих программ считаются элементами алгоритмических языков высокого уровня и используются в качестве встроенных функций языка.
Анализ выполнения программ показал, что для реализации одной программы нет необходимости, чтобы все устройства ЭВМ работали параллельно. Возникла идея распараллеливания некоторых устройств для одновременного решения нескольких задач. Для обеспечения такой работы ЭВМ необходимы дополнительные программные и аппаратные средства. Программное дополнение к ЭВМ образовало вместе с ЭВМ исполнительную систему, а программное обеспечение ЭВМ стали называть при этом общесистемным.
В состав общесистемного обеспечения ЭВМ входят системы: операционная, ввода, вывода, обслуживающих программ, программирования.
Пакеты прикладных программ — это система прикладных программ, предназначенная для решения задач определенного, класса.
В цепи пользователь - ЭВМ есть еще один уровень иерархии система машинных команд - общесистемное программное обеспечение - пакеты прикладных программ - программа пользователя.
По способу реализации входного задания пакеты могут быть обрабатывающие и производящие.
Языки программирования для микроЭВМ можно разделить на три основных уровня:
- машинные языки - являются языками нижнего уровня, языками цифр, они неудобны для описания вычислительных процессов и требуют от программистов больших усилий при написании и отладке программ;
- алгоритмические языки высокого уровня (БЕЙСИК, ПАСКАЛЬ и другие) занимают верхнее положение в иерархии языков программирования. Они обеспечивают естественную описания вычислительных процессов, но не всегда позволяют в полной мере реализовать технические возможности ЭВМ. Кроме того требуется перевод программы с языка высокого уровня в машинные коды;
 - языки ассемблера занимают промежуточное положение между машинными языками и языками высокого уровня и объединяют в себе некоторые достоинства самого нижнего и самого верхнего уровней языков программирования.
Каждый язык ассемблера является машинно - зависимым языком и отражает аппаратные особенности той микроЭВМ, для которой он создан.
Под программированием понимают процесс подготовки задачи, дающий возможность решить задачу на машине.
Указание о выполнении тех или иных операций задается машине с помощью команд. Команда - это предписание, определяющее порядок работы машины в течение некоторого отрезка времени. Совокупность последовательности команд, представляющая алгоритм решения задачи на языке операций конкретной машины, называется программой вычислений.
По своей структуре программы могут быть линейными, циклическими и ветвящимися.
У большинства существующих реализаций ассемблера нет интегрированной среды как у языков высокого уровня. Поэтому для выполнения всех функций по вводу кода программы, ее трансляции, редактированию и отладке необходимо использовать отдельные служебные программы, большая часть которых входит в состав специализированных пакетов ассемблера.
Выделяют четыре шага разработки программы на ассемблере. На первом шаге, когда вводится код программы, можно использовать любой текстовый редактор. Основным требованием к нему является то, чтобы он не вставлял посторонних символов.
Программы, реализующие остальные шаги схемы, входят в состав программного пакета ассемблера. Большую популярность на рынке ассемблера для процессоров Intel имеют два пакета:
-«Макроассемблер» MASM  фирмы Microsoft;
-Turbo Assembler TASM фирмы Borland.
У этих пакетов много общего. В эти пакеты входят трансляторы, компоновщики, отладчики и другие утилиты для повышения эффективности процесса разработки программ на ассемблере.
При программировании на языке ассемблер вместо двоичных кодов используются их символические буквенные обозначения –  мнемоники. Мнемоники представляют сокращенное название английских терминов, обозначающих смысл операции. Применение символических обозначений освобождает программиста от необходимости запоминать большое число двоичных кодов машинных команд и следить за адресацией команд и операндов. Мнемоники имеют понятный смысл, позволяющий производить обращения к командам и операндам на уровне символических адресов. Все это существенно повышает производительность работы программиста.
Программа на ассемблере состоит из ряда строк, каждая из которых имеет определенный формат и содержит только одну команду. Строка ассемблера состоит, как правило, из четырех полей,  называемых «метка», «код операции», «операнды», «комментарий»
В поле метки записывается символическое имя, присваиваемое оператору данной строки. Это имя состоит из прописных латинских букв и цифр и однозначно определяет абсолютный адрес в памяти, по которому данный оператор хранится. После трансляции программы на машинный язык метка автоматически заменяется абсолютным адресом памяти.
Поле метки отделяется от поля кода операции двоеточием. Метка позволяет обращаться к нему из любой точки программы..
Поле кода операции содержит мнемоническое обозначение кодов операций – команд микропроцессора и содержат до десяти букв и специальные символы. Мнемоники кодов операций приведены в системе команд микропроцессора. 
Поле кода отделяется от поля операндов одним пробелом.
Поле операндов содержит один или два операнда, разделяемые запятой. В качестве операндов могут использоваться численные или символьные константы, имена, выражения.
Поле комментария начинается с разделителя –   точки с запятой и содержит краткое пояснение действий, осуществляемых данной командой. Для хорошего понимания программы комментарий должен быть полным и понятным.
Содержание поля комментария полностью игнорируется программой, поэтому в поле комментария можно помещать любой текст.
Следует отметить, что некоторые поля строки ассемблера могут быть пустыми – не содержать никакой информации. Преобразование (трансляция) мнемоник в двоичный код осуществляется специальной программой-транслятором ассемблера.
Редактор текста: представляет собой программу, предназначенную для создания исходных программ. Программа, независимо от используемого языка программирования, представляет собой текстовый файл, которому присваивается какое-либо имя и записывается на диск. При необходимости корректировки исходной программы файл снова загружается в буфер. Редактор текста имеет ряд полезных команд, с помощью которых осуществляется корректировка программы с помощью курсора, перемещая который по тексту можно внести в программу необходимые дополнения.
Трансляция программы: исходный текст программы  на ассемблере подготовлен и записан на диск. Следующий шаг – трансляция программы. На этом этапе формируется объектный модуль, который включает в себя представление исходной программы в машинных кодах и некоторую другую информацию, необходимую для отладки и компоновки его с другими модулями. 
Трансляторы ассемблера входят в состав программного обеспечения большинства современных ЭВМ для облегчения составления программ.
Для получения объектного модуля исходный файл необходимо подвергнуть трансляции при помощи программы tasm.exe из пакета TASM. 
Обязательным аргументом командной строки является имя_исходного_файла. Этот файл должен находиться на диске и иметь расширение  .аsm.
Объектный модуль записывается на диск, а на экране монитора появляются файлы объектного модуля.
Компоновка программы: программа, созданная с помощью транслятора, является неподготовленной для ее загрузки и ее последующего выполнения. Более того, в ряде случаев большая исходная программа подразделяется на несколько модулей, разработка которых производится не одним, а группой программистов. В этом случае размер каждого модуля остается неизвестным пока не закончится его разработка.
Компоновка обеспечивает объединение и форматирование всех объектных модулей в единый загрузочный модуль и обеспечивает привязку этого модуля к фактическим адресам загрузки конкретной МП-системы.
Компоновщик устанавливает взаимные связи модулей, поэтому его часто называют редактором связей.
Сформированная компоновщиком единая объектная программа обрабатывается загрузчиком. В результате создается программа, предназначенная для непосредственного использования в конкретной МП-системе.
Отладка программы: разработка программ – это сложный процесс с неизбежными ошибками, которые необходимо корректировать.
Наиболее элементарные ошибки, вызванные неправильным синтаксисом, как правило хорошо обнаруживаются на этапе трансляции исходной программы.
Значительно сложнее обнаружить логические ошибки, которые проявляются только при исполнении программы на машинном языке в конкретной МП-системе.
Последний этап – отладка программы, которая позволяет выполнить программу в пошаговом режиме, в режиме прерываний (остановов) по контрольным точкам, в режиме трассировки(последовательное исполнение программы). В этих режимах эффективно обнаруживаются ошибки и анализируются их причины при работе программ.В пошаговом режиме выполнение отлаживаемой программы прекращается после каждой команды и возобновляется только по команде оператора.
В режиме трассировки автоматически выполняется вся или часть программы. При этом на экране монитора регистрируются состояния регистров микропроцессора после выполнения каждой команды.
В режиме останова место прерывания программы может задаваться в виде адреса команды или операндов, в виде кода команды или операнда, слова состояния микропроцессора.
Для отладки программ используются автономные программы-отладчики, которые позволяют определить место и причину ошибки.
Простота использования программ-отладчиков, и их постоянная доступность разработчикам, высокая эффективность делают их важным инструментом программного обеспечения.
Следует рассмотреть следующие характеристики программ: надежность; удобочитаемость; гибкость; мобильность; простота; эффективность.

Лабораторная работа №3
Приобретение навыков программирования сложных линейных программ

Контрольные вопросы
1 Дайте классификацию языков программирования.
2 Что такое программирование?
3 Что такое команда?
4 Что такое программа?
5 Какова структура программ?
6 Перечислите и поясните этапы отладки программ.
7 Поясните основные характеристики программ.

Тема 3.7 Современные компьютеры, тенденции развития
 микропроцессорных устройств

Содержание программы
Передовые технологии в производстве микропроцессорной техники. Новые поколения МП, новые компьютерные технологии. Развитие аппаратных средств, программного обеспечения, периферийного оборудования. Автоматизация проектирования. Создание локальных и глобальных вычислительных сетей.

Методические указания
Микропроцессорная техника является одной из передовых отраслей промышленности, развитие которой происходит очень быстро.
При изучении темы необходимо изучить передовые технологии в производстве микропроцессорной техники, рассмотреть новые поколения МП, новые компьютерные технологии. Следует дать характеристику перспективам развития аппаратных средств, программного обеспечения, периферийного оборудования, пояснить уровни автоматизированного  проектирования при  создании локальных и глобальных вычислительных сетей.

2 3АДАНИЯ ДЛЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ 

Общие указания к выполнению контрольной работы
Каждый учащийся выполняет вариант контрольной работы согласно двух последних цифр, присвоенного ему шифра.
Контрольная работа должна быть выполнена в соответствии с вариантом, самостоятельная замена одного варианта другим недопустима.
Работу выполнять в тетради с полями для замечаний преподавателя. Обязательно выписывать условия заданий и вопросы, поставленные в контрольной работе.
Ответы на вопросы должны быть содержательными и полными и должны сопровождаться необходимыми схемами и эскизами, поясняться таблицами, диаграммами и формулами.
Работа выполняется чернилами (пастой), схемы вычерчиваются карандашом.
В конце контрольной работы необходимо указать использованную литературу, поставить дату выполнения и свою подпись, кроме того в конце работы следует оставить 1-2 страницы для рецензии.
Работы, не удовлетворяющие указанным требованиям, рецензироваться не будут.
В случае затруднений при выполнении контрольной работы следует пользоваться  консультацией  преподавателя.

Задание 1 (для всех вариантов)
	Над числами, представленными в таблице 1, произведите следующие операции: преобразование десятичных чисел в двоичную, восьмиричную, шестнадцатиричную систему счисления (все действия покажите подробно).
Задание 2 (для всех вариантов)
Представьте двоичные числа А и В, указанные в таблице 2 в прямом, обратном, дополнительном, модифицированных прямом, обратном, дополнительном кодах (все действия покажите подробно).
Задание 3 (для всех вариантов)
 	Выполните арифметические операции сложения, вычитания «машинным» методом, используя в качестве операндов числа А и В, представленные в таблице 2 (все действия покажите подробно):
- варианты 1-25 –операции выполнить в обратном коде;
- варианты 26-50 –операции выполнить в дополнительном коде;
-варианты 51-75 –операции выполнить в модифицированном обратном коде;
- варианты 76-100 –операции выполнить в  модифицированном дополнительном коде.

Задание 4 (для всех вариантов)
Для функции F, заданной таблицей истинности( таблица 3), записать совершенную дизъюнктивную нормальную форму(СДНФ), совершенную конъюнктивную нормальную форму (СКНФ). Минимизировать СДНФ методом карт Карно. Построить структурную схему логического устройства в базисе И, ИЛИ, НЕ, используя стандартные графические обозначения логических элементов