Стенд для изучения средств вычислительной техники

 

Изобретение относится к области обучающих устройств и может быть использовано для изучения основ работы как отдельных модулей ЭВМ, так и микроЭВМ в целом. Технический результат заключается в расширении функциональных и дидактических возможностей. Стенд содержит наборное поле с мнемонической фальшпанелью, задатчик логических “0” и “1”, блок клавиатуры, звуковой синтезатор, генератор тактовых импульсов, счетчик команд, два оперативных запоминающих устройства, четыре алфавитно-цифровых индикатора, логический элемент ИЛИ, два управляемых коммутатора, арифметико-логическое устройство, компаратор, сдвиговый регистр, мультиплексор. 7 ил.

Изобретение относится к области обучающих устройств и может быть использовано для изучения основ работы как отдельных модулей ЭВМ, так и микроЭВМ в целом.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для обучения основам вычислительной техники (РФ, п.№2011230, G 09 В 23/18), содержащее генератор тактовых импульсов, счетчик команд, наборное поле, блок клавиатуры, узел индикации, логический элемент ИЛИ.

Недостатками данного прототипа являются ограниченные функциональные возможности, не позволяющие формировать структуры микроЭВМ и других автоматов для демонстрации работы средств вычислительной техники и получения учебно-игровых эффектов.

Задача, решаемая изобретением, - расширение функциональных и дидактических возможностей, изучение на более высоком и интегрированном уровне средств вычислительной техники.

Указанная задача выполняется за счет того, что в стенд для изучения средств вычислительной техники дополнительно введен ряд устройств, применяемых в различных сочетаниях. Различные варианты коммутации устройств позволяют не только изучать автономную работу стенда, но и позволяют формировать:

- калькулятор с индикацией операндов, кода операции, результата;

- микроЭВМ с возможным разделением памяти команд и чисел с прямой и косвенной адресацией;

- программируемый синтезатор мелодий;

- автоматы для контроля знаний в различных модификациях.

Предложенное техническое решение имеет следующие отличительные от прототипа признаки: арифметико-логическое устройство (АЛУ), сдвиговый регистр (СРГ), компаратор (КМ), тональный звуковой синтезатор (ТЗС), мультиплексор (МП), первый и второй управляемые коммутаторы, задатчик логических "0" и " 1", первое и второе оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), алфавитно-цифровые индикаторы (АЦИ).

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) необходимо для проведения арифметических и логических операций с операндами, поступающими на его входы. При изучении калькулятора АЛУ используется как двухвходовое устройство, на входы которого подаются операнды: При изучении работы микроЭВМ АЛУ преобразуется в одновходовое устройство (одноадресное), а второй операнд подается с выхода АЛУ через промежуточный регистр, в котором запоминается результат предыдущей операции.

Для изучения работы калькулятора введен задатчик логических "0" и "1", который необходим для установки на входах различных устройств, расположенных на наборном поле (АЛУ, оперативное запоминающее устройство, компаратор и т.д.) неименных двоичных комбинаций.

Первое и второе оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) служат для хранения занесенных в них данных, которые интерпретируются в зависимости от исследуемой задачи по-разному (операнды, управляющие разряды и т.д.). Кроме того, во второе ОЗУ могут заноситься данные в процессе его работы в составе собранной микроЭВМ.

Алфавитно-цифровые индикаторы (АЦИ) служат для визуализации состояния четырехразрядной шины, подходящей к каждому из них (индикация в шестнадцатиричном коде).

Мультиплексор служит для распределения потока данных, поступающего на его входы. В данной заявке он используется в составе микроЭВМ для определения источника данных (непосредственная и косвенная адресации).

Первый и второй управляемые коммутаторы необходимы для подключения/отключения второго, третьего и четвертого алфавитно-цифровых индикаторов от схемы для использования их как самостоятельных индикаторов в других целях.

Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает упрощение схем коммутации и, соответственно, устройства в целом при повышении надежности формируемых схем.

Приведенная совокупность признаков, характеризующих заявленный объект, обуславливает достижение такого технического результата, который обеспечивает решение задачи изобретения.

Анализ уровня техники показывает, что не известен стенд, которому присущи признаки, идентичные всем существенным признакам данного изобретения. Это свидетельствует о новизне предложенного технического решения.

Предложенное техническое решение применимо, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, т.к. может быть изготовлено в условиях серийного и единичного производств с применением различных выпускаемых серийно комплектующих, а следовательно, соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

На фиг.1 изображена структурная схема стенда, на фиг.2 - мнемоническая фальшпанель наборного поля, на фиг.3 - схема, собираемая на наборном поле для занесения данных в оперативное запоминающее устройство; на фиг.4 - схема микроЭВМ, собранная на наборном поле; на фиг.5 - схема программируемого синтезатора мелодий; на фиг.6 - схема контрольно-обучающего автомата для выбора номеров верных ответов из перечня возможных с хранением номеров в памяти: на фиг.7 - схема контрольно-обучающего арифметического автомата с индикацией правильных ответов.

Стенд для изучения средств вычислительной техники содержит наборное поле 1 (фиг.1) с мнемонической фалыппанелью 2 (фиг.2), к которому подключены задатчик 3 логических "0" и "1", блок клавиатуры 4, звуковой синтезатор 5 и генератор 6 тактовых импульсов, который также подключен к счетному входу счетчика команд 7, входы управления и параллельного ввода данных (на фиг.1 показаны одним входом) которого соединены с наборным полем 1, а выход - также с наборным полем 1 и адресным входом первого оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 8, вход управления и шина данных которого подключены к наборному полю 1. Стенд содержит также четыре алфавитно-цифровых индикатора (АЦИ) 9-12, причем первый 9, второй 10 и через логический элемент ИЛИ 13 четвертый 12 АЦИ соединены с наборным полем 1, первый 14 и второй 15 управляемые коммутаторы соединены между собой шиной управления, которая подключена к арифметико-логическому устройству (АЛУ) 16. Выход второго управляемого коммутатора 15 соединен с входами третьего АЦИ 11 и через логический элемент ИЛИ 13 четвертого АЦИ 12. Первый вход данных АЛУ 16 подключен к первому управляемому коммутатору 14, а второй вход данных и вход управления кодом операции - к наборному полю 1. Вход узла индикации 17 подключен к сдвиговому регистру 18, первый вход которого соединен с компаратором 19, а второй - с наборным полем 1. Адресный вход, вход управления (на фиг.1 показаны одним входом) и шина данных второго ОЗУ 20 соединены с наборным полем 1, а шина данных подключена к второму входу данных мультиплексора 21, второй вход данных, управляющий вход и выход данных которого также соединены с наборным полем 1. Выход данных АЛУ 16 подключен к второму управляемому коммутатору 15, наборному полю 1 и первому входу компаратора 19, второй вход которого соединен с наборным полем 1.

Устройство работает следующим образом.

Пример работы стенда для изучения средств вычислительной техники показан для двух случаев: изучение основ работы калькулятора и микроЭВМ.

Для изучения работы калькулятора обучаемому необходимо собрать на мнемонической фальшпанели 2 наборного поля 1 (фиг.2) с помощью соединительных штекеров следующую схему: с выхода счетчика команд 7 (фиг.1) подается число в двоично-десятичном коде на второй вход данных арифметико-логического устройства (АЛУ) 16 (первый операнд) и одновременно на первый 9 алфавитно-цифровой индикатор (АЦИ). На первый вход АЛУ 16 через первый управляемый коммутатор 14 и одновременно на второй 10 АЦИ задается определенное двоично-десятичное число с задатчика 3 логических "0" и "1". Ко второму входу компаратора 19 подключается блок клавиатуры 4. На вход управления кодом операции АЛУ 16 с задатчика 3 логических "0" и "1" подается код одной из арифметических операций, например умножения. После этого запускается генератор тактовых импульсов 6 и на индикаторе первого 9 АЦИ перебираются числа от "0" до "9", которые являются множителями для второго операнда. Обучаемый должен на блоке клавиатуры 4 набрать ответ, который в компараторе 19 сравнивается с полученным в АЛУ 16 результатом, и по окончании отведенного времени заносится в сдвиговый регистр 18. При правильном ответе загорается светодиод узла индикации 17. Количество горящих светодиодов соответствует количеству правильных ответов.

При излучении работы микроЭВМ используются оперативные запоминающие устройства. Прежде, чем использовать первое 8 и второе 20 оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), необходимо в них занести соответствующие данные. Для этого на фальшпанели 2 (фиг.2) наборного поля 1 собирается схема (фиг.3) с использованием блока клавиатуры 4, счетчика команд 7, первого 8 или второго 20 ОЗУ и индикаторов 9, 10 и 12 АЦИ. Первый 9 АЦИ используется для контроля адреса данных, второй 10 и четвертый 12 АЦИ - для контроля заносимых данных. После программирования схема разбирается.

Для изучения работы микроЭВМ необходимо собрать на наборном поле следующую схему (фиг.4): три линии из шины данных первого ОЗУ 8 подаются на вход управления кодом операции АЛУ 16. Одна линия шины данных первого ОЗУ 8 поступает на вход управления мультиплексора 21, выбирая метод адресации. Эти четыре линии поступают на четвертый 12 АЦИ для отображения кода операции и способа адресации. Остальные четыре линии первого ОЗУ 8 одновременно поступают на адресный вход второго ОЗУ 20 и первый вход данных мультиплексора 21. Выход данных мультиплексора 21 подключается к входу параллельного ввода данных счетчика команд 7, второму входу данных АЛУ 16 и первому 9 АЦИ, который отображает операнд АЛУ 16 или адрес перехода. Адресный выход счетчика команд 7 подключается ко второму 10 АЦИ и отображает только текущий адрес команды (первый управляемый коммутатор 14 разомкнут). На первый вход данных АЛУ 16 поступает результат последней математической операции, полученной в АЛУ 16 (так называемое "одноадресное АЛУ"). Результат операции АЛУ 16 отображается на третьем 11 АЦИ через второй управляемый коммутатор 15 (на фиг.4 не показан), а также подается через шину данных на второе ОЗУ 20 для записи результата в память (если это команда записи).

После сборки таким образом микроЭВМ можно приступить к выполнению задания. Счетчик команд 7, тактируемый генератором тактовых импульсов 6, выбирает из первого ОЗУ 8 очередную исполняемую команду. В зависимости от кода команды и метода адресации происходит выбор операнда из первого 8 (прямая адресация) или второго 20 (косвенная адресация) ОЗУ, с которым в АЛУ 16 происходит математическая или логическая операция. Кроме того, операнд может являться адресом перехода по результатам предыдущих логических или математических операций. В этом случае адрес перехода с выхода мультиплексора 21 подается на вход параллельного ввода данных счетчика команд 7. Блок клавиатуры 4 позволяет вмешиваться в исполняемую программу, останавливать программу или выполнять ее по шагам. При этом все необходимые сведения о выполнении программы отображаются на первом 9, втором 10, третьем 11 и четвертом 12 АЦИ. Система команд АЛУ 16 предельно упрощена и состоит из восьми операций:

сложение - складывает операнд, поступающий на второй вход данных АЛУ, с результатом предыдущей математической операции;

вычитание - вычитает операнд, поступающий на второй вход данных AЛУ, из результата предыдущей математической операции;

умножение - перемножает операнд, поступающий на второй вход данных АЛУ, на результат предыдущей математической операции;

безусловный переход - осуществляет безусловную передачу управления команде, адрес которой указан в команде "безусловный переход";

условный переход (если результат < 0) - осуществляет условную передачу управления команде, адрес которой указан в команде "условный переход", если результат предыдущей математической операции был < 0;

чтение - производит запись в выходной регистр AЛУ данных в зависимости от метода адресации из первого или второго ОЗУ;

запись - производит запись результата предыдущей математической операции из выходного регистра АЛУ во второе ОЗУ;

останов - останавливает выполнение программы.

Для изучения работы жесткопрограммного автомата, который рассматривается на примере сборки музыкального синтезатора, обучаемый собирает на наборном поле 1 схему (фиг.5). Перед выполнением сборки необходимо запрограммировать первое ОЗУ 8 (фиг.3). В него заносятся коды нот в той последовательности, в которой они потом будут звучать. Блок клавиатуры 4 подключается к генератору тактовых импульсов 6 для остановки или пуска его и к входу сброса счетчика команд 7. Сигнал переполнения счетчика команд 7 подключается к входу останова генератора тактовых импульсов 6. Выход первого ОЗУ 8 подключается к звуковому синтезатору 5. Обучаемый через блок клавиатуры 4 сбрасывает счетчик команд 7 в нулевое состояние, выбирая тем самым первую ноту из первого ОЗУ 8, затем запустив генератор тактовых импульсов 6 через блок клавиатуры 4, прослушивает мелодию из первого ОЗУ с заданным генератором тактовых импульсов 7 темпом.

Для изучения работы контрольно-обучающего автомата для выбора номеров верных ответов из перечня возможных с хранением номеров в памяти обучаемый собирает на наборном поле 1 схему (фиг.6). Перед выполнением сборки необходимо запрограммировать первое ОЗУ 8 (фиг.3). В него заносятся данные, соответствующие правильным ответам. Обучаемый запускает с помощью блока клавиатуры 4 генератор тактовых импульсов 6 и одновременно разрешает работу счетчика команд 7. На втором 10 АЦИ индицируется порядковый номер вопроса последовательно от 0 до 9. Обучаемый в отведенный ему генератором тактовых импульсов 6 промежуток времени должен на блоке клавиатуры 4 набрать правильный ответ. При совпадении данных из первого ОЗУ 8 и данных с блока клавиатуры 4, поступающих на первый и второй входы компаратора 19, на его выходе формируется логическая “1”, а при несовпадении - логический “0”, которые заносят в сдвиговый peгистр 18, состояние которого отображает узел индикации 17 (при правильном ответе загорается один из светодиодов, соответствующий данному вопросу, при неправильном - нет). После ответа на последний (девятый) вопрос обратная связь со счетчика команд 7 останавливает генератор тактовых импульсов 6.

Для изучения работы контрольно-обучающего арифметического автомата с индикацией правильных ответов в режиме дефицита времени или без него обучаемый собирает с помощью фальшпанели 2 на наборном поле 1 схему (фиг.7). На вход управления кодом операции АЛУ 16 с задатчика 3 логических “0” и “1” подается код операции (например, операции умножения). На первый вход данных АЛУ 16 также с задатчика 3 через первый управляемый коммутатор 14 задается код первого операнда (множителя), который индицируется на втором АЦИ 10. На второй вход данных АЛУ 16 подается второй операнд (множимое) со счетчика команд 7, который индицируется на первом АЦИ 9. Обучаемый запускает с помощью блока клавиатуры 4 генератор тактовых импульсов 6 и одновременно разрешает работу счетчика команд 7. Затем обучаемый в отведенный ему генератором импульсов 6 промежуток времени должен на блоке клавиатуры 4 набрать правильный ответ. При совпадении данных из АЛУ 16 и данных с блока клавиатуры 4, поступающих на первый и второй входы компаратора 19, на его выходе формируется логическая “1”, а при несовпадении - логический “0”, которые заносятся в сдвиговый регистр 18, состояние которого отображает узел индикации 17 (при правильном ответе загорается один из светодиодов, соответствующий данному вопросу, при неправильном - нет). После ответа на последний (девятый) вопрос обратная связь со счетчика команд 7 останавливает генератор тактовых импульсов 6.

С помощью стенда обучаемый также может собрать и изучить работу и других структур технических средств.

Формула изобретения

Стенд для изучения средств вычислительной техники, содержащий наборное поле, генератор тактовых импульсов, подключенный к счетному входу счетчика команд, блок клавиатуры, подключенный к наборному полю, узел индикации и логический элемент ИЛИ, отличающийся тем, что в его состав введены звуковой синтезатор и задатчик логических “0” и “1”, подключенные к наборному полю, первое и второе оперативные запоминающие устройства, мультиплексор, четыре алфавитно-цифровых индикатора, первый и второй управляемые коммутаторы, арифметико-логическое устройство, компаратор и сдвиговый регистр, причем первый вход данных, управляющий вход и выход данных мультиплексора подключены к наборному полю, а второй вход данных - к шине данных второго оперативного запоминающего устройства, вход/выход управления генератора тактовых импульсов и входы управления и параллельного ввода данных счетчика команд подключены к наборному полю, а выход счетчика команд - к наборному полю и адресному входу первого оперативного запоминающего устройства, вход управления и шина данных которого подключены к наборному полю, которое соединено с адресным входом, входом управления и шиной данных второго запоминающего устройства, первый и второй управляемые коммутаторы соединены шиной управления, которая подключена к соответствующему выходу арифметико-логического устройства, первый вход данных которого подключен к первому управляемому коммутатору, а второй вход данных и вход управления кодом операции - к наборному полю, которое соединено с входами первого, второго и через логический элемент ИЛИ четвертого алфавитно-цифровых индикаторов, выход данных арифметико-логического устройства подключен к наборному полю, входу второго управляемого коммутатора и первому входу компаратора, второй вход которого подключен к наборному полю, а выход - к первому входу сдвигового регистра, второй вход которого соединен с наборным полем, а выход - с узлом индикации, первый управляемый коммутатор подключен к входу второго алфавитно-цифрового индикатора, а второй управляемый коммутатор - к входам третьего и через логический элемент ИЛИ, четвертого алфавитно-цифровых индикаторов.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7