Тренажер мнемосхем

 

Изобретение относится к области вычислительной техники и предназначено для изучения аппаратных и программных средств. Целью изобретения является расширение дидактических возможностей за счет повышения информативности, гибкости и наглядности отображения выводимых координат. Тренажер мнемосхем содержит вычислитель 4, дешифратор 8 нуля, делитель 1 частоты, счетчик 9 адреса, блок 10 программ, блок 3 индикации, последовательно включенные декодер 2 данных, формирователь 6 адреса, оперативно-запомнающее устройство 7. Информационный вход ОЗУ соединен через кодер 11 данных с декодером 2 данных. Информационный вход декодера объединен с соответствующими входами счетчика 5 позиций и выходом вычислителя. 3 ил.

Изобретение относится к области вычислительной техники и предназначено для изучения аппаратных и программных средств.

Известны программируемые мнемостенды [1], содержащие пульт преподавателя в виде интерфейса ввода-вывода и программируемые калькуляторы со сменными мнемосхемами, которые надевают на клавиши пультов.

Известное устройство реализует способ преобразования информации, включающий ввод, обработку и вывод информации посредством кодирования информации по мнемокодам имитацией контактуры в соответствии со штатным расписание микрокалькулятора, обработку информации в кольце оперативной памяти по кодам операции и контроль отображения информации на индикаторе микрокалькулятора во время работы.

Этот мнемостенд хотя и удобен для изучения программных средств, но не позволяет проводить практикум по аппаратным средствам цифровой техники, что значительно ограничивает дидактические возможности при изучении архитектуры микропроцессорных средств и снижает информативность.

Известны тренажеры мнемосхем [2], включающие регистр адреса, дешифратор, информационные регистры, связанные с вычислителем, светодиодную матрицу, состоящую из светодиодов, мнемосхемы, коммутирующие элементы, элементы И, а также инверторы.

Подобные технические средства удобны для практических занятий по изучению аппаратных средств цифровой техники из-за наглядности представления электронных схем, однако не позволяют обучать программным средствам, являющимся неотъемлемой частью архитектуры программно-управляемых устройств. Это снижает дидактические возможности тренажера мнемосхем при проведении практикума по микропроцессорной технике.

Целью изобретения является расширение дидактических возможностей за счет повышения информативности, гибкости и наглядности отображения выводимых координат.

Поставленная цель достигается следующим образом.

В тренажер мнемосхем, содержащий вычислитель, подключенный первым выходом синхронизации через делитель частоты к его тактовому входу, и последовательно включенные счетчик адреса и блок программ, в отличие от известных технических решений введены последовательно соединенные декодер данных, кодер данных, оперативно-запоминающее устройство и блок индикации, адресные входы которого через формирователь адреса связаны с соответствующими выходами декодера данных, информационный вход которого объединен с одноименными выходом вычислителя и входом счетчика позиций, соединенного со счетчиком адреса, тактовые входы счетчиков подключены к входу и синхронизации вычислителя, связанного управляющими выходом через дешифратор нуля с одноименным входом блока программ, управляющие выходы которого соответственно соединены со входами декодера данных, кодера данных, оперативно-запоминающего устройства и формирователя адреса, выходы последнего подключены к адресным входам оперативно-запоминающего устройства.

Тренажер мнемосхемы поясняет структурная схема (фиг. 1), блок-схема программы (фиг. 2), мнемосхема (фиг. 3).

Тренажер (фиг. 1) содержит делитель частоты 1, декодер данных 2, блок индикации 3, вычислитель 4, счетчик позиций 5, формирователь адреса 6, оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ) 7, дешифратор нуля 8, счетчик адреса 9, блок программ 10, кодер данных 11.

Вычислитель 4 предназначен для ввода и обработки информации по программе, заданной оператором, он реализован на основе программируемого калькулятора число-импульсного типа (например, "Электроника МК52"). Информация, вводимая с клавиатуры, кодируется в число-импульсную форму и хранится в кольце динамической оперативной памяти вычислителя в поле временных координат. На информационный выход вычислителя 4 информация поступает из поля временных координат по тетраде в двоично-десятичном коде.

Счетчик позиций 5 служит для выделения области регистровой памяти из машинного цикла и управления счетчиком адреса 9 в течение адресуемых позиций.

Счетчик адреса 9 необходима для сканирования адресного пространства блока программ 10 в области регистровой памяти вычислителя 4.

Дешифратор нуля 8 предназначен для формирования импульса копирования при формировании служебного кода на выходе вычислителя 4. Выполнен, например, на элементе 4И-НЕ.

Декодер данных 2 преобразует двоично-десятичный код из число-импульсной формы в кодо-импульсную по основаниям 2 и 2/10. Он содержит, например, последовательно соединенные восьмиразрядный сдвиговый регистр и дешифратор двоично-десятичного кода в двоичный.

Кодер данных 11 преобразует двоичный код в число-импульсную форму. Выполнен, например, на базе сдвигового регистра с параллельным вводом и последовательным выводом информации.

Формирователь адреса 6 предназначен для задания адресов ОЗУ 7 по программе с произвольной выборкой и сканирования информации из него путем изменения адресации по линейному закону. Может быть выполнен, например, на счетчике с возможностью параллельной загрузки данных.

Блок программ 10 организует работу устройства в соответствии с заданным алгоритмом. Выполнен, например, на базе ПЗУ.

ОЗУ 7 служит для хранения и вывода данных в последовательной форме.

Блок индикации 3 динамического типа предназначен для отображения наглядной информации в матричной форме.

Тренажер преобразует информацию в трех режимах: ввода, копирования и вывода.

В режиме ввода на лицевую панель со светодиодной матрицей блока индикации 3 накладывается мнемосхема из непрозрачного материала с отверстиями для светодиодов с изображением в виде аппликации из цветного материала изучаемого устройства. Устройство на мнемосхеме может быть представлено на любом иерархическом уровне: от элемента до сети, с отображением изучаемого объекта (процесса) в пространственном, временном или функциональном поле. Координатами поля служит светодиодная матрица размерностью mxn. Число строк m и столбцов n удобно задавать для вычислителя в позиционном десятичном коде, при этом адрес светодиода целесообразно представлять парой чисел (i, j), который определяется выражением: A_ij = i·10¹ + j·10⁰ для В двухкоординатной матрице (m, n) = (10, 10) организуется 100 адресов 00-99. Номер адреса вводится с клавиатуры вычислителя 4 или формируется программно и регистрируется на цифровом табло.

Вычислитель 4 использует информацию, передаваемую машинными циклами по временному кольцу. Машинный цикл состоит из n регистровых циклов. Каждый i-тый регистровый цикл включает m знакомест, j-тое знакоместо состоит из областей программной, регистровой и стековой памяти, которые представлены тетрадами в двоично-десятичном коде. Числа из вычислителя 4 выводятся последовательно во времени в виде одной позиции, начиная со знака порядка и кончая младшей позицией мантиссы. Тренажером используются данные из области регистровой памяти. Для включения необходимости адреса на блоке индикации 3 оператор формирует на табло вычислителя 4 (в i-том регистре) до четырех адресов в мантиссе с указанием в показателе порядка сочетания включаемых и гасимых адресов. Зависимость комбинации выводимых адресов от значения порядка числа определяется соотношением: где N - количество сочетаний выводимых адресов, A_i - i-тое сочетание выводимых адресов, i - число знакомест в регистровом цикле,
ζ_ij - вес разряда в десятичном коде,
Ψ_ijk - вес разряда в двоичном коде,
K_uj - количество разрядов.

Например, значению порядка (00) соответствует комбинация (0000), т.е. все адреса погашены: - (01) - (1000) - индицируется 1 адрес, 2-3 гасятся, (07) - (1110) - горят 1-3 адреса, 4-отключается, (10) - (1001)-1 и 4 индицируются, 2 и 3 индицируются, 2 и 3 нет, (15) - (1111) - подключены все адреса, (16) - (0000) - светодиоды не горят.

В вычислитель 4 предварительно заводится программа ввода и код режима работы в соответствии с инструкцией (например, число 11010003 в регистр Р9). Клавишей С/П осуществляется пуск программы вычислителя 4. Циклический вывод координат адресов на информационный выход блока 4 осуществляется в момент подачи импульсов от делителя частоты 1, поступающих на вход "Пуск" вычислителя 4. Таким образом происходит ввод информации.

В режиме копирования организуется запись адресов из вычислителя 4 в ОЗУ 7. Он функционирует в момент прохождения импульсов, поступающего с выхода дешифратора нуля 8, при формировании на его входе служебного кода (1111), фиксируемого на информационной шине вычислителя 4 после выполнения вывода информации в цикле. Данный импульс инициирует работу блока программ 10 на формирование в соответствии с программой управляющих импульсов записи координат, выводимых из вычислителя 4. Сканирование адресного пространства блока программ 10 производит счетчик адреса 9 под управлением счетчика позиций 5. Счетчик позиций 5 использует сигналы адресации во времени битов тетрад динамической памяти вычислителя 4, а также данные из кольца динамической оперативной памяти. Информация из области регистровой памяти вычислителя 4 поступает на вход декодера данных 2. В нем она преобразуется из число-импульсной формы в кодо-импульсную по основаниям 2 и 2/10. В целях обеспечения точной записи содержимого временного кольца работа декодера данных 2 и вычислителя 4 согласуется блоком программ 10. Он разрешает ввод информации лишь в моменты прохождения регистровой области памяти. Данные о порядке выводимого числа по наличию соответствующего сигнала от блока программ 10 записываются в кодер данных 11. Дальнейшее их использование производится в соответствии с командами блока программ 10. Эти команды несут в себе указания о том, какой разряд хранимого числа необходимо передать на выход кодера данных 11, связанный со входом данных ОЗУ 7. Адрес ячейки оперативной памяти вырабатывается формирователем адреса 6. Он производит работу с мантиссой i-тых регистров (i-1,8), поступающей на его входную шину с выхода декодера данных 2 в параллельном коде по основанию 2/10. По сигналу предустановки от блока программ 10 формирователь адреса 6 переводит ее на адресные входы ОЗУ 7. Этим же сигналом по данным адресам в соответствии с кодом порядка, находящимся в кодере данных 11, происходит запись "0" или "1" в память ОЗУ 7.

Работа тренажера в режиме вывода производится при снятии управляющего импульса с выхода дешифратора нуля 8. Формирователь адреса 6 сканирует адресное пространство ОЗУ 7 и блока индикации 4. При этом происходит считывание записанной информации из ОЗУ 7 и ее размещение в блоке индикации 3. Копирование данных осуществляется по принципу динамической индикации за счет линейной адресации как ОЗУ 7, так и блок индикации 3. Данные выводятся в число импульсной форме по i-тым адресам, представленным потенциалами высокого или низкого уровня. Последним соответствует включение или гашение ij-тых светодиодов блока индикации в момент генерации двухкоординатных адресов.

Таким образом происходит копирование и вывод в позиционном коде информации из регистровой области вычислителя 4 на блок индикации 3.

В вышеописанном режиме для обучения на мнемосхеме имитируется функционирование изучаемого устройства на примере структурной, функциональной или принципиальной схемы в базисе комбинаторной или матричной логики, с представлением таблицы истинности или состояний, математической модели и временной диаграммы.

В режиме контроля преподавателем заносятся в стеки вычислителя 4 контрольные адреса, а экзаменуемый вводит предполагаемые адреса в регистры. По программе адреса сравниваются. При наличии ошибочных адресов начисляются штрафные баллы, а при правильном ответе индицируется работа устройства на мнемосхеме, после чего выводится итоговая оценка на табло вычислителя 4.

Изучение аппаратных средств сопровождается повышением навыков программирования. От программ с прямой адресацией, использующих регистровую и стековую память, до алгоритмических программ с подпрограммными и условными переходами для реализации модифицированной адресации. Обучаемый одновременно получает архитектуру программно-управляемых устройств. Это необходимо для глубокого понимания сущности микропроцессорной техники.

Для изучения информации в тренажере останавливается работа вычислителя по программе нажатием клавиши С/П в соответствии с командой "Стоп" по штатному расписанию вычислителя 4. При этом вычислитель 4 переключается в диалоговый режим, на выходе дешифратора нуля устанавливается логический уровень "0". Тренажер функционирует только в режиме отображения.

После изменения информации в тренажере мнемосхем оператор переводит вычислитель 4 из диалогового режима в режим вычисления по программе нажатием клавиши С/П. При этом тренажер начинает работать в режиме, соответствующем состоянию логического уровня на выходе дешифратора нуля 8.

Программное обеспечение тренажера состоит из трех типов программ: вывода информации из регистров, из стеков и алгоритмических. Алгоритмические программы позволяют модифицировать содержимое в регистрах и стеках в соответствии с алгоритмом функционирования изучаемого объекта (процесса).

Программы, использующие стековую память, отличаются предельной простотой и малым объемом программы, однако им присущ и серьезный недостаток, связанный с невозможностью изменить порядок вывода чисел, так как информация в кольцевом стеке может перемещаться только в одну сторону, т.е. программа может быть организована только в одной последовательности выбора координат.

Программа с использованием регистровой памяти отличается от предыдущей группы программ большей гибкостью, т.к. последовательность чтения информации из регистра задается программой с произвольной выборкой координат.

Описанным программам присущ один общий недостаток - это ограниченность запоминаемой и выводимой информации (28 чисел для каждого вида), т.е. при простом совмещении этих программ максимальное число выводимых координат равняется 56.

Наиболее универсальным и многочисленным типом программ являются алгоритмические, содержащие кроме перечисленных типов программ также арифметические и логические операции. Эти программы являются наиболее гибкими и имеют более широкие возможности. Несмотря на большую трудоемкость, которая обусловлена необходимостью специального подбора координат и большей сложностью составления программ, именно эти программы желательны для основного применения, т.к. позволяют максимально использовать возможности тренажера.

В качестве примера рассмотрим блок-схему алгоритмической программы с использованием условного перехода, которая является фрагментом в программном обеспечении тренажера мнемосхем (фиг. 2).

Описание блок-схемы
1 - обнуление первого стека,
2 - обращение к ПП1,
3 - сравнение содержимого каждого стека с 0, если условие выполняется - выход из цикла, если не выполняется - возврат к 2.

ПП1
01 - запись в регистр Р8 значения регистра V
02 - увеличение степени содержимого регистра X на 1
03 - обращение к ПП2
04 - увеличение степени содержимого регистра X на 5
05 - увеличение степени содержимого регистра X на 2,
06 - увеличение степени содержимого регистра X на 4
07 - запись в регистр Р8 значения регистра X
ПП2
01 - увеличение степени содержимого X на порядок
02 - вывести информацию из регистра X на экран
03 - стоп по программе, пуск внешним импульсом
Программу с использованием условного перехода см. в таблице.

Последовательность работы:
1. В регистр Р9 ввести код, определяющий режим работы 01010003 - Р9.

2. Выйти в режим программирования нажатием клавиш, Р, ПРГ,
3. Вывод программы в память и редактирование программы,
4. Выйти в автоматический режим нажатием клавиш Р, АВТ.

5. Занести исходные данные в стеки, нажимая последовательно О Р,
48 46 36 16 Р,
15 14 13 12 Р,
11 21 31 41 Р,
43 44 54 64 Р,
74 76 86 78 Р,
6. Проверить правильность набора координат, последовательно нажимая клавишу Р.

7. Выйти на нулевой шаг программы нажатием В/О.

8. Произвести пуск программы нажатием клавиши СП.

С помощью данной программы осуществляется имитация на мнемосхеме тренажера работы ЦАП калькулятора (изображение мнемосхемы см. на фиг. 3).

При работе с тренажером обучаемый накладывает мнемосхему на лицевую панель тренажера, при этом в отверстиях мнемосхемы выступают светодиоды. Обучаемый вводит программу и запускает ее нажатием клавиши СП вычислителя. При этом на мнемосхеме отображается последовательность гасимых и индицируемых адресов, с выводом информации из стеков (48, 46....86, 78), имитирующих работу ЦАП.

По сравнению с прототипом предлагаемый тренажер позволяет осуществлять вывод информации по управляемым адресам из восьми регистров, задействовать все имеющиеся возможности использования ресурсов регистровой памяти.

Формула изобретения

Тренажер мнемосхем, содержащий вычислитель, подключенный первым выходом синхронизации через делитель частоты к его тактовому входу, последовательно включенные счетчик адреса и блок программ, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные декодер данных, кодер данных, оперативно-запоминающее устройство и блок индикации, адресные входы которого через формирователь адреса связаны с соответствующими выходами декодера данных, информационный вход которого объединен с одноименными выходами вычислителя и входом счетчика позиций, соединенного со счетчиком адреса, тактовые входы счетчиков подключены к второму выходу синхронизации вычислителя, связанного управляющим выходом через дешифратор нуля с одноименным входом блока программ, управляющие выходы которого соответственно соединены с входами декодера данных, декодера данных, оперативно-запоминающего устройства и формирователя адреса, выходы последнего подключены к адресным входам оперативно-запоминающего устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4