Základy počítačov

Z SensorWiki
Prejsť na: navigácia, hľadanie
          Voliteľnosť  Povinný  
             Semester  Zimný semester  
       Počet kreditov  6.00  
   Ukončenie predmetu  Skúška  
            Prednáška  2.00 hod./tyždeň  
             Cvičenie  2.00 hod./tyždeň 
               Garant  doc. Ing. Katarína Žáková, PhD.

Pozri aj stránku predmetu v AISe.

Cieľ predmetu

Získať znalosti o základnej koncepcii číslicových počítačov a počítačových systémov. Pochopiť princípy hlavných podsystémov číslicových počítačov - procesor, vstupný a výstupný podsystém a pamäťový podsystém. Vedieť popísať štruktúry hlavných podsystémov číslicových počítačov a pracovať s nimi.


Prednášky

  • 22.09. Základy číslicových počítačov. Číslicový počítač s von Neumannovou a Harvardskou architektúrou. Klasifikácia počítačov. (slajdy)
    Zobrazenie informácie v počítači. Číslicové zobrazenie informácií. Údajové typy a ich zobrazenie. Číselné a znakové kódy. Základné aritmetické operácie - číselne sústavy. (slajdy)
  • 29.09. Kódy ASCII a Unicode. Ukladanie informácií v počítači, Big Endian, Little Endian. Reálne čísla s pohyblivou rádovou čiarkou, IEEE-754. (slajdy)
    Úvod do programovania mikropočítača BBC micro:bit (slajdy)
  • 06.10. Kombinačné logické obvody. Boolova algebra, DeMorganove pravdilá. Pravdivostná tabuľka, logická schéma, úplný systém logických funkcií. Analýza a syntéza logických obvodov. Polovičná a úplná sčítačka. (slajdy)
  • 13.10. Spínacie obvody. Relé, elektrónka, tranzistor, integrovaný obvod. Moorov zákon. Oneskorenie. (slajdy)
    Úvod do programovania mikropočítača BBC micro:bit (slajdy)
  • 3.11. Základná stavebné prvky procesora. Operačná a riadiaca časť procesora. Inštrukčný súbor. Typy inštrukcií. (slajdy)
  • 10.11. Mikroprocesor II. Matematický koprocesor. Inštrukčný súbor. Typy inštrukcií. Formát inštrukcie. Inštrukcie - práca s pamäťovým systémom počítača. Spôsoby adresácie. Procesory s architektúrou RISC a CISC. Asembler, jazyk symbolických adries, simulátor a emulátor. (slajdy)
  • Zbernice. Zbernicová architektúra počítača. Jednoprocesorové a viacprocesorové zbernice, arbitrácia prístupu. Multiplexovaná zbernica. Príklady štandardných zberníc.
  • Vstupno-výstupných podsystém. I/O karty. Paralelný port. Vstup a výstup logických a číslicových hodnôt. A/D a D/A prevodníky. Riadiace počítače. Elektromagnetická kompatibilita.
  • Prerušovací podsystém. Zdroje a obsluha prerušenia. Počítadlá a časovače. RTC.
  • Sériové rozhranie. UART. I2C,...
  • Grafika, grafické karty.
  • Počítačové siete - charakteristika a ich rozdelenie. Sieťové médiá. Správa, rámec, paket.
  • História. Generácie počítačov.
   --> Slajdy z prednášok.

Literatúra

Zoznam odporúčanej študijnej literatúry:

Internetové zdroje:

Cvičenia

Cvičenia prebiehajú v CPU (učebňa C-119).


Cvičenie 1

Teória: Číselné sústavy Príklady: Prevody medzi číselnými sústavami

Úlohy:

  1. prihlásiť sa na PC dočasným heslom a nájsť si v AISe mail s vlastným prihlasovacím menom a heslom.
  2. prihlásiť sa svojim menom a heslom
  3. vyskúšať si Eduroam meno a heslo
  4. nájdite si v AISe vstupný testík a vyplňte ho
  5. webstránka predmetu bude http://senzor.robotika.sk - prvá ikonka vľavo hore v tabuľke ZPOC
  6. Riešime príklady na prevody DEC-BIN-HEX-ASCII: Prevody medzi číselnými sústavami


Cvičenie 2

Teória: Aritmetické operácie v dvojkovej sústave

Úlohy:

  1. počítame jednoduché príklady Aritmetika v dvojkovej sústave
  2. počítame príklady Kódy a kódovanie
  3. počítame príklady Zobrazenie čísel v počítači
  4. 15 min. pred koncom cvičenia sa prihláste do AISu a vypracujte test


Viac informácií: Khan Academy


Cvičenie 3

Základy programovania.

Úlohy:

  1. Práca so simulátorom pre mikropočítač - návody: BBC micro:bit.
             → Link do programovacieho prostredia
  2. 15 min. pred koncom cvičenia sa prihláste do AISu a vypracujte test


 

Cvičenie 4

Teória: Logické obvody

Úlohy:

  1. Kombinačné logické obvody
  2. 15 min. pred koncom cvičenia sa prihláste do AISu a vypracujte test


Cvičenie 5

Základy programovania.

Práca so simulátorom pre mikropočítač (slajdy z prednášky)
         → Link do programovacieho prostredia


Úlohy:

  1. Naprogramujte animáciu na reálnej micro:bit doštičke
  2. Naprogramujte hru kameň, papier, nožnice
  3. Naprogramujte aspoň dve rozličné logické funkcie premenných A a B
  4. Naprogramujte tester reakčnej doby (náhodne sa rozsvieti A alebo B a hráč musí stlačiť korešpondujúce tlačidlo, pričom sa zmeria čas od zobrazenia po stlačenie)
  5. 15 min. pred koncom cvičenia sa prihláste do AISu a vypracujte test


 

Cvičenie 6

Teória: Sekvenčné obvody

Úlohy:

  1. Sekvenčné logické obvody
  2. 15 min. pred koncom cvičenia sa prihláste do AISu a vypracujte test



Cvičenie 7

Základy programovania.

Práca so simulátorom pre mikropočítač BBC micro:bit
         → Link do programovacieho prostredia

Úlohy:

  1. Stavové diagramy s micro:bit
  2. 15 min. pred koncom cvičenia sa prihláste do AISu a vypracujte test


 

Cvičenie 8

Laboratórne cvičenie.

Úlohy:

  1. Zapojte a odmerajte vlastnosti kombinačných a sekvenčných obvodov podľa návodu Meranie logických obvodov
  2. Keď to zvládnete, stačí k dvom obvodom z cvičenia pridať ešte 32 a máte hotový celý 8-bitový mikropočítač... Kliknutím na obrázok získate kompletný návod :)
TTLcomputer.jpg


Cvičenie 9

Mikroprocesor.

Úlohy:

  1. Na začiatku cvičenia sa prihláste do AISu a vypracujte test
  2. Práca so simulátorom ASM80 pre mikropočítač

Zabudnuté inštrukcie

Ižinieri v Silicon Valley našli v archívoch dokument, z ktorého vyplýva, že niektoré assemblerovské inštrukcie, ktoré autori procesorov vytvorili sa napokon do procesorov nedostali. Ktovie prečo?

    BPDI    Be Polite, Don't Interrupt
    CLD     Call a Doctor
    CRB     Crash and Burn
    CRN     Convert to Roman Numerals
    DAC     Divide And Conquer
    DMNS    Do what I Mean, Not what I Say
    EPI     Execute Programmer Immediately
    GE      Generate  Error
    IBP     Insert Bug and Proceed
    IAN     Illogical AND
    IOR     Illogical OR
    JBW     Jump Both Ways
    JPO     Jump on Power Off
    JRA     Jump to Random Address
    LLI     Lose Last Instruction
    RNR     Rather Not Run
    RPM     Read Programmer's Mind
    SWOM    Store in Write Only Memory



 

Domáce úlohy

Za vyriešenie týchto úloh môžete získať okrem dobrého pocitu aj bonusové body. Nezíska ich každý, ale ten, kto ako prvý pošle ich riešenie na adresu balogh@elf.stuba.sk Ak budú riešenia aj s postupom a tie budú dostatočne odlišné, môžu bonusové body získať aj viacerí. Prečiarknuté body znamenajú, že úlohu môžete stále ešte riešiť sebe pre radosť, ale body, žiaľ, už nedostanete.

1. (1 bod) Riešenie nasledovného problému vám pomôže udržať bdelosť aj na zvyšku cvičenia. Preveďte do hexadecimálnej sústavy 12648430DEC.

2. (1 bod) Vysvetlite, prečo programátori oslavujú vianoce už 30 októbra (pomôcka: preveďte 30 z osmičkovej - OCT do desiatkovej sústavy - DEC).

3. (2 body) Pre adresovanie počítačov v siet internet sa používa IPv6 adresa, ktorá pozostáva z 8 skupín štvorciferných hexadecimálnych číslic oddelených dvojbodkami, napríklad

2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334

Sledovaním sieťovej komunikácie na podozrivom počítači pomocou binárneho analyzátora sme zistili, že najčastejšie komunikuje s nasledovným serverom

0010 1010 0000 0011 : 0010 1000 1000 0000 : 0010 0001 0011 0000 : 1100 1111 0000 0101 : 1111 1010 1100 1110 : 1011 0000 0000 1100 : 0000 0000 0000 0000 : 0000 0000 0000 0000

Preveďte binárny tvar na hexadecimálny a pomocou služby https://ipinfo.io/ zistite, s kým vlastník počítača komunikoval.

4. (3 body) V ktorej sústave je toto pravda?

a) 10 + 11 = 101

b) 10 + 11 = 21


5. (5 bodov)

Jedna z prvých expedícií na Mars tam našla zvyšky civilizácie. Z rozličných artefaktov a obrázkov, ktoré tam našli, si vedci odvodili, že tvory, ktoré tu žili mali podobu štvornohých bytostí s jedným chápadlom, ktoré sa na konci rozvetvovalo na nezistený počet "prstov." Po ďalších hľadaniach a čiastočnej analýze marťasnkého písma boli prieskumníci schopní preložiť marťanskú matematiku. Našli nasledujúcu rovnicu:

5x2 - 50x + 125 = 0 

pri ktorej boli ako riešenia uvedené x = 5 a x = 8. Prvý výsledok sa zdá byť správny, ale druhý nie. Medzi vedcami bol aj jeden, ktorý našiel dôkazy o tom, že Marťania sa ku svojmu číselnému systému dostali postupne veľmi podobne ako aj my. Čo myslíte, koľko prstov mali Marťania? (Z Bent z Tau Beta Pi , Február 1956).

6. (2 body)
Záhadné skrinky slečny Portie
V Shakespearovej hre Kupec Benátsky kupci vystupuje krásna, mladá a vzdelaná žena, Portia. Pytačov trápi troma skrinkami - zlatou, striebornou a olovenou - v jednej z nich je obrázok s podobizňou krásnej Portie. Nápadník, ktorý by chcel získať Portiu za ženu, musí najprv určiť, v ktorej skrinke sa podobizeň nachádza. Ak bude mať šťastie (alebo je dostatočne múdry) a uhádne, smie sa s ňou oženiť. Na vrchnáku každej skrinky je nápis, ktorý mu má pri voľbe napomôcť. Portia dala na skrinky tieto nápisy:

      Zlatá             Strieborná          Olovená
      OBRAZ               OBRAZ              OBRAZ
    JE V TEJTO        NIE JE V TEJTO     NIE JE V ZLATEJ
     SKRINKE             SKRINKE            SKRINKE

Nápadníkovi prezradila, že z tých troch nápisov je pravdivý nanajvýš jeden. Ktorú skrinku si mal nápadník vybrať?

7. (4 body)
V učebnici Digital Design od Johna Wakerlyho je popísaný návrh konečného stavového automatu pre riadenie koncových blinkrov Fordu Thunderbird (rok výroby 1965). Ako rozcvičku si môžete takéto koncové svetlá naprogramovať na micro:bite. Ale úloha za 4 body je trocha komplikovanejšia: autor knihy mal presne takýto typ auta a poznávaciu značku nakreslil presne podľa tej svojej. Viete vysvetliť, čo znamená? Ak áno, potom viete aké písmeno bude nasledovať.

WakerlyThunderbirdCar.png


8. (2 body)
Záhadné skrinky slečny Portie
Nápadník nielen že úlohu správne vyriešil, ale sa Portii aj zapáčil a tak si ho vzala za muža. Lenže po istej dobe jej to nejako začalo vŕtať v hlave a zdalo sa jej, že tá úloha bola predsa len príliš jednoduchá a že ten jej manžel možno až taký múdry ani nie je. A začala vymýšlať, že ak neuhádne ani druhú hádanku, tak si nájde niekoho iného. Manželovi neostalo nič iné, len podvoliť sa Porciiným vrtochom.


       Zlatá                   Strieborná           Olovená
       OBRAZ                     OBRAZ               OBRAZ
 NIE JE v STRIEBORNEJ        NIE JE v TEJTO        JE V TEJTO     
      SKRINKE                   SKRINKE             SKRINKE

Prezradila mu, že z tých troch nápisov je aspoň jeden pravdivý a aspoň jeden nepravdivý. Ktorú skrinku si mal manžel vybrať?
Ako to už býva, manžel bol naozaj šikovný, uhádol aj tentoraz. Porciu potom prehol cez koleno a poriadne jej naplácal, takže ju vymýšľanie prešlo a žili si šťastne až do smrti.

9. (4 body)
Nasledovný program zoberie číslo, ktoré nájde v registri D, analyzuje ho a výsledok uloží do registra B. Čo je výsledkom tohoto programu? Čo analyzuje?

          MVI B, 00h
          MVI C, 08h
          MOV A, D
    BACK: RAR
          JNC SKIP
          INR B
    SKIP: DCR C
          JNZ BACK
          HLT


10. (5 bodov)
Čo robí tento program?

            ORG     0030h 
            DB      1,7,1,3,2 
            DB      4,8,7,2,1 
    
            ORG     0000h 
            MVI     B,09 	; Initialize counter
START:      LXI     H,0030h ; Initialize memory pointer
            MVI     C,09H 	; Initialize counter 2
BACK:       MOV     A,M 	; Get the number
            INX     H 		; Increment memory pointer
            CMP     M 		; Compare number with next number
            JC      SKIP 	; If less, don’t interchange
            JZ      SKIP 	; If equal, don’t interchange
            MOV     D,M 
            MOV     M,A 
            DCX     H 
            MOV     M,D 
            INX     H 		; Interchange two numbers
SKIP:       DCR     C 		; Decrement counter 2
            JNZ     BACK 	; If not zero, repeat
            DCR     B 		; Decrement counter 1
            JNZ     START 
            HLT     		; Terminate program execution


11. (2 body)
Záhadné skrinky slečny Portie
Nielen že žili šťastne až do smrti, ale mali aj dcéru, ktorá bola pekná, múdra a šikovná a celá po mame. Samozrejme, že keď prišlo na vydaj, spravila presne to isté, čo jej podarená mamička. Nápadníka postavila pred tri skrinky na ktorých boli vždy až dva nápisuy. Prezradila mu len toľko, že ani na jednej skrinke nie je viac ako jedno nepravdivé tvrdenie. Nápadník sa samozrejme začal hnevať, odkiaľ má vedieť, skadiaľ pochádza chlapík, čo ju maľoval, ale keď vychladol, napokon si poradil. A vy?


        Zlatá                     Strieborná                     Olovená
  
 (1)   TU OBRAZ          (1)     OBRAZ  NIE JE         (1)      OBRAZ NIE JE
        NIE JE                  v ZLATEJ SKRINKE               V TEJTO SKRINKE
  
 (2)  PORTRÉTISTA        (2)       PORTRÉTISTA         (2)        OBRAZ JE 
      JE Z BENÁTOK               JE Z FLORENCIE             V STREIBORNEJ SKRINKE

Ktorú skrinku si má nápadník vybrať, aby v nej naisto našiel portrét milovanej Porcie?

Podmienky absolvovania predmetu

  1. Znalosť odprezentovanej problematiky
  2. Získanie zápočtu z cvičení
  3. Získanie potrebného počtu bodov na skúške (min. 50% písomky)


Podmienky na udelenie zápočtu:

  • absolvovanie všetkých cvičení (max. 1 ospravedlnená neúčasť)
  • vypracovanie všetkých testíkov aspoň na polovicu bodov

Prácu študenta kontroluje a zápočty udeľuje cvičiaci daného krúžku.



Kontakty

Za menom je uvedené pracovisko, miestnosť a konzultačné hodiny. Zamestnanci STU majú e-mailové adresy v tvare meno.priezvisko@stuba.sk

Vyučujúci:

  • Ing. Richard Balogh, PhD. (UAMT, D-110, piatok 12:00 - 13:00)
  • Ing. Štefan Chamraz, PhD. (UAMT, D-108, štvrtok 15:00 - 16:00)
  • Ing. Igor Belai, PhD. (UAMT, D-126, streda 13:00 - 14:00)
  • Ing. Ján Cigánek, PhD. (UAMT, D-104, piatok 12:00 - 13:00)


RozvrhHodin.png