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
|
арифметических и логических операций |
над данными, |
|
представленными в двоичном виде, преобразования логических |
|
|
выражений с использованием основных законов булевой алгебры. |
|
В |
результате освоения дисциплины «Применение вычислительных |
|
машин, |
систем и сетей в мехатронике и робототехнике» 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 «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