тренажер мнемосхем

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.

Описание изобретения к патенту

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 = i10¹ + j10⁰

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,



_ij - вес разряда в десятичном коде,

_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.