11324

Применение универсальных микропроцессоров

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Занятие 3 Применение универсальных микропроцессоров Учебные методические и воспитательные цели: 1. Изучить принципы построения и работы персонального компьютера и применение его для моделирования различных процессов. 2. Формировать творческое мышление. 3. Прив...

Русский

2013-04-07

102 KB

0 чел.

Занятие 3 Применение универсальных микропроцессоров

Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить принципы построения и работы персонального компьютера и применение его для моделирования различных процессов.

2. Формировать  творческое мышление.

3. Прививать любовь к профессии офицера-связиста.

Время: 2 часа.

План  лекции

п/п

Учебные  вопросы

Время

мин.

1.

2.

3.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Общая структура и принципы работы ЭВМ.

2. Принципы компьютерного моделирования.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ  ЧАСТЬ

5

80

40

40

5

Материальное обеспечение:

1. Компьютерный комплекс.

2. Программное обеспечение:  демонстрационная программа "Микропроцессоры"

3. Плакат "Структура  микропроцессора".

Литература:

1. Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы.- М.Горячая линия – Телеком, 2000г., с.192-196.

ВВОДНАЯ  ЧАСТЬ

При рассмотрении общих сведений о микропроцессорах было отмечено, что один микропроцессор не может решать задачи по обработке информации. Для выполнения подобных задач обычно создается микропроцессорная система, которая представляет собой набор модулей, способных решить, поставленную перед ними задачу. Одно из наиболее распространенных и хорошо известных применений универсальной микропроцессорной системы является создание вычислительных систем. Под вычислительной системой понимают совокупность устройств, предназначенных для автоматизированной обработки данных. Центральным устройством большинства вычислительных систем является компьютер. Более детальное рассмотрение компьютера является целью данной лекции.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Компьютером называют электронное устройство, предназначенное для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки данных. Оборудование, входящее в состав компьютера, называют его конфигурацией. Конфигурацию компьютера можно гибко изменять по мере необходимости. Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации. Базовая конфигурация предполагает наличие следующих устройств:

1. Системный блок.

2. Монитор.

3. Клавиатура.

4. Мышь.

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему, называют внешними или периферийными.

В системном блоке находятся:

а) материнская плата;

б) жесткий диск;

в) дисковод гибких дисков;

г) дисковод компакт – дисков;

д) блок питания.

На материнской плате  установлены:

Процессор – основная микросхема, выполняющая математические и логические операции.

Оперативная память (ОЗУ) – набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), - набор микросхем, предназначенных для хранения программ запуска, тестирования и пр.

Слоты - разъемы для подключения дополнительных устройств.

С учетом этих основных узлов упрощенная структурная схема компьютера как вычислительной микропроцессорной системы может быть представлена так, как показано на рис. 1.

Основным элементом схемы является процессор. В настоящее время можно встретить компьютеры с различными типами процессоров. Современные компьютеры оснащаются процессорами типа Intel Pentium, AMD, Cyrix и др.   все эти процессоры относятся к так называемому семейству х86. Родоначальником этого семейства был 16-разрядный процессор Intel 8086 (К1810ВМ86). Основными параметрами современного процессора являются: рабочее напряжение, разрядность, тактовая частота и размер кэш-памяти. Ранние модели процессоров имели рабочее напряжение  5 В. В процессорах  типа  Pentium оно понижено до 3,3 В, причем ядро процессора питается пониженным напряжением 2,2 В. Понижение питающего напряжения позволяет снизить тепловыделение в процессоре, а это повышает его производительность без угрозы перегрева.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать за один такт. Первые процессоры были 16-разрядными. Современные процессоры 32-разрядные, хотя некоторые имеют 64-разрядную шину данных, но разрядность процессора определяется не разрядностью шины данных.

Работа процессора синхронизируется последовательностью импульсов от тактового генератора, расположенного на материнской плате. Очевидно, что чем выше частота тактового генератора, тем выше производительность процессора. Первые процессоры работали с частотой порядка 5 МГц. Современные процессоры имеют тактовую частоту 1000 МГц и выше. Однако материнская плата не может работать на таких частотах, как процессор. Предел для материнской платы составляет сотни МГц. На этих частотах и работает тактовый генератор. Для получения более высоких частот происходит внутреннее умножение частоты в процессоре на коэффициент 4, 5 и более.

Поскольку обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем с другими устройствами, например, с ОЗУ, то для повышения производительности процессора уменьшают количество его обращений к ОЗУ. С этой целью создают внутри процессора буферную память или так называемую кэш-память. При выполнении программы в кэш память заносится определенная часть программы. Процессор по мере выполнения команд обращается, прежде всего, в кэш-память и считывает команды и данные из этой сверхоперативной памяти. Чтобы  число удачных обращений было больше, пытаются увеличить размер кэш-памяти, распределяя ее по уровням. Кэш первого уровня выполняется в том же кристалле, что и сам процессор и имеет объем порядка десятка Кбайт. Кэш второго уровня обычно располагается на другом кристалле, который встраивается а процессор. Кэш первого и второго уровней работают с частотой процессора. Кэш-память третьего уровня изготовляется на отдельном кристалле, который устанавливается на материнской плате вблизи процессора. Объемы этой памяти могут измеряться единицами Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.

Оперативное запоминающее устройство строится на микросхемах динамической памяти и является основной памятью компьютера. Память состоит из отдельных  8-разрядных ячеек. Каждая ячейка имеет свой номер или адрес. В современных компьютерах для обращения к памяти используется 32-разрядная шина адреса. Таким образом, в компьютерах может быть 232 = 4294967296 ячеек памяти (4,3 Гбайт). Однако в каждом компьютере предельный объем памяти определяется особенностями материнской платы и обычно составляет сотни Мбайт. Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями. Модули ОЗУ вставляются в соответствующие разъемы на материнской плате. Основными характеристиками современных модулей (DIMM-модулей) являются объем памяти и время доступа. DIMM-модули обычно имеют объем 16, 32, 64, 128 Мбайт и более, а время доступа – 7-10 нс.

В момент включения компьютера в его ОЗУ ничего нет. Поэтому сразу после включения на шине адреса с помощью аппаратных средств выставляется стартовый адрес. Этот адрес располагается в постоянном запоминающем устройстве, где находится комплект программ базовой системы ввода-вывода BIOC. Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютера и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков. Программы, входящие в BIOC, позволяют наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера. Однако программы  BIOC не могут знать состава и параметров всех устройств, входящих в компьютерную систему. Для того, чтобы начать работу с оборудованием, программы должны знать, где можно найти нужные параметры. Для этой цели на материнской плате есть микросхема CMOS. От ОЗУ она отличается тем, что ее содержимое не стирается при выключении питания, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изменять по мере замены оборудования. Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. Таким образом, программы, записанные в BIOC, считывают данные о составе оборудования из микросхемы CMOS, после чего они обращаются к жесткому диску и передают управление тем программам, которые там записаны.

Компьютер базовой конфигурации имеет минимальное количество внешних устройств. Однако всегда имеется возможность создать компьютер любой конфигурации. С этой целью на материнской плате располагают разъемы – слоты, к которым с помощью специальных контроллеров могут подключаться периферийные устройства:

-устройства ввода данных (специальные клавиатуры и манипуляторы, сканеры, цифровые фото и видеокамеры):

-устройства вывода данных (принтеры);

-устройства хранения данных (стримеры, разнообразные накопители);

-устройство обмена данными (модем).

Монитором называют устройство для визуального представления данных. Это одно из основных устройств вывода. Его основными параметрами являются размер экрана и частота регенерации изображения. Размер монитора измеряется по диагонали кинескопа. В настоящее время наиболее распространенными являются мониторы размером 15 и 17 дюймов. Изображение на экране монитора получается в результате облучения люминофорного покрытия остронаправленным пучком электронов. Частота регенерации (обновления) изображения показывает, сколько раз в течение секунды монитор может сменить изображение. Минимально допустимым в настоящее время считают значение 75 Гц, нормативным – 85 Гц и комфортным – 100 Гц и более. В первых компьютерах в ОЗУ выделялась специальная область памяти для монитора, в которую процессор заносил данные об изображении. Специальный контроллер считывал данные об яркости отдельных точек экрана из ячеек памяти и формировал изображение. С переходом от черно-белых мониторов к цветным и увеличением разрешения экрана область памяти монитора сильно возросла, а процессор перестал успевать справляться с построением и регенерацией изображения. Тогда все функции связанные с управлением экраном были переданы специальному устройству, получившему название видеоадаптер. Видеоадаптер выполнен в виде отдельной платы, которая вставляется в один из слотов материнской платы и называется видеокартой. Видеокарта имеет свой процессор для обработки изображений и память объемом до 16 Мбайт и более. В современных компьютерах монитор подключается к разъемам видеокарты.

Клавиатура – клавишное устройство управления компьютером. Служит для ввода алфавитно – цифровых знаков, а также команд управления. Стандартная клавиатура имеет более 100 клавиш. Принцип действия клавиатуры заключается в следующем:

1. При нажатии на клавишу специальная микросхема, встроенная в клавиатуру формирует так называемый скан-код.

2. Скан-код поступает в порт клавиатуры и записывается там в один из регистров.

3. Порт клавиатуры сообщает о получении кодовой комбинации процессору, который прекращает выполнение  текущей программы и вызывает из ПЗУ программу обслуживания работы клавиатуры.

4. Эта программа по скан-коду определяет код символа и отправляет его в ОЗУ, где выделена специальная область памяти для клавиатуры.

5. После этого процессор переходит к выполнению прерванной программы, а введенный символ хранится в ОЗУ до тех пор, пока его не заберет оттуда та программа, для которой он предназначался.

Мышь является устройством управления манипуляторного типа и представляет собой плоскую коробочку с тремя кнопами. Компьютером управляют перемещением мыши по плоскости и кратковременными нажатиями кнопок (щелчками). Перемещение мыши синхронизировано с перемещением специального указателя на экране монитора. Монитор и мышь обеспечивают очень удобный способ управления компьютером, который еще называют графическим. Пользователь наблюдает на экране графические объекты и элементы управления. С помощью мыши он изменяет свойства объектов и приводит в действие элементы управления компьютером, а с помощью монитора получает на экране отклик в графическом виде.

Жесткий диск является основным устройством для долговременного хранения больших объемов данных и программ. Поверхности жестких дисков имеют магнитное покрытие. С помощью магнитной головки осуществляется запись и считывание информации. Управление работой диска выполняет специальное устройство – контроллер жесткого диска.

К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и производительность. Емкость дисков зависит от технологии их изготовления. Современные технологии позволяют получить емкость 20 Гбайт и более. Производительность жесткого диска определяется скоростью передачи данных, которая может достигать 80 Мбайт/с и более. Производительность зависит также от времени доступа (временем поиска нужных данных), которая может составлять 5-6 мкс и менее.

Для оперативного переноса небольшого объема информации с одного компьютера на другой широко используют так называемые гибкие диски (дискеты), которые вставляются в специальный дисковод.  Первые гибкие диски имели размер 5,25 дюйма, а их емкость составляла 160 Кбайт. Современные диски размером 3,5 дюйма имеют емкость 1440 Кбайт           (1,4 Мбайт). Гибкие диски считаются малонадежным носителем информации, поэтому использовать их в качестве основного средства хранения информации недопустимо.

С 1995 года в компьютеры стали устанавливаться CD-ROM дисководы (постоянные запоминающие устройства на основе компакт-дисков). Принцип действия этого устройства состоит в считывании числовых данных с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности диска. Цифровая запись на компакт-диске отличается от магнитной записи очень высокой плотностью. Стандартный компакт-диск может хранить примерно 650 Мбайт данных. В настоящее время появились устройства записи данных  на компакт-диски: устройства однократной записи CD-R и устройства многократной записи CD-RW.

2. Принципы компьютерного моделирования

Под моделированием понимается процесс отображения или воспроизведения действительности с целью изучения и использования имеющихся в ней объективных закономерностей. Применительно к нашему профилю подготовки целью моделирования является исследование систем передачи информации на основных этапах их разработки и испытания. Сразу следует заметить, что моделирование не всегда оправдано, так как аналитическое исследование или натурный эксперимент в ряде случаев оказываются предпочтительными.

Из всего многообразия методов повышения эффективности проектирования особое место занимает моделирование с применением современных компьютеров, которое позволяет сократить сроки разработки и экономические затраты.

На рис. 2 изображена структурная схема простейшей системы связи. На выходе источника сообщения (ИС) сообщение а(t), которое может иметь любую физическую природу. В передатчике это сообщение преобразуется в первичный электрический сигнал b(t). В телефонии, например, эта операция сводится к преобразованию звукового давления в пропорционально изменяющийся электрический ток микрофона. В телеграфии каждый элемент сообщения (буква) заменяется последовательностью кодовых символов (0 и 1), которая затем с помощью телеграфного аппарата преобразуется в последовательность электрических импульсов постоянного тока. Затем низкочастотный первичный сигнал b(t) превращается во вторичный (высокочастотный) сигнал u(t). С выхода передатчика сигнал поступает в линию связи – среду, используемую для передачи сигнала от передатчика к приемнику. В процессе прохождения сигнала по линии связи он искажается, на него накладываются помехи n(t). Приемное устройство обрабатывает принятое колебание z(t) =u(t) + n(t), представляющее собой сумму пришедшего сигнала u(t) и помехи n(t), и восстанавливает по нему сообщение â(t). Другими словами, приемник на основе анализа колебания z(t) определяет, какое из возможных сообще5ний передавалось.

В дальнейшем с целью упрощения будем предполагать, что на рис. 2 представлена телеграфная (двоичная) система радиосвязи. Одной из важнейших характеристик эффективности такой системы является ее помехоустойчивость, которая количественно оценивается вероятностью ошибки. Под величиной вероятности р ошибки понимают отношение числа неправильно принятых символов Q к общему числу переданных N

pQ / N.

Помехоустойчивость рассматриваемой системы радиосвязи может быть оценена аналитическим путем. С этой целью задавшись моделью сигнала и помех находят соотношения, описывающие вероятность ошибки. Однако в условиях воздействия замираний, флуктуационных, импульсных и сосредоточенных по спектру помех нахождение выражений для расчета вероятности ошибки связано со значительными математическими трудностями и может быть выполнено с некоторыми упрощающими предположениями. Поэтому одним из важных достоинств аналитических решений является возможность получения предельных, потенциально достижимых результатов.

Очевидно, что для оценки реальной помехоустойчивости можно было бы применить метод натурных испытаний, когда опытный образец аппаратуры ставится в реальный канал. После обработки статистических данных находят оценку помехоустойчивости. Существенными недостатками данного метода являются сложность организации эксперимента, большая затрата времени и материальных средств.

Наиболее эффективным методом получения оценки помехоустойчивости таких систем является моделирование их работы на ЭВМ. Методы моделирования сложных систем используются в различных областях науки и техники, в том числе и в области связи, обеспечивая решение задач в тех случаях, когда аналитическое решение их трудоемко или вообще невозможно вследствие математических трудностей. Кроме того, моделирование позволяет существенно сократить затраты времени и средств на проведение экспериментальных исследований и натурных испытаний.

Рассмотрим принципы построения моделирующего алгоритма для оценки помехоустойчивости системы связи (рис.3).

Датчик случайных чисел генерирует псевдослучайную последовательность равновероятных символов (0 и 1), соответствующую передаче двоичных сообщений (блок 2). В соответствии с передаваемым символом происходит формирование сигнала и помех (блоки 4 и 5). Статистические свойства канала отображаются в виде задания законов изменения амплитуд сигналов и помех, которые обрабатываются в соответствии с алгоритмом решающей схемы (блок 6), после чего принимается решение в пользу того или иного символа (0 или 1). При сравнении переданного и принятого символов (блок 7)

определяется факт наличия или                                                 Рис. 3

отсутствия искажений в приеме информации. Количество ошибочно принятых символов фиксируется счетчиком ошибок (блок 9). Величина вероятности ошибки определяется отношением числа неправильно принятых символов к общему их числу по окончанию первоначально заданного число реализаций N  и выводится на печать. Необходимое число реализаций N можно определить заранее, зная величину ожидаемой вероятности ошибки

N = p(1 - p)t2 2 ,

где t – величина критического интервала, определяемая заданной надежностью результата α; р – ожидаемая вероятность ошибки; ε – допустимая погрешность. Так, например, для     р = 0,01; ε = 0,0001; α = 0,9; N = 2680000, а для р = 0,01; ε = 0,001; α = 0,9; N = 26800.

Таким образом, представленный алгоритм модели системы связи позволяет оценить ее помехоустойчивость, причем чем выше требования к точности расчета, тем больше должно быть число реализаций, что затрудняет проведение эксперимента.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ  ЧАСТЬ

В ходе данной лекции рассмотрены принципы построения и работы персонального компьютера, а также применение его для моделирования различных процессов. В качестве примера рассмотрен алгоритм модели упрощенной системы связи.

Задание на самоподготовку

1. Изучит особенности построения и функционирования персонального компьютера по учебнику …

Лекцию разработал доцент кафедры

                                       Б. Степанов

Рецензент заместитель начальника кафедры

полковник                                   А. Романов


Рис.2

â(t)

z(t)

(t)

u(t)

а(t)

Источник помех

Линия

Приемник

Передатчик

ПС

ИС

ВВОД

исходных данн

Формирование

r = 0; 1.

Принятие реш.

s = 0; 1.

Формирование

z1 (t) + n (t

Формирование

z2 (t) + n (t

Счетчик

ошибок

ВЫВОД

результата

r = 1

s = r

k = N

Да

Да

Да

Нет

Нет

Нет

1

3

2

ПЗУ

Монитор

Жесткий диск

Мышь

Слоты

Гибкий диск

Компакт-диск

Клавиа-тура

ОЗУ

Процессор

Рис. 1

4

5

6

7

8

9

10


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

73392. Звуки Р, Р’, буквы Рр. Чтение слов и предложений с буквой р. Работа с детской книгой. Украинская народная сказка «Рукавичка» 633.94 KB
  Цель: учить правильно артикулировать звуки Р, Р’, читать слоги, слова и предложения с буквой Рр; формировать навыки правильного слогового, выразительного и сознательного чтения; совершенствовать навыки звукового, звуко-буквенного анализа слов.
73393. Оформлювальна графіка. Створення логотипу 855.57 KB
  Мета. Узагальнити та розширити знання учнів про поняття графіка ознайомити з походженням та значенням поняття логотип. Практичне завдання Виготовлення логотипу. У майстерні графіків з’являються на світ ілюстрації плакати листівки етикеткипоштові марки емблеми обгортк...
73395. Инновационная деятельность предприятия ФГУП «Гос. НИИ ОЧБ» ФМБА России 508.5 KB
  Основная цель инновационного проекта - обоснование экономической целесообразности объема и сроков проведения вложений, включая необходимую документацию, разрабатываемую в соответствии с принятыми стандартами (нормами и правилами), а также описание практических действий по осуществлению инвестиций (бизнес - план).
73396. ДОСЛІДЖЕННЯ АСОРТИМЕНТУ ДЕКОРАТИВНИХ РОСЛИН В ОЗЕЛЕНЕННІ М. ХАРКОВА 456 KB
  Вивчити елементи озеленення м. Харкова, створені з використанням клумбових декоративних рослин. Вивчити наявний асортимент клумбових рослин, та можливості його поповнення за рахунок рослин, які добре пристосовані до екологічних умов нашої території і доречні для вирощування в рокаріях...
73397. Differences in the articulation basis of English, Russian and Kazakh 157.01 KB
  Human speech is the result of highly complicated series of events. The formation of the concept takes place at the linguistic level that is in the brain of the speaker: this stage may be called psychological. The message formed within the brain is transmitted along the nervous system to the speech organs.
73398. Дослідження гетеро структури GaAs, AlGaAs, їх фізико-хімічні та оптичні параметри 800.6 KB
  Концентрація домішок у шарі може бути вище, ніж у підкладці, що забезпечує можливість одержання багатоомних шарів на низькоомних підкладках. Для проведення епітаксіального нарощування необхідно створити умови для конденсації атомів речовини, що осаджується, на поверхні підкладки.
73399. Організація радіаційного контролю виробничого персоналу на хлібопекарського виробництва у надзвичайних ситуаціях 96 KB
  Основними джерелами опромінення населення України як і в інших країнах світу є техногеннопідсилені діяльністю людини природні джерела. Середньорічна ефективна доза опромінення населення цими джерелами в Україні становить понад 6 мЗв.
73400. Информационно-коммуникативные технологии как средство расширения потенциального словаря учащихся на старшем этапе обучения в школе 118.41 KB
  Информационно-коммуникативные технологии как средство расширения потенциального словаря учащихся на уроках английского языка на старшем этапе обучения в школе. Повышение эффективности обучения школьников является одной из важнейших задач в методике преподавания...