Микропроцессорные системы: Рабочая программа, задания и методические указания к выполнению контрольных работ

Голосов: 1

Методический комплекс разработан на основе государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 654600 -"Информатика и вычислительная техника" (специальность 220100 -"Вычислительные машины, комплексы, системы и сети"). Рабочая программа раскрывает содержание основных разделов дисциплины. Указания к выполнению контрольных работ содержат методические материалы, необходимые для правильного их выполнения и оформления. Методический комплекс предназначен для студентов пятого курса.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                  Министерство образования Российской Федерации
 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
    Северо-Западный государственный заочный технический университет

      Кафедра компьютерных технологий и программного обеспечения




          Микропроцессорные
              системы
                         Рабочая программа

             Задания и методические указания
             к выполнению контрольных работ

Факультет информатики и систем управления

Направление и специальность подготовки
дипломированного специалиста:
654600 – информатика и вычислительная техника
220100 – вычислительные машины, комплексы, системы и сети




                             Санкт-Петербург
                                  2003


        Утверждено редакционно-издательским советом университета

УДК 681.31
      Микропроцессорные системы: Рабочая программа, задания и
методические указания к выполнению контрольных работ. – СПб.: СЗТУ,
2003 . – 23 с.


Методический    комплекс   разработан    на    основе    государственного
образовательного стандарта высшего профессионального образования по
направлению подготовки дипломированного специалиста 654600 –
“Информатика и вычислительная техника” (специальность 220100 –
“Вычислительные машины, комплексы, системы и сети”).
     Рабочая программа раскрывает содержание основных разделов
дисциплины. Указания к выполнению контрольных работ содержат
методические материалы, необходимые для правильного их выполнения и
оформления.
     Методический комплекс предназначен для студентов пятого курса.

     Рассмотрено на заседании кафедры КТ и ПО 20 января 2003 г. и одобрено
методической комиссией факультета информатики и систем управления 17
марта 2003 г..




Рецензенты: В.В.Спиридонов, канд. техн. наук, доц. кафедры компьютерных
технологий и программного обеспечения СЗТУ; В.П.Шеремет, канд. техн. наук,
ст. научн. сотр. НПО «Аврора».




Составитель      И.Г.Анкудинов, канд.техн.наук, доц.




     © Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2003




                                       2


            1. Цели и задачи изучения дисциплины
      Дисциплина “Микропроцессорные системы” относится к циклу
специальных. Цель изучения данной дисциплины состоит в ознакомлении
студентов с возможностями и областями применения микропроцессорных
средств; архитектуры микропроцессорных систем (МПС); организации
подсистем обработки, управления, памяти и ввода-вывода; основных задач
проектирования, тестирования и отладки МПС.
      В результате изучения дисциплины студенты должны:
      • знать области применения МПС (включая однокристальные микро-
ЭВМ, контроллеры и мультимикропроцессорные системы) и современные
тенденции развития микропроцессорной техники, варианты построения
архитектуры, подсистем обработки, управления, памяти и ввода-вывода МПС;
      • уметь разрабатывать программы на языке ассемблера микроЭВМ и
пользоваться методами и современными средствами оценки, анализа и выбора
состава и конфигурации микропроцессорных средств;
      • иметь представление о задачах системного, алгоритмического,
структурного и логического проектирования МПС, о методах обеспечения
надежности программных и аппаратных             средств, включая методы
тестирования и отладки МПС.
      При изучении дисциплины “Микропроцессорные системы” используются
знания, полученные в дисциплинах "Теория автоматов", "Электротехника и
электроника", "Схемотехника ЭВМ", "Организация ЭВМ и систем",
"Интерфейсы      периферийных     устройств",   "Системное     программное
обеспечение" и "Моделирование".


                   2. Содержание дисциплины

     2.1. Содержание дисциплины по государственному
          образовательному стандарту

     Классификация, краткая характеристика возможностей и применений
микропроцессорных средств; архитектура микропроцессорной системы (МПС);
организация подсистем обработки, управления, памяти и ввода-вывода;
основные задачи проектирования МПС; однокристальные микро-ЭВМ и
контроллеры, организация и особенности проектирования систем на их основе;
краткий    обзор    состояния    и    перспективных     проектов     МПС;
мультимикропроцессорные системы, основные конфигурации, области их
использования; транспьютерные системы; средства разработки и отладки МПС.


                                    3


     2.2. Рабочая программа
                          (объем курса 170 часов)
     Введение
      Организация учебного процесса. Рекомендуемая литература. Предмет
курса, его цели и задачи. Связь с другими дисциплинами.

     2.2.1. Классификация и области применения МПС
                                 [1] , с.4…24
      Классификация, краткая характеристика возможностей и применений
микропроцессорных средств. Классификация МПС по числу центральных
процессоров: однопроцессорные, мультипроцессорные и многомашинные
системы (вычислительные комплексы). МикроЭВМ, ориентированные на
определенные область применения. Специализированные микроЭВМ и
микроконтроллеры. Персональные компьютеры и рабочие станции, серверы,
мейнфреймы и кластерные архитектуры.
      Требования, предъявляемые к современным МПС, и основные критерии
оценки таких систем: отношение стоимость/производительность, надежность и
отказоустойчивость, масштабируемость, совместимость и мобильность
программного обеспечения.
      Показатели качества и требования, предъявляемые к МПС для контроля и
управления:       тактико-технические,        конструктивно-технологические,
эксплуатационные, экономические, надежностные.

     2.2.2. Системный интерфейс МПС
                                     [1] , с.25…31
      Внутримашинный системный интерфейс: односвязный и многосвязный.
Унифицированный системный интерфейс. Структура с общей шиной.
Мультиплексирование шины адреса и шины данных.
      Шины расширений и локальные шины: IDE (Integrated Device Electronics),
EIDE (Enhanced IDE), SCSI (Small Computer Interface), PC/XT (Personal
Computer eXtended Technology), PC/AT (PC Advanced Technology), ISA
(Intdustry Standard Architecture), EISA (Extended ISA), MCA (Micro Channel
Architecture), VLB (VESA Local Bus, PCI (Peropheral Component Interconnect).
      Приборные интерфейсы МАК, КАМАК и И41.




                                     4


     2.2.3. Архитектура центрального процессора МПС
                      [1] , с.32…36; [4] , с.111…116
     Однокристальные, многокристальные и секционные микропроцессоры.
Конструктивное оформление микропроцессоров.
     Виды команд микропроцессоров: арифметические, инкрементные,
декрементные и логические; пересылки и работы со стеком; вызова
подпрограмм и передачи управления. Микропроцессоры с полной системой
команд (с архитектурой CISC – Complex Instruction Set Computers) и с
сокращенной системой команд (архитектура RISC – Reduced Instruction Set
Computers).
     Системные таймеры, контроллеры и буферные регистры.

     2.2.4. Запоминающие устройства МПС
                        [1] , с.36…41; [4] , с.122…135
      Многоуровневая система памяти МПС, внутренняя и внешняя память.
Оперативные (ОЗУ) и постоянные (ПЗУ) запоминающие устройства МПС.
Статические    и   динамические      ОЗУ.       Однократно и многократно
программируемые ПЗУ. Организация памяти кристалла ЗУ.
      Основные характеристики ЗУ МПС: емкость, время доступа и время
восстановления, рассеиваемая мощность, условия эксплуатации, тип корпуса,
плотность упаковки и удельная стоимость.
      Буферная память. Требования эластичности и синхронизации буферной
памяти. Стековая память. Аппаратный и аппаратно-программный (внешний)
стек. Области применения буферной и стековой памяти.
      Выбор структуры системы памяти, расчет емкости и быстродействия
запоминающих устройств МПС. Организация размещения и обмена
информацией в многоуровневой системе памяти.

     2.2.5. Организация подсистемы ввода-вывода в МПС
                           [1] , с.47…58
      Основы организации ввода-вывода, роли задатчиков и исполнителей в
процессе ввода-вывода и принцип квитирования (запроса-ответа). Устройства
ввода-вывода, форматы команд, драйверы ввода-вывода. Синхронный и
асинхронный     программно-управляемый    ввод-вывод.    Ввод-вывод    по
прерываниям. Прямой доступ к памяти.
      Функции и структура контроллеров ввода-вывода, назначение регистров
управления и состояния, входной и выходной порты. Варианты размещения




                                   5


контроллеров ввода. Организация адресного пространства ввода-вывода с
использованием и без использования специальных команд.
     Синхронный и асинхронный способы передачи данных. Параллельная
передача данных между контроллером и внешним устройством (ВУ).
Последовательная передача данных. Симплексный, дуплексный и
полудуплексный режимы передачи данных. Синхронный и асинхронный
последовательный интерфейс.

     2.2.6. Организация прерываний и прямого доступа к памяти
            в МПС
                                 [1] , с.58…66
     Одноуровневые и многоуровневые системы прерывания. Подпрограммы
обработки прерываний, приоритеты задач и дисциплины обслуживания
требований. Аппаратные средства для организация прерываний. Организация
прерываний с программным опросом готовности ВУ и на основе использования
векторов прерывания. Формирование вектора прерываний в контроллерах ВУ и
в общем программируемом контроллере прерываний.
     Организация прямого доступа к памяти (ПДП) с "захватом цикла" и с
блокировкой процессора. Контроллеры ПДП. Этапы обмена данными в режиме
ПДП.

     2.2.7. Многомашинные и мультимикропроцессорные
            системы
                              [1] , с.41…46
      Способы     организации    взаимосвязи    нескольких   микроЭВМ.
Вычислительный комплексы (ВК), системы (ВС) и сети. Многомашинные
(ММВК) и мультимикропроцессорные ВК (МПВК).
      Способы организации взаимодействия между ЭВМ в составе ММВК.
Объединение нескольких микроЭВМ через общее внешнее ЗУ. Повышение
надежности ВС за счет холодного и горячего резервирования. Объединение
нескольких микроЭВМ через общее ОЗУ. Сателлитные ММВК.
      Мультимикропроцессорные системы, основные конфигурации, области
их использования. Транспьютерные системы.
      Организация вычислительного процесса в МПВК: с использованием
выделенного ведущего процессора, с раздельным выполнением заданий в
каждом процессоре и однородная обработка на основе очередей.
      Классификация МПВС по кратности потоков команд и данных: с
однократным потоком команд и однократным потоком данных (ОКОД), с



                                   6


многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД),
магистральные (конвейерные) МПВС.

     2.2.8. Этапы и задачи проектирования МПС
                                [1] , с.67…81
     Уровни абстрактного представления МПС (концептуальный, структурно-
функциональный, программный, логический, схемный, конструкторско-
технологический) и этапы (горизонтальные уровни) проектирования МПС.
     Задачи системного проектирования и формализации требований к МПС.
Формализация требований, разработка внешних спецификаций и технического
задания на МПС. Особенности проектирования микропроцессорных систем для
управления реальными объектами, оптимальное распределение функций между
аппаратными и программными средствами МПС.
     Детерминированные и случайные потоки требований на решение задач.
Расчет    разрядной    сетки   и      тактовой   частоты  микропроцессора
специализированной МПС. Выбор микропроцессорного комплекта для
реализации системы. Однокристальные микроЭВМ и контроллеры,
организация и особенности проектирования систем на их основе.
     Оценка       быстродействия        микропроцессора   для    решения
специализированной задачи с использованием бенчмарковских программ.
Подходы к разработке нетипового микропроцессора, разработка процессора на
основе микропроцессора. Разработка системы ввода-вывода МПС на основе
микропроцессорных комплексов.
     Средства разработки и отладки МПС.

     2.2.9. Разработка программного обеспечения МПС
                               [1] , с.81…86
      Перевод требований технического задания в точные спецификации и в
текст программы. Принципы и технология модульного проектирования
программ, объектно-ориентированный подход. Тестирование и автономная
отладка программных средств.
      Обеспечение надежности и качества ПО. Виды дефектов ПО: в структуре
ПО и в распределении ресурсов; в спецификациях и исходных текстах; в тестах
отладки и имитационных моделях; в программной документации. Повышение
надежности программного обеспечения (ПО) за счет придания ПО свойств
самоконтроля и самозащиты. Тестирование и автономная отладка программных
средств. Верификация (доказательство правильности) алгоритмов и программ.




                                    7


Тестирование и тестируемость ПО. Тестирование отдельных участков
программ: пошаговый режим, трассировка и метод контрольных точек.
      Оценка качества ПО по отношению к качеству ПО-эталона. Показатели
надежности ПО МПС: доля оригинального ПО; продолжительность
комплексной отладки и испытаний ПО на стенде, объекте; наработка ПО на
отказ; эксплуатационные показатели – ВБР (вероятность безотказной работы)
и/или коэффициент готовности ПО (в зависимости от временных режимов
каналов системы управления); время сопровождения ПО.

     2.2.10. Тестирование и комплексная отладка МПС
                               [1] , с.87…100
     Качество проекта МПС и вероятность неисправностей и ошибок.
Основные     методы    контроля      правильности   проекта:   верификация,
моделирование и тестирование. Классификация неисправностей. Постоянные
отказы и сбои. Среднее время наработки на один сбой и на один отказ. Среднее
время ремонта (восстановления). Субъективные (внесенные) неисправности
(ошибки проектирования, неправильный монтаж элементов или неправильные
действия оператора).
     Синтез тестов на основе модели неисправностей системы. Обнаружение
ошибок и диагностика неисправностей. Разрешающая способность теста.
Функциональные тестовые программы. Построение тестов на основе
функциональной спецификации и применительно к конкретной реализации
системы.      Наблюдаемость,       предсказуемость,     управляемость      и
контролепригодность системы.
     Отладка как процесс обнаружения ошибок и определение источников их
появления по результатам тестирования. Функции средств отладки. Источники
ошибок на этапах формализации требований к системе, разработки структуры и
архитектуры, разработки и изготовления аппаратных средств и программного
обеспечения системы
     Тестирование и автономная отладка аппаратных средств. Комплексная
оценка надежности МПС с учетом надежности ПО. Комплексная отладка МПС.
Приемы комплексной отладки МПС.

                               Заключение
     История и перспективы развития микропроцессорных средств.
Перспективы развития методов проектирования и расширения областей
применения МПС.




                                     8


     2.3. Тематический план лекций для студентов очно-
               заочной формы обучения (32 часа)
                          Темы лекций                               Объем, часы

  Введение. Классификация и области применения МПС                        2
  Внутримашинный системный интерфейс                                      4
  Архитектура центрального процессора МПС                                 4
  Запоминающие устройства МПС                                             2
  Организация подсистемы ввода-вывода в МПС                               4
  Организация прерываний и прямого доступа к памяти в МПС                 4
  Многомашинные и мультмикропроцессорные системы                          4
  Этапы и задачи проектирования МПС                                       2
  Разработка программного обеспечения МПС                                 4
  Тестирование и комплексная отладка МПС                                  2


    2.4. Темы и содержание лабораторных работ (16 часов)
   Темы лабораторных занятий      Объем,               Описание действий студента
                                   часы

Изучение средств разработки             4       Набор, запуск и исследование простых
программ для микроЭВМ                           программ для микроЭВМ

Исследование подпрограмм                4       Набор и исследование подпрограмм
арифметических операций для                     сложения и умножения для микроЭВМ
микроЭВМ

Исследование программ для               4       Набор и исследование программ для
микроЭВМ с использованием стека                 микроЭВМ с использованием стека и
и подпрограмм                                   подпрограмм

Автоматизированный расчет               4       Выполнение многовариантного расчета
разрядной сетки                                 разрядной сетки микроЭВМ
специализированной микроЭВМ




                     3. Библиографический список
Основной

     1. Анкудинов И.Г. Микропроцессорные системы. Архитектура и
проектирование: Учеб. пособие.– СПб.: СЗТУ, 2003. − 109 c.


                                            9


Дополнительный

       2. Хвощ С.Т., Варлинский Н.Н., Попов Е.А. Микропроцессоры и
микроЭВМ в системах автоматического управления: Справочник. – Л.:
Машиностроение, 1987. – 640 с.
       3. Угрюмов Е.П. Проектирование элементов и узлов ЭВМ. . – М.: Высш.
школа, 1987. – 318 с.
       4. Майоров С.А., Кириллов В.В., Приблуда А.А. Введение в микроЭВМ. –
Л.: Машиностроение, 1988. – 304 с.
       5. Микропроцессорные системы автоматического управления / В.А.
Бесекерский, Н.Б. Ефимов, С.И. Зиатдинов и др. – Л.: Машиностроение, 1988. –
386 с.
       6. Гуртовцев А.Л., Гудыменко С.В. Программы для микропроцессоров:
Справочное пособие. – Минск: Вышейшая школа, 1989. – 352 с.
       7. Гольденберг Л.М., Малев В.А., Малько Г.Б. Цифровые устройства и
микропроцессорные системы. Задачи и упражнения – М.: Радио и связь, 1992. –
256 с.

     4. Тестовые вопросы
     - Что понимается под архитектурой МПС?
     - Для чего предназначены микроконтроллеры?
     - Охарактеризуйте мультипроцессорные системы и транспьютеры.
     - Каковы требования к МПС, используемым в качестве серверов?
     - Каковы особенности кластерных архитектур МПС?
     - Назовите требования, предъявляемые к современным МПС, и основные
критерии их оценки.
     - Как организован внутримашинный системный интерфейс?
     - Охарактеризуйте четыре вида обмена УВВ микроЭВМ с внешней
средой.
     - Охарактеризуйте однокристальные, многокристальные и секционные
микропроцессорные комплекты.
     - Охарактеризуйте архитектуру RISC- и CISC-процессоров.
     - Назовите основные виды постоянных и оперативных запоминающих
устройств микропроцессорных систем.
     - Каковы основные характеристики полупроводниковых ЗУ?
     - Каково назначение буферной и стековой памяти?
     - Охарактеризуйте варианты организации многомашинных и
многопроцессорных систем.



                                    10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика