Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
УТВЕРЖДАЮ
Директор ИК
______
“____”_______2011 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, СИСТЕМЫ И СЕТИ
НАПРАВЛЕНИЕ ООП: Автоматизация технологических процессов и производств (б).
ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ: Автоматизация технологических процессов и производств в нефтегазовой отрасли
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ): бакалавр
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ План ПРИЕМА 2011 г.
КУРС 3; СЕМЕСТР 6;
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ: 2
ПРЕРЕКВИЗИТЫ: «Информатика»; «Дискретная математика»; «Электротехника и электроника»; «Электронные устройства».
КОРЕКВИЗИТЫ: «Промышленные контроллеры»; подготовка выпускной квалификационной работы.
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
Лекции 18 часов
Лабораторные занятия 18 часов
Аудиторные занятия 36 часов
Самостоятельная (внеаудиторная) работа 36 часов
Итого 72 часа
Форма обучения очная
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ: зачет 6 семестре.
Обеспечивающая кафедра: «Интегрированные компьютерные системы управления» .
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ: д. т.н., профессор
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП: к. т.н., доцент
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: к. т.н., ст. преп.
2011
1. Цели освоения дисциплины
В результате освоения данной дисциплины студент приобретает знания, умения и навыки, обеспечивающие достижение целей Ц1 – Ц5 основной образовательной программы «АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ».
Дисциплина нацелена на подготовку студенты к:
- разработке средств, способов и методов науки и техники, направленных на автоматизацию действующих и создание новых автоматизированных и автоматических технологий и производств (Ц1);
- разработке и исследованию средств и систем автоматизации и управления различного назначения, в том числе жизненным циклом продукции и ее качеством, применительно к конкретным условиям производства на основе отечественных и международных нормативных документов (Ц2);
- исследованию в области проектирования и совершенствования структур и процессов промышленных предприятий в рамках единого информационного пространства (Ц3);
- созданию и применению алгоритмического, аппаратного и программного обеспечения систем автоматизации, управления и контроля технологическими процессами и производствами, обеспечивающих выпуск высококачественной, безопасной, конкурентоспособной продукции освобождающих человека полностью или частично от непосредственного участия в процессах получения, трансформации, передачи, использования, защиты информации и управления производством (Ц4);
- исследованию с целью обеспечения высокоэффективного функционирования средств и систем автоматизации, управления, контроля и испытаний заданным требованиям при соблюдении правил эксплуатации и безопасности (Ц5).
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина относится к специальным дисциплинам профессионального цикла. Она непосредственно связана с дисциплинами: «Информатика», «Дискретная математика», «Электротехника и электроника», «Электронные устройства». Кореквизитом являются «Промышленные контроллеры» и подготовка выпускной квалификационной работы.
3. Результаты освоения дисциплины
При изучении дисциплины студенты должны:
1. Применять глубокие естественно-научные, математические знания в области анализа, синтеза и проектирования для решения научных и инженерных задач производства и эксплуатации мехатронных и робототехнических устройств и систем, в том числе их систем управления. (Р1).
2. Воспринимать, обрабатывать, анализировать и обобщать научно-техническую информацию, передовой отечественный и зарубежный опыт в области теории, проектирования, производства и эксплуатации мехатронных и робототехнических устройств и систем, принимать участие в командах по разработке и эксплуатации таких устройств и систем. (Р2).
3. Применять полученные знания для решения инженерных задач при разработке, производстве и эксплуатации современных мехатронных и робототехнических устройств и систем, (в том числе интеллектуальных) с использованием технологий мирового уровня, современных инструментальных и программных средств. (Р3).
4. Интегрировать знания в области анализа, проектирования, производства и эксплуатации систем автоматики и систем со знаниями из смежных областей (Р6).
Соответствие результатов освоения дисциплины формируемым компетенциям ООП представлено в таблице
Формируемые компетенции в соответствии с ООП | Результаты освоения дисциплины |
ОК-9 ПК-1 ПК-3 ПК-4 ПК-5 ПК-7 ПК-9 ПК-11 ПК-23 ПК-41 | В результате изучения дисциплины студент должен: знать: - основные принципы организации и архитектуру вычислительных машин, систем, сетей (Р1); - принципы организации функциональных и интерфейсных связей вычислительных систем с объектами автоматизации (Р3); - основные современные информационные технологии передачи и обработки данных; основы построения управляющих локальных и глобальных сетей (Р3); - синтаксис и семантику алгоритмического языка программирования, принципы и методологию построения алгоритмов программных систем (Р2); - принципы структурного и модульного программирования с поддержкой жизненного цикла программ, а также объектно-ориентированного программирования (Р3); уметь: - выбирать средства при проектировании систем автоматизации управления, программировать и отлаживать системы на базе микроконтроллеров (Р2); - проектировать простые программные алгоритмы и реализовывать их с помощью современных средств программирования (Р6); владеть: - навыками оформления проектной и конст рукторской документации в соответствии с требованиями ЕСКД (Р6); - навыками проектирования простых программных алгоритмов и реализации их на языке программирования (Р5); - навыками оформления результатов исследований и принятия соответствующих решений (Р5); |
Расшифровка кодов формируемых компетенций представлена в Основной образовательной программе подготовки бакалавров по направлению 220700 «АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ».
4. Структура и содержание дисциплины
4.1. Структура дисциплины по разделам, формам организации и контроля обучения
№ | Название раздела/темы | Аудиторная работа (час) | СРС | Итого | Формы текущего контроля и аттестации |
| ||
Лек-и | Практ./ сем-р | Лаб. зан. | Отчет по лабораторным работам |
| ||||
1 | Принципы и теоретические основы построения современных эвм | 2 | 4 | 4 | 10 | Отчет по лабораторным работам |
| |
2 | Принципы постоения и функционирования современных эвм | 4 | 2 | 2 | 8 | Отчет по лабораторным работам Контрольная работа |
| |
3 | Персональные компьютеры | 2 | 2 | 2 | 6 | Отчет по лабораторным работам |
| |
4 | Периферийные устройства эвм и организация систем ввода-вывода | 4 | 4 | 4 | 12 | Отчет по лабораторным работам |
| |
5 | Программное обеспечение эвм | 2 | 2 | 2 | 6 | Отчет по лабораторным работам Контрольная работа |
| |
6 | Управляющие вычислитель-ные комплексы, системы и сети | 4 | 4 | 4 | 12 | Отчет по лабораторным работам |
| |
7 | Промежуточная аттестация | зачет | ||||||
Итого | 18 | 18 | 36 | 72 | ||||
При сдаче отчетов и письменных работ проводится устное собеседование.
4.2. Содержание разделов дисциплины
Раздел 1. Принципы и теоретические основы построения современных ЭВМ
Основные понятия вычислительной техники. Понятие алгоритма, программы, операции, адреса. Принципы построения и структура ЭВМ Дж. Фон Неймана. Этапы развития средств вычислительной техники. Классификация средств ВТ. Принципы построения современных ЭВМ. Понятие об архитектуре ЭВМ. Многоуровневая организация ЭВМ. Особенности архитектур основных типов ЭВМ. Принципы построения систем управления с ЭВМ.
Раздел 2. Принципы постоения и функционирования современных ЭВМ
Память ЭВМ. Назначение и организация системы памяти ЭВМ. Иерархическая организация и сравнительные характеристики устройств памяти. Основная память. Классификация БИС памяти. Организация, схемотехника и принцип работы БИС ОЗУ статического и динамического типа, а также БИС ПЗУ. Внешне ЗУ на магнитных, оптических и магнито-оптических дисках. Принципы организации, хранения, записи и чтения информации на ВЗУ.
Процессоры. Обобщенная структура процессора. Обобщенная структура процессора в виде композиции операционного и управляющего автоматов. Программный уровень организации ЭВМ. Принцип программного и микропрограммного управления. Система команд ЭВМ. Структура и принцип работы устройства управления процессора Информационные связи и связи по управлению. Способы адресации операндов и команд. Причина многообразия и назначение различных способов адресации. Сегментная и страничная адресации памяти. Микропрограммный уровень организации ЭВМ. Принцип программного управления. Функции и структура операционного устройства. Микрооперации и функциональные микропрограммы. Выполнение микропрограммы во времени. Организация операционных автоматов. Организация управляющих автоматов. Управляющие автоматы с программируемой логикой и жесткой логикой. Арифметико-логические устройства. Организация АЛУ с фиксированной запятой. Способы выполнения операций сложения, умножения и деления.
Раздел 3. Персональные компьютеры
Микропроцессоры современных персональных компьютеров. Эволюция развития «допентиумных» процессоров семейства х86: от Intel 8086 до Intel 486. Программная модель 32-разрядных процессоров. Организация памяти. Ввод-вывод и прерывания. Технология ММХ. Защищенный режим. Страничное управление памятью. Виртуализация прерываний. Кэширование памяти. Структура и состав персональных компьютеров. Системный блок. Материнские платы. Память ОЗУ. Кэш-память. BIOS и CMOS RAM. Системные и локальные шины. Накопители на жестких дисках (винчестеры) и на компакт-дисках. Интерфейсы накопителей. Мониторы. Видеоадаптеры.
Раздел 4. Периферийные устройства эвм и организация систем ввода-вывода
Ввод-вывод информации в ЭВМ. Назначение периферийных устройств. Три типа ПУ: для связи оператором, ВЗУ. Устройства сопряжения с объектом. Операции ввода-вывода: программный обмен, обмен по прерываниям, прямой доступ к памяти. Роль прерываний в организации систем реального времени. Периферийные устройства ПЭПВ. Клавиатура, мыши, сканеры, диджитайзеры, матричные, струйные и лазерные принтеры, модемы, плоттеры, звуковые карты.
Раздел 5. Программное обеспечение ЭВМ
Структура ПО ЭВМ. Определение и назначение ПО. Этапы развития ПО. Классификация ПО для различных классов: общее (системное) и специальное ПО ЭВМ общего назначения. ПО “встраиваемых микро-ЭВМ”. Операционные системы. Определение ОС. ПО “встраиваемых микро-ЭВМ Понятия: задача, сообщение, обменник, способы посылки и принятия готовых программ в системах реального времени. Состояние выполняемой задачи, системы приоритетов, обработка прерываний. Понятие ядра ОС РВ и его функции. Разработка управляющих программ в среде инструментальных (технологических) ОС. Настройка ядра исполнительских ОС и конфигурации системы под задачу. Структура типовой инструментальной ОС. Операционные системы ПЭВМ. Структура и основные функции. Особенности разработки прикладных программ. Классификация и характеристики языков программирования и трансляторов. Принципы построения и работы трех типов трансляторов: ассемблеров, компиляторов, интерпретаторов. Средства отладки и редактирования. Понятие о назначении, составе и порядке использования средств отладки и редактирования пользовательских программ.
Раздел 6. Управляющие вычислительные комплексы, системы и сети
Сосредоточенные и распределенные системы обработки данных и управления. Классификация систем обработки данных. Понятие о вычислительном комплексе, вычислительной системе и вычислительной сети как развитии понятия ЭВМ в процессе эволюции СВТ. Вычислительные комплексы. Понятие о многомашинном и многопроцессорном комплексах. Особенности организации вычислительных процессов. Сравнительная характеристика, условия применения. Примеры структур вычислительных комплексов на базе микропроцессоров для систем управления.
Вычислительные сети. Распределенные системы управления и обработки данных - магистральное направление развития АСУ ТП и систем управления. Принципы построения ЛВС. Моноканалы. Адаптеры. Расширение и комплексирование. Реализация. Примеры организации распределенных систем управления на базе ЛВС.
4.3. Распределение компетенций по разделам дисциплины
Распределение по разделам дисциплины планируемых результатов обучения по основной образовательной программе, формируемых в рамках данной дисциплины и указанных в пункте 3.
№ | Формируемые компетенции | Разделы дисциплины | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ||
1. | ОК-9 | х | |||||
2. | ПК-1 | х | |||||
3. | ПК-3 | х | х | ||||
4. | ПК-4 | х | х | ||||
5. | ПК-5 | х | |||||
6. | ПК-7 | х | х | ||||
7. | ПК-9 | х | |||||
8. | ПК-11 | х | х | ||||
9. | ПК-23 | х | |||||
10. | ПК-41 | х |
5. Образовательные технологии
При освоении дисциплины используются следующие сочетания видов учебной работы с методами и формами активизации познавательной деятельности студентов для достижения запланированных результатов обучения и формирования компетенций.
Методы и формы активизации деятельности | Виды учебной деятельности | |||
ЛК | ЛБ | КС | СРС | |
Дискуссия | х | |||
IT-методы | х | х | х | х |
Командная работа | х | х | х | |
Контрольные работы | ||||
Опережающая СРС | х | х | х | |
Индивидуальное обучение | х | х | х |
Для достижения поставленных целей преподавания дисциплины реализуются следующие средства, способы и организационные мероприятия:
- изучение теоретического материала дисциплины на лекциях с использованием компьютерных технологий;
- самостоятельное изучение теоретического материала дисциплины с использованием Internet-ресурсов, информационных баз, методических разработок, специальной учебной и научной литературы;
закрепление теоретического материала при проведении лабораторных работ с использованием учебного и научного оборудования и приборов.
6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов (CРC)
6.1 Текущая и опережающая СРС, направленная на углубление и закрепление знаний, а также развитие практических умений заключается в:
- работе студентов с лекционным материалом и раздаточными материалами, поиске и анализе литературы и электронных источников информации по заданной проблеме,
- выполнении домашних заданий,
- изучении теоретического материала к лабораторным занятиям и подготовке ответов на контрольные вопросы по лабораторным работам,
- изучении тем, вынесенных на самостоятельную проработку,
- изучении инструкций к приборам и подготовке к выполнению лабораторных работ,
- подготовке к экзамену.
6.2 Темы, выносимые на самостоятельную проработку:
- изучение системы команд микропроцессора КР580ВМ80А,
- изучение методов программирования на языке Ассемблер и в кодах микропроцессора КР580ВМ80А,
- изучение системы команд микропроцессора серии 8086,
- изучение методов программирования на языке Ассемблер и в кодах микропроцессора серии 8086.
6.3 Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа
ТСР направлена на развитие интеллектуальных умений, комплекса универсальных (общекультурных) и профессиональных компетенций, повышение творческого потенциала студентов и заключается в:
- поиске, анализе, структурировании и презентации информации, анализе научных публикаций по определенной теме исследований,
- анализе теоретических и фактических материалов по заданной теме, проведении расчетов, составлении схем,
- исследовательской работе и участии в научных студенческих конференциях, семинарах и олимпиадах.
6.4 Лабораторные занятия
1. Основные принципы работы ПК (4 час.).
2. Обработка сложных задач (4час.).
3. Отладка приложений (6час.).
4. Вычислительные сети (4час.).
7. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины (фонд оценочных средств)
Оценка успеваемости студентов осуществляется по результатам:
- самостоятельного (под контролем преподавателя) выполнения лабораторной работы,
- взаимного рецензирования студентами работ друг друга,
- устного опроса при сдаче выполненных индивидуальных заданий, защите отчетов по лабораторным работам и во время экзамена (для выявления знания и понимания теоретического материала дисциплины),
- итоговой оценки курсового проекта при его защите.
7.1. Требования к содержанию вопросов итогового контроля
Билеты включают три типа заданий:
1. Теоретический вопрос.
2. Проблемный вопрос или расчетная задача.
3. Творческое проблемно-ориентированное задание.
7.2. Примеры вопросов итогового контроля
В чем преимущества стековой архитектуры микропроцессора?
2. Перечислить составляющие формата команды
3. Что такое элемент с 3-мя состояниями?
4. . Какие регистры специального назначения имеются в любой ЭВМ?
5. Изобразите простейшую структуру ЭВМ Дж. фон Неймана.
6. Сколько и каких уровней организации вычислительных процессов в ЭВМ можно выделить?
7. Какие элементарные операции выполняются в АЛУ ЭВМ при выполнении умножения двух операндов?
8. Что понимают под интерфейсом?
9. Перечислите основные способы ввода-вывода в микропроцессорных системах.
10. Пояснить результаты выполнения команды MOV M, A.
11. Изобразите простейшую схему подключения контроллера прямого доступа к микропроцессорной системе при организации ввода-вывода в режиме прямого доступа к памяти.
12. На каких основных принципах базируется развитие ЭВМ с сокращенным набором команд?
13. Перечислите основные функциональные блоки ЭВМ.
14. Приведите схему формирования исполнительного (физического) адреса микропроцессора К1810, реализующую сегментный метод адресации памяти.
15. Каким образом кодируются в ЭВМ положительные и отрицательные числа?
16. Раскройте основные принципы организации ЭВМ Дж. Фон Неймана.
17. Что понимают под программным обеспечением ЭВМ?
18. На каких запоминающих элементах строятся ОЗУ статического и динамического типа?
19. Какие типы ВЗУ используются в современных ЭВМ?
20. Какое устройство называется процессором ЭВМ?
21. Перечислите набор аппаратных средств, реализующих выполнение команд в ЭВМ.
22. Представьте структуру управляющего автомата с жесткой логикой.
23. Представьте структуру управляющего автомата с программируемой логикой.
24. Дайте сравнительную оценку организации управляющего автомата с жесткой и программируемой логикой.
25. Какое устройство называется микропроцессором?
26. Раскройте особенности микропроцессора с фиксированной разрядностью и списком команд.
27. В чем различие архитектуры RISC и CISC?
28. Представьте структуру графического растрового дисплея.
29. Типовая структура системы ввода-вывода ЭВМ.
30. Система прерываний ЭВМ.
31. Ввод-вывод информации с прямым доступом к памяти.
32. Программно-управляемый ввод-вывод.
33. В чем заключается страничная организация памяти ЭВМ?
34. Привести внутреннюю структуру однокристальной ЭВМ.
35. Дайте пример реализации системы управления с использованием ЭВМ.
36. Дайте сравнительную характеристику процессоров персональных компьютеров от In80286 до In 486.
37. Приведите программную модель 32-х разрядного ПК.
38. Что понимается под системным блоком ПК?
39. В чем заключается различие между системной и локальной шинами ПК?
40. ПО для различных классов: общее (системное) и специальное ПО ЭВМ.
41. ПО встраиваемых микро-ЭВМ
42. Понятия: задача, сообщение, обменник, способы посылки и принятия готовых программ в системах реального времени.
43. Состояние выполняемой задачи, системы приоритетов, обработка прерываний.
44. Понятие ядра ОС РВ и его функции.
45. Структура типовой инструментальной ОС.
46. Операционные системы ПЭВМ.
47. Принципы построения и работы трех типов трансляторов: ассемблеров, компиляторов, интерпретаторов
48. Понятие о назначении, составе и порядке использования средств отладки и редактирования пользовательских программ.
49. Классификация систем обработки данных.
50. Понятие о вычислительном комплексе, вычислительной системе и вычислительной сети как развитии понятия ЭВМ в процессе эволюции СВТ.
51. Понятие о многомашинном и многопроцессорном комплексах.
52. Особенности организации вычислительных процессов.
53. Привести пример структур вычислительных комплексов на базе микропроцессоров для систем управления.
54. Принципы построения ЛВС. Моноканалы. Адаптеры. Расширение и комплексирование. Реализация. Примеры организации распределенных систем управления на базе ЛВС.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля (дисциплины)
Основная литература
1. Каган вычислительные машины и системы. - М.: Энергоатомиздат, 1991.
2. , Новиков организации цифровых машин. - Л.: Машиностроение, 19с.
3. , Сташин проектирования микропроцессорных устройств автоматики. - М.: Энергоатомиздат, 19с.
4. Микропроцессоры: В 3-х книгах. Учебник для втузов / и др.; Под редакцией . - М.: Высшая школа, 1986.
5. , , Петров - и мини-ЭВМ. Учебное пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат, 19с.
6. Вычислительные машины и системы: Учебник для вузов/ и др. - М.: Высш. шк., 19с.
7. IBM PC для пользователя. – М.: ИНФРА, 1997. –342с.
Дополнительная литература
1. , и др. Архитектура вычислительных систем и сетей.
Применение микропроцессоров в системах управления. - М.: Мир, 1984.
3. Микропроцессоры. Курс и упражнения. - М.: Энергоатомиздат, 1988.
4. , и др. Проектирование радиоэлектронной аппаратуры на микропроцессорах: Программирование, типовые решения, методы отладки. - М.: Радио и связь, 19с.
9. Материально-техническое обеспечение модуля (дисциплины)
При изучении основных разделов дисциплины, выполнении лабораторных работ студенты используют прикладное программное обеспечение:
1. Персональные компьютеры IBM PC.
2. Эмулятор процессора К580.
3. Отладчик OllyDbg.
4. Эмулятор процессора Intel8086.
* приложение – Рейтинг-план освоения модуля (дисциплины) в течение семестра.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС-2010 по направлению и профилю подготовки «Автоматизация технологических процессов и производств (б)».
Автор:
Программа одобрена на заседании кафедры ИКСУ ИК
(протокол № ____ от «___» _______ 2011 г.).
