556

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

мехатронике и робототехнике

Методические указания для самостоятельной работы студентов

по направлению подготовки

15.03.06 Мехатроника и робототехника

Воронеж 2018

2

УДК 004.384

Применение вычислительных машин, систем и сетей в мехатронике и робототехнике [Электронный ресурс]: методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 15.03.06 Мехатроника и робототехника / А. В. Стариков; М-во науки и высшего образования РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2018. – 10 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 15.03.06 – «Мехатроника и робототехника» включает изучение дисциплины «Применение вычислительных машин, систем и сетей в мехатронике и робототехнике» в течение 2-го семестра в объеме 180 часов. Из них 36 часов отводится для лекционных занятий, 36 часов для лабораторных работ, 72 часа для самостоятельной работы студентов, 36 часов на подготовку к прохождению итогового контроля (сдача 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 управления в мехатронных и робототехнических системах.

Для достижения данной цели в ходе изучения дисциплины 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 мехатронных и робототехнических системах;

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

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 «Применение вычислительных машин, систем и сетей в мехатронике и робототехнике» 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 информационно-

5

вычислительных сетей. Эталонная модель взаимодействия открытых систем 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 мехатронике и робототехнике» 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 мехатронике и робототехнике» является выполнение студентом лабораторного практикума. Согласно Положению о сдаче экзаменов в ФГБОУ ВО ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова студент, не выполнивший лабораторный практикум, не допускается к сдаче экзамена.

В соответствии с рабочей программой дисциплины «Применение вычислительных машин, систем и сетей в мехатронике и робототехнике» предусматривается следующая тематика лабораторных работ (в скобках указано нормативное количество времени, отводимое на выполнение и защиту работы):

1.Двоичная система счисления. Двоичная арифметика и представление информации в ЭВМ (4 часа).

2.Алгебра логики (булева алгебра). Аксиомы и теоремы алгебры логики (6 часов).

3.Базовые логические элементы. Комбинационные и последовательностные логические устройства (6 часов).

4.Арифметико-логическое устройство, оперативная память, мультиплексная организация шин микро-ЭВМ (6 часов).

5.Протоколы и технологии локальных сетей. Программное обеспечение и функционирование локальных сетей (8 часов).

6.Глобальные сети. Сеть Internet. Семейство (стек) протоколов TCP/IP.

Адресация в стеке протоколов TCP/IP (6 часов).

При выполнении лабораторных работ предусматривается использование учебно-лабораторного оборудования. При защите отчёта студент должен продемонстрировать знание необходимого теоретического материала по теме практического занятия, аргументировано ответить на вопросы преподавателя, касающиеся практической части работы.

В соответствии с учебным планом на самостоятельную работу студента предусматривается более трети от общего времени, отводимого на изучение дисциплины. При этом одну часть времени, планируемого для самостоятельной работы, предполагается использовать для самостоятельного изучения

6

отдельных вопросов лекционного курса, другую для доработки отчётов о выполненных лабораторных работах и подготовки к их защите.

2 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы

При осуществлении самостоятельной работы студент должен руководствоваться указаниями преподавателя, данными методическими указаниями, методическими указаниями к практическим работам, материалами конспекта лекций, рекомендованной основной и дополнительной учебной литературой, включая электронные источники информации.

Ниже приведен перечень основной и дополнительной литературы, имеющейся в учебной библиотеке ВГЛТУ, а также в доступных электронных библиотечных системах (ЭБС): Знаниум, Единое окно доступа к образовательным ресурсам и других.

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.

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 мехатронике и робототехнике [Электронный ресурс] : Лабораторный практикум по направлению подготовки бакалавра 15.03.06 «Мехатроника и робототехника» для очной формы обучения / А. В. Стариков. ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». Воронеж, 2018. 64 с. ЭБС ВГЛТУ.

2.Стариков, А. В. Применение вычислительных машин, систем и сетей в мехатронике и робототехнике [Электронный ресурс] : методические указания к выполнению курсовой работы по направлению подготовки бакалавра 15.03.06

«Мехатроника и робототехника» для очной формы обучения / А. В. Стариков.

ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». Воронеж, 2018. 16 с. ЭБС ВГЛТУ.

3.Стариков, А. В. Применение вычислительных машин, систем и сетей в мехатронике и робототехнике [Электронный ресурс] : методические указания

для самостоятельной работы по направлению подготовки бакалавра 15.03.06 «Мехатроника и робототехника» для очной формы обучения / А. В. Стариков. ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». Воронеж, 2018. 8 с. ЭБС ВГЛТУ.

4. 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.

7

5. 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.

Как отмечалось выше, 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://www.znanium.com/;

ЭБС «Издательство «Лань»: https://e.lanbook.com/;

Интернет-университет информационных технологий: http://www.intuit.ru;

сайт для тех, кто интересуется электроникой, микроконтроллерами,

программированием: http://chipenable.ru;

сайт с обширной подборкой научной, учебной и учебно-методической литературы, представленной в виде библиотеки открытых электронных

источников: http://www.twirpx.com.

Поскольку лекции читаются не в полном объеме дисциплины, то студентам на самостоятельное изучение выносится ряд тем (табл. 1). Преподаватель сообщает студентам их общее содержание и организует контроль знаний по заявленным темам.

8

Окончание табл. 1

3 Перечень вопросов для подготовки к экзамену

1.Понятия вычислительной машины (ВМ) и вычислительной системы (ВС). В чём состоит отличие данных понятий?

2.Перечислить уровни детализации вычислительной машины и дать краткую характеристику каждого уровня.

3.Краткая история вычислительной техники. Поколения ЭВМ.

4.Основные принципы работы ЭВМ: автор(ы), общепринятое название, перечисление, характеристика.

5.Критерии производительности, используемые для оценки ЭВМ разного назначения.

6.Понятие открытой архитектуры ЭВМ. К чему привело её появление на рынке ВМ?

7.Области применения ЭВМ и их изменение в ходе эволюции ВМ.

8.Средства ввода-вывода информации ЭВМ разных поколений.

9.Понятия «персональный компьютер» и «рабочая станция». В чём их отличия?

10.Понятие «Х-терминал»: краткая характеристика, особенности,

примеры.

11.Понятие «сервер»: краткая характеристика, особенности, примеры.

12.Понятие, особенности и характеристики мейнфреймов.

13.Понятия «мини-суперкомпьютера» и «суперкомпьютера»: основные характеристики, особенности, примеры.

14.Классификация кластеров и области их применения.

15.Основные этапы в развитии суперкомпьютеров: от создания первых систем и до наших дней.

16.Виды представления информации в вычислительной технике.

17.Представление информации в вычислительных машинах. Форматы чисел с фиксированной и плавающей точкой.

18.Представление в ЭВМ целых чисел со знаком и целых чисел без

знака.

19.Представление в ЭВМ вещественных чисел. Понятие мантиссы.

20.Прямой, обратный и дополнительные коды: понятие, характеристика, вычисление.

9

21.Описание процесса сложения и вычитания в вычислительных

системах.

22.Описание процесса умножения и деления в вычислительных

системах.

23.Кодирование текстовой информации. Известные кодировки текстовой информации.

24.Различие растровой и векторной графики. Кодирование растровых и векторных изображений.

25.Фрактальная графика, её особенности и сферы применения.

26.Процесс кодирования и способы сжатия звуковой информации.

27. Основные элементы булевой алгебры. На какие группы по количеству операндов делятся логические функции?

28.Основные булевы функции. Примеры использования основных булевых функций.

29.Производные булевы функции. Примеры использования основных булевых функций.

30.Приоритет выполнения булевых операций. Примеры вычисления булевых функций с учетом приоритета операций.

31.Назовите переместительный, сочетательный и распределительный законы логики.

32.Законы (правила) де Моргана, примеры их применения.

33.Основные принципы минимизации булевых выражений, примеры их минимизации.

34.Понятие синтаксической конъюнктивной нормальной формы (СКНФ), пример составления СКНФ по таблице истинности.

35.Понятие синтаксической дизъюнктивной нормальной формы (СДНФ), пример составления СДНФ по таблице истинности.

36.Понятие архитектуры вычислительной системы. Основные признаки фон Неймановской (принстонской) архитектуры вычислительной системы.

37.Понятие архитектуры вычислительной системы. Гарвардская архитектура вычислительной системы, её особенности, области применения. Преимущества гарвардской архитектуры относительно фон-неймановской.

38.«Не фон-неймановские» архитектуры, их особенности, примеры реализации.

39.Классификация архитектуры вычислительных систем по Флинну: SISD, MISD, SIMD, MIMD. К какому типу архитектуры по классификации Флинна относится компьютер с фон-неймановской архитектурой? Гарвардской архитектурой?

10

Стариков Александр Вениаминович

Применение вычислительных машин, систем и сетей в

мехатронике и робототехнике

Методические указания для самостоятельной работы по направлению

подготовки бакалавра 15.03.06 – «Мехатроника и робототехника»

Редактор С. Ю. Крохотина

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»