И В. С. Ямпольсний о основы автоматики и электронно- вычислительной техники нститутов

ПЗУ
ОЗУ
Интерфейсы параллельного 68ода- Вы бода
	Ч ^ \	к /

Программиру­емый таймер (счетчик)

Интерфейс последователь­ного ВВода- - бы бода

Основные данные однокристальных микроЭВМ

		Тип ЭВМ
Параметр		К1814	К1816	К181 б	К1820
		BE	* ВЕ48	ВЕ49	ВЕ2
1. Разрядность данных,
бит		4	8	8	4
2. Число команд		43	96	96	49
3. Объем ПЗУ, бит		1КХ8	1КХ8*(ППЗУ)	2КХ8*	1КХ8
4. Объем ОЗУ, бит		64X4	64X8*	128X8*	64X4
5. Число кана­	ввода,	1/4	—	—	1/4
лов и их	вывода,	2/8,13	—	—	1/4
разрядность	двунап­ равлен­
	ных	—	3/8*	3/8*	2/4,8
6. Тактовая частота, МГц		0,1—0,35	6,0	11,0	1,6
7. Напряжение питания, В		-9	5	5	5...9
8. Потребляемая мощ­
ность, мВт		70	600	600	200
9. Рабочий диапазон
температур, С		-10...+70	— 10...+70	— 10...+70	— 10...+70
10. Технология		р-МДП	гс-МДП	я-МДП	м-МДП
И. Количество выводов
корпуса		40	40	40	28

* Допускается расширение при подключении внешних БИС.



раты на проектирование и изготовление необходимых аппаратур­ных средств при использовании микропроцессорных БИС оказывают­ся незначительными. В то же время составление и отладка програм­много обеспечения может составить более 90% времени проекти­рования системы и около 80% ее стоимости. Поэтому в наше время становится чрезвычайно важным умение пользоваться банком гото­вых программ, ибо практика показывает, что за исключением не­большого класса особо экстравагантных задач в них имеется практи­чески все необходимое пользователю программное обеспечение.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. 
   Перечислите основные преимущества использования БИС МП по сравнению с устройствами на жесткой логике.
   
2. 
   Проанализируйте, обладают ли информационной и аппаратур­ной совместимостью те модели ЭВМ, на которых вам уже приходилось работать.
   
3. 
   Каковы, на ваш взгляд, причины, по которым не оправдано (или наоборот) применение ЭВМ общего назначения для компьютеризации школы?
   
4. 
   Можно ли из набора только комбинационных элементов и уз­лов создать какие-либо из следующих устройств: а) опера­ционный блок процессора; б) управляющий блок процессора;
   

в) процессор?

5. 
   Сколько машинных тактов необходимо для реализации алго­ритма, рассмотренного в § 1.5, в машинах, функциональные схемы которых приведены на рисунках 1.9 и 1.10? При анализе можно считать, что любая операция, входящая в алгоритм, выполняется одной микрокомандой.
   
6. 
   Возможно ли сложение чисел двойной длины в ОБ, функ­циональная схема которого приведена на рисунке 6.5?
   
7. 
   Какой из элементов, введенных в схему (см. рис. 6.6), по сравнению со схемой (см. рис. 6.5) позволяет осуществлять сложение чисел двойной длины?
   
8. 
   Какие управляющие сигналы в устройстве, собранном по схе­ме (см. рис. 6.7), необходимо использовать для выполнения операции умножения? Опишите последовательность операций при возведении в квадрат числа 00010001 и при умножении его на 01000011.
   
9. 
   Куда пересылается слово из ОЗУ по шине данных в ходе цикла выборки команды?
   
10. 
    Какой результат загружается в аккумулятор при выполнении команды ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ над данными, находящими­ся в РБ1 и РАк (см. рис. 6.7), если содержимое РБ1 было 4716, а РАк — 9F|₆?
    
11. 
    Чем отличаются команды простого сдвига влево от цикли­ческого сдвига вправо? Объясните различие между ними, используя рисунок 6.7.
    
12. 
    В чем заключаются преимущества, даваемые аппаратным тай­мером, по сравнению с программным способом задания вре­менных интервалов?
    
13. 
    Какое шестнадцатиричное число необходимо записать в тай­мер, чтобы он вырабатывал по одному импульсу каждые 30 с, если частота тактовых импульсов равна 50 Гц?
    

Глава 7 АВТОМАТИКА И ЭВМ В ШКОЛЕ
§ 7.1. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ОБУЧАЮЩИЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫ. ОПРЕДЕЛЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ
В учебном процессе используются разнообразные технические сред­ства обучения (ТСО), которые по функциональному назначению делятся на информационные, контролирующие, обучающие и управ­ляющие [7.6). Например, такими средствами являются информаци­онные устройства статической и динамической проекций) диа­проекторы, кино- и телеаппаратура), простейшие механические и электромеханические контролирующие приспособления и машины.
Качественно новым этапом в создании технических средств обу­чения является использование систем, автоматизирующих опреде­ленные учебные процедуры: передачу информации, контроль зна­ний, коррекцию учебной работы, составление учебной документации. Это направление получило серьезное развитие только после при­менения в системе образования электронно-вычислительной техники.
Автоматизированная обучающая система (АОС) определяется как совокупность связанных в единое целое технических, мате­матических, лингвистических и информационно-методических средств, предназначенных для автоматизации обучающего диалога, поис­ка и обработки учебной информации. При использовании ЭВМ ^ в сфере образования применяют также термин «автоматизирован­ный обучающий комплекс» (АОК), под которым понимают соеди­нение нескольких технически разнородных (или пространственно разделенных) средств с целью придания этой совокупности та- , ких свойств, которыми они порознь не обладали. Функциональ­ное назначение АОК заключается в реализации совокупности учеб- е ных процедур и управлении учебным процессом.
Автоматизированная обучающая система состоит из подсистем, v которые принято делить на функциональные и обеспечивающие. Функциональные подсистемы связаны с основной целевой функцией и делятся на подсистемы обучения, контроля, самостоятельной ра­боты, моделирования, лабораторного практикума и т. п. Обеспе­чивающие подсистемы создают необходимые условия для реализа­ции целевой функции и делятся на подсистемы технические, про­граммные, учебно-методические. Основной проблемой при проекти­ровании и организации АОС является обеспечение оптимального взаимодействия разнородных подсистем, подчиненного реализации основной целевой функции: управлению познавательной деятель­ностью.

Техническая подсистема АОС состоит из средств вычислитель­ной техники и рабочих мест обучаемых и преподавателей. Она играет существенную роль, так как эти средства полностью опре­деляют возможности реализации всех психолого-педагогических и других требований, предъявляемых к автоматизированному обу­чению.
Возможны три метода создания технической подсистемы АОС.
Первый метод предполагает создание полностью специализиро­ванных технических устройств, оптимально приспособленных к разносторонним требованиям учебного процесса. Теоретически такой подход идеален, однако экономически трудноосущест­вим.
Второй метод — это создание технической подсистемы АОС пол­ностью на базе серийных технических средств универсального на­значения. В этом случае приходится идти на сознательное ог­раничение некоторых дидактических характеристик АОС. В то же время экономически этот метод наиболее выгоден. Кроме того, совместимость оборудования со всей номенклатурой серийных тех­нических средств позволяет легко развивать и наращивать АОС до необходимого уровня. Поэтому многие АОС, нашедшие практи­ческое' применение в учебном процессе, сконструированы на основе серийных технических средств универсального назначения.
Наконец, третий метод — это создание АОС с частичной спе­циализацией технических средств. Обычно в таких АОС специали­зированными являются рабочие места обучаемых и преподавателей, т. е. терминальное оборудование. В большинстве случаев такой путь создания АОС может оказаться оптимальным, так как он позволяет решить большую часть дидактических, технических и экономических проблем.
Состав технических средств должен обеспечить создание раз­личных конфигураций систем и комплексов в соответствии с их функциональным назначением. Например, АОК, ориентированный на обучение языкам, должен включать управляемые от ЭВМ магни­тофоны, специальные коммутаторы для обмена звуковой информа­цией, средства статической и динамической проекции (для создания совмещаемой звуко- и видеоинформации), средства размножения учебных материалов на изучаемых языках.
Возможно создание АОС и АОК на машинах большой произво­дительности и вынесенном терминальном оборудовании. В этом случае рабочие места учащиеся и преподавателей организуются в виде специальных терминальных классов, соединенных с большой ЭВМ. Такая организация АОС приемлема для тех учебных заведений (вузов, техникумов, ПТУ, учебных комбинатов), где уже имеется достаточно производительная ЭВМ, используемая и для других целей. В противном случае лучше применять АОС и АОК на базе персональных ЭВМ, объединенных в локальные и отраслевые инфор­мационные сети.
Как уже отмечалось, любая АОС состоит, по крайней мере, из трех обеспечивающих подсистем: технической, программной и учебно-методической. Однако рассмотрение двух последних подсис­тем выходит за рамки нашего курса и ведется в курсах информа­тики и методики ее преподавания.
§ 7.2. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ШКОЛЬНОГО КАБИНЕТА ИНФОРМАТИКИ
Широкое внедрение микропроцессорной техники в народное хозяй­ство страны является многоуровневым процессом, охватывающим все звенья системы подготовки и переподготовки кадров. Поэтому разработка и создание соответствующих технических средств и ос­нащение ими учебных заведений страны становится задачей перво­степенной важности.
Концепция внедрения вычислительной техники в школьный учеб- но-воспитательный процесс предусматривает индивидуальное обще­ние обучаемого с вычислительной машиной на уроках по самым разнообразным дисциплинам. Поэтому в настоящее время обще­признано положение о том, что технической основой автомати­зированной системы обучения (АОС) в школе должна являться персональная микроЭВМ. Разрабатываемая АОС окажется жизне­способной, если в нее будет заложена возможность развития, т. е. способность к расширению выполняемых функций, наращиванию мощностей, простой замене устаревшего технического и программ­ного обеспечения (принципы унификации и модульности). Для того чтобы поставленные задачи могли решаться экономически доступными на данном этапе техническими средствами, необходимо учитывать закономерности развития информационных сетей. Поэто­му можно считать, что наиболее приемлемой является следующая схема уровней технического и программного обеспечения и эта­пов их реализации:
а) индивидуальное рабочее место на базе персональной микро­ЭВМ;
б) кабинет персональных микроЭВМ;
в) аудиторная сеть, объединяющая персональные микроЭВМ учащихся и учителя;
г) сеть учебного заведения, объединяющая аудиторные сети и машины административных и обслуживающих подразделений.
Эта сеть должна иметь выход на отраслевую и государствен­ную информационную сеть.
Рассмотрим каждый из перечисленных уровней.

1. 
   Индивидуальное рабочее место на базе персональной микро­ЭВМ , является наиболее перспективным направлением компьютеризации школы, так как в этом случае в распоря­жении учащегося оказываются не просто устройства ввода — вывода, а машины, выполняющие достаточно разнообразную обработку информации. В состав индивидуального рабочего места должны входить:
   

• 
  центральный процессор с разрядностью 8 или 16 бит, быстро­действием 10⁵... 10⁶ операций/с и адресуемой памятью
  
• 
  запоминающее устройство: ОЗУ объемом не менее 48 Кбайт (в перспективе до 128 К), ПЗУ объемом не менее 8 Кбайт;
  
• 
  интерфейс для подключения клавиатуры, дисплея, внешней памяти, разнообразных экспериментальных и демонстрацион­ных устройств;
  
• 
  клавиатура;
  
• 
  дисплей (черно-белый, в перспективе цветной графиче­ский);
  
• 
  встроенное устройство сменной памяти (НГМД, в перспективе сменные ППЗУ без электромеханических элементов);
  
• 
  дополнительные устройства ввода — вывода информации и связи с экспериментальными установками (световое перо, планшеты, потенциометры, АЦП, ЦАП);
  
• 
  необходимое системное и прикладное программное обеспе­чение.
  

2. 
   Кабинет персональных микроЭВМ состоит из 8—18 инди­видуальных рабочих мест и рабочего места учителя. Основой рабочего места учителя является индивидуальное рабочее место, дополнительно оснащенное цветными демонстрацион­ными телевизорами с большими экранами, принтером и гра­фопостроителем.
   

По сравнению с индивидуальным рабочим местом в ка­бинете персональных микроЭВМ имеется возможность проде­монстрировать группе обучающихся любой фрагмент процес­са обработки информации и получить твердую копию (текс­товую или графическую) этого фрагмента.

3. 
   Аудиторная сеть создается на базе кабинета персональных микроЭВМ, в ее состав входит:
   

• 
  8—18 индивидуальных рабочих мест;
  
• 
  рабочее место учителя;
  
• 
  устройство управления аудиторной сетью с 8—18 каналами подключения персональных микроЭВМ;
  
• 
  расширитель ЗУ до 256 Кбайт;
  
• 
  периферийная память на твердых дисках;
  
• 
  необходимое системное и прикладное программное обеспе­чение, ядром которого является операционная система обслу­живания 18 абонентов.
  

Аудиторная сеть должна явиться базовой ячейкой типовой си­стемы. Она предоставит возможность для решения разнообраз­ных педагогических (дидактических и воспитательных) и психоло­гических проблем, позволяя организовать различные формы ин­дивидуальной и коллективной учебной деятельности.
В дальнейшем центральная (учительская) машина аудиторной сети должна соединяться с такими же машинами других аудиторий, с микроЭВМ администрации и, главное, с отраслевой информа­ционной сетью системы народного образования.
Общение обучаемого с техническими и программными средства­ми АОС ведется через устройства ввода — вывода информации. По­этому от возможностей этих устройств в значительной мере зави­сит эффективность диалога человек — машина, а следовательно, и учебного процесса. Рассмотрим этот вопрос несколько подробнее.
Самим распространенным типом устройства ввода информации в персональных микроЭВМ является клавиатура. В АОС она должна обеспечить следующие функциональные возможности [7.7]:
а) ввод букво-цифровых знаков (строчных и прописных) раз­личных алфавитов (русского, латинского, греческого, нацио­нального языка в республиках);
б) ввод специальных знаков: математических, химических, сим­волов радиоэлектронных схем, скобок различной формы, над­строчных и подстрочных символов (размер которых должен быть в 1,5—2 раза меньше основных) и т. п.;
в) конструирование графических изображений: точек, линий, фи­гур, контурных и фоновых рисунков, различных указателей (стрелок и пр.), специальных символов и условных гра- физических обозначений, штриховки участков экрана. При этом предполагается несколько градаций линий по толщине;
г) редактирование любой информации и управление изображе­нием, выведенным на экран: стирание, замена, перемещение знаковой информации, поворот, сдвиг в заданном направле­нии, изменение масштаба, наложение друг на друга фигур, символов и цифр, мультипликация и т. п.;
д) управление другими техническими средствами, входящими в состав рабочего места АОС.
Среди конструктивных требований, предъявляемых к клавиату­рам, используемым в АОС, необходимо выделить электробезопас­ность, надежность, дизайн, бесшумность работы, возможность пе­ремещения в пределах ученического стола, наличие резко выде­ленных (расположением и цветом) зон функционально различных клавиш. Перечислим основные зоны:
а) зона алфавитно-цифровых символов (стандартная клавиатура с расположением клавиш, как на телетайпах и пишущих машинках);
б) зона специальных знаков и символов;
в) зона графического ввода;
г) зона управления (переключатели регистров, индексирование данных, управление внешними устройствами, функциональные клавиши АОС: начало, ввод, конец, помощь и т. п.).
Наиболее распространенным устройством вывода информации в персональных микроЭВМ является дисплей. В зависимости от ви­да информации дисплеи подразделяются на алфавитно-цифровые и графические. При этом графические дисплеи обеспечивают вывод как графической, так и алфавитно-цифровой информации. Необ­ходимо отметить, что наличие развитых графических возможностей следует считать обязательным требованием к любой перспективной АОС, так как графическая информация является неотъемлемой частью фактически любой естественнонаучной дисциплины. Графи ческое изображение высокого качества может обеспечить дисплей с большой разрешающей способностью. Разрешающая способность дисплея зависит как от типа экрана (преобразователя цифрового сигнала в оптическое изображение), так и от емкости области ОЗУ, работающей с дисплеем. Так, дисплей с низкой разрешаю­щей способностью синтезирует изображение из 128X48=6144 эле­ментов изображения, а лучшие графические дисплеи с высокой разрешающей способностью — из 1024X1024=1048576 элементов. Очевидно, таким же должен быть и объем адресуемого адрес­ного пространства графического дисплея. Практика показывает, что на первых порах растр в 256X256=65536 точек изображения дает достаточное для большинства учебных применений качество изображения. (В главе 5 мы показали, что такой растр может обеспечить дисплей на базе бытового телевизора.) Однако следует заметить, что повышение разрешающей способности дисплея весьма желательно для усиления дидактических возможностей перспектив­ных АОС.
Уже первые педагогические исследования показали, что «мето­дическое значение цветного изображения на школьном уроке труд­но переоценить» [7.6]. Поэтому вторым важнейшим требованием к дисплею рабочего места АОС является обеспечение цветного изображения.
Кроме того, изобразительные возможности дисплея должны' поз­волять ему работать с клавиатурой, требования к которой обсуж­дались выше. Иначе говоря, на его экране должны формироваться все знаки и условные изображения, графика, контурные и фоно­вые рисунки, обеспечиваться режим мультипликации.
Для дисплея любой АОС, а особенно школьной, черзвычайно важное значение имеют массогабаритные параметры. Сейчас раз­мер цветных телевизоров или специальных дисплеев и мониторов настолько велик, что они (вместе с клавиатурой) занимают прак­тически всю площадь школьного стола, не оставляя на нем места для книг и тетрадей школьника.
Оставляют желать лучшего и такие параметры цветных дисплеев, как надежность и срок службы, пожаро- и электробезопасность, потребляемая мощность и стоимость, санитарно-гигиенические ха­рактеристики [5.9].
Таким образом, напрашивается вывод, что комплектация инди­видуального рабочего места с характеристиками, удовлетворяющими даже перспективные АОС, может быть решена экономически доступ­ными техническими средствами по всем позициям', за исключением устройства вывода информации. Технико-экономические параметры дисплеев уже сейчас не удовлетворяют требованиям, предъявляе­мым к оборудованию АОС.
В заключение остановимся еще на одной проблеме, связанной с массовой компьютеризацией учебных заведений,— проблеме на­дежности вычислительной техники.
Надежность технической системы зависит от интенсивности от­казов, которая резко отличается в различные периоды эксплуа­тации [7.1]. В первый период (рис. 7.1) интенсивность отказов очень высока. Это связано с выявлением скрытых дефектов электрон-





н
7.1
ых и электромеханических узлов: «выгоранием» недоброкачествен­ных микросхем, поломкой (из-за грубых погрешностей изготовления) НГМД, устройств печати, контактной клавиатуры и т. д. Для нормальной эксплуатации ПЭВМ необходимо, чтобы первый этап проходил в процессе заводских испытаний, где всю машину доста­точно длительное время «гоняют» в предельно допустимых ус­ловиях эксплуатации (при повышенных напряжениях питания, влаж­ности, температуре, вибрации и т. д.). После устранения всех неисправностей, выявленных на первом этапе, ПЭВМ поступает к пользователю и начинается второй — так называемый «актив­ный» период эксплуатации машины. При нормальных условиях интенсивность отказов в этот период должна быть небольшой и почти постоянной. С течением времени по мере физического из­носа оборудования (электронно-лучевой трубки, электромехани­ческих узлов) наступает третий этап роста интенсивности от­казов.
Задача завода-изготовителя — поставлять потребителю технику с минимальной интенсивностью отказов на втором этапе и с макси­мальной длительностью этого этапа. Желательно, чтобы длитель­ность активного периода превышала период морального старения технического изделия. В различных работах, например в [7.1], неоднократно отмечалось, что «надежды на экономическую эффек­тивность массового внедрения ПЭВМ в народное хозяйство те­ряют под собой всякую почву, если не будут приняты органи­зационно-технические меры для обеспечения высокого уровня на­дежности». Об этом же говорит и одно из определений ПЭВМ, получившее широкое распространение в технической литературе: «ПЭВМ — это вычислительная машина с надежностью военной ап­паратуры и ценой изделия бытовой электроники». Поэтому для школьных ПЭВМ на одно из первых мест выдвигаются требо­вания высокой технической надежности при длительных сроках эксплуатации и хорошей ремонтоспособности. Последнее требование означает, что ремонт ПЭВМ должен сводиться к простой замене отказавших плат или узлов без какой-либо последующей подстрой ки отдельных элементов или всей системы.
§ 7.3. ЭЛЕМЕНТЫ ЦИФРОВОЙ И ЭЛЕКТРОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ
ТЕХНИКИ В ТЕХНИЧЕСКОМ ТВОРЧЕСТВЕ
ШКОЛЬНИКОВ
Автоматика и цифровая техника уже в течение нескольких де­сятилетий привлекают пристальный интерес организаторов и ру­ководителей технического творчества школьников. Однако только с серийным выпуском цифровых микросхем появилась реальная перспектива широкого развития детского технического творчества в этой области и проникновения цифровых устройств собственного изготовления в учебно-воспитательную работу школы. Данное ут­верждение основано на следующих обстоятельствах:

• 
  логические основы цифровой техники достаточно просты и могут быть освоены уже школьниками VII—VIII классов;
  
• 
  промышленность выпускает массовыми тиражами дешевые микросхемы, доступные для всех любителей;
  
• 
  простые цифровые устройства практически не требуют на­стройки, что особенно важно для работы начинающих радио­любителей;
  
• 
  имеются чрезвычайно надежные серии микросхем (напри­мер, К155), которые не выходят их строя почти при любых ошибках в монтаже;
  
• 
  на цифровых микросхемах легко создавать разнообразные игровые автоматы, что позволяет включить в процесс обу­чения элементы игры;
  
• 
  на цифровых микросхемах можно создавать простые кон­струкции, выполняющие достаточно сложные алгоритмы по автоматизации процессов управления или измерению разнооб­разных параметров в промышленном и сельскохозяйственном производстве, медицине, учебном процессе, домашнем хо­зяйстве.
  

Рассмотрим требования к объектам детского технического твор­чества с применением элементов цифровой техники.
При выборе объекта необходимо основное внимание уделить тому, чтобы изготавливаемая конструкция была полезной и нахо­дила практическое применение, была интересной и посильной для изготовления в школьных условиях, позволяла получать новые теоретические знания, приобретать и закреплять необходимые прак­тические навыки. Сложность изготавливаемых конструкций должна постепенно возрастать. Как показывает практика, эту сложность можно с достаточной степенью точности оценивать количеством корпусов микросхем, входящих в состав устройства. Так, в круж­ках начального технического творчества (V—VII классы) обычно собирают игрушки на 1—3 микросхемах малой степени интеграции, в VIII—IX классах число микросхем малой и средней степени интеграции доходит до 6—8 шт., а в старших классах это уже могут быть достаточно сложные цифровые приборы и устрой­ства на 10—15 микросхемах средней и большей степени инте­грации.
На этапе начального знакомства с цифровой техникой важней­шими объектами конструирования обычно являются устройства на основе мультивибраторов. Они применяются для создания разнооб­разных звуковых и световых эффектов, «оживляющих» игрушки (звери, птицы, смешные куклы, элементы карнавальных костюмов и т. п.). Взяв за основу схемы, рассмотренные в § 3.6, можно на одной-двух микросхемах создать разнообразные музыкальные звонки и сирены, имитаторы птичьих и звериных голосов, волка или зайца с мигающими глазами и т. д.
Все подобные конструкции, описания которых можно найти в радиолюбительской литературе, состоят из одного или нескольких последовательно включенных мультивибраторов с различными час­тотами генерируемых колебаний. На рисунке 7.2 показаны функцио­нальные схемы подобных устройств:
а) мультивибратор с частотой генерации 1...5 Гц, который на­чинает работать при замыкании ключа S. К прямому и инверсному выходам подключены светодиоды — «перемиги­вающиеся глаза» игрушки;
б) однотональный генератор прерывистых сигналов, состоящий из двух последовательно включенных мультивибраторов. При