1. Сценарий проведения занятия по основному регламенту (90 минут)
Этап 1: Организационный вход, цели и мотивация (5 минут)
Прямая речь преподавателя:
«Здравствуйте, коллеги! Садитесь. Сегодня у нас предпоследнее занятие курса «Архитектура аппаратных средств» перед дифференцированным зачетом. Наше занятие совмещенное и делится ровно на две части. Первые 45 минут мы посвящаем Практической работе №5: пусконаладке, юстировке и калибровке нестандартной периферии. Это то оборудование, которое не заводится простым подключением USB-шнура по стандарту Plug-and-Play — 3D-принтеры CoreXY, промышленные контроллеры с токовой петлей 4–20 мА, базовые станции трекинга VR и лабораторные измерительные приборы с шиной IEEE-488.
А вторые 45 минут мы превратим в генеральную репетицию зачета: разберем сложные расчетные задачи на шины PCIe 4.0, память DDR5, видеопотоки с компрессией DSC и прямой доступ к памяти DMA. Открывайте на ваших рабочих местах интерактивный лист zanyatie.html, вбивайте свои фамилии и выбирайте один из четырех вариантов. Время пошло!»
Этап 2: Практическая пусконаладка нестандартной периферии (40 минут)
Преподаватель запускает слайды 3–10 презентации и переходит к руководству выполнением вариантов в рабочем листе.
Прямая речь преподавателя (Вариант 1 — Аддитивная техника):
«Первая группа, кто взял Вариант 1 — обратите внимание на шаговые двигатели NEMA 17 и драйверы TMC2209. Вы рассчитываете шаги на миллиметр: если шкив GT2 имеет 20 зубьев с шагом 2 мм, за один оборот ремень проходит 40 мм. Но мотор делает 200 шагов, а драйвер делит каждый шаг еще на 16 микрошагов! Умножайте: 200 на 16 — получаем 3200 импульсов на оборот. Делим 3200 на 40 мм — получается ровно 80 шагов на миллиметр.
А теперь критический вопрос: что такое Z-offset? Концевик щелкает, когда сопло еще висит в воздухе в двух миллиметрах от стеклянного стола. Если вы не введете отрицательный оффсет -1.85 мм, пластик будет вытекать в пустоту и свиваться в комок. А если ошибетесь со знаком и сделаете -2.5 мм — твердосплавное сопло с хрустом пропашет дорогое PEI-покрытие стола! Рассчитайте Z-offset по вашим данным и запустите алгоритм Циглера-Никольса для PID-регулятора хотэнда командой M303».
Прямая речь преподавателя (Вариант 2 — Промышленный сбор данных DAQ):
«Вторая группа, ваше оборудование — токовая петля 4–20 мА. Запомните навсегда: в автоматике передают не напряжение, а ток! Почему? Потому что на двухстах метрах провода сопротивление кабеля «съест» два вольта, и датчик на 0–10 В соврет на 20%. А току закон Кирхгофа врать не позволяет: сколько миллиампер генератор тока выдал на датчике, ровно столько же дойдет до нашего шунта 150 Ом в серверной.
Но почему шкала начинается с 4 мА, а не с нуля? Это концепция Live Zero — "живой ноль". Если у вас на шунте ноль миллиампер — это не нулевое давление в баке! Это экскаватор перерубил кабель датчика! Ваш контроллер обязан выдать красную аварию "Wire Break Fault", а не думать, что емкость пуста».
Прямая речь преподавателя (Вариант 3 — VR-комплекс Lighthouse):
«Третий вариант — вы настраиваете базовые станции SteamVR 2.0. Помните: базовые станции — это не веб-камеры, они не "видят" человека и не передают гигабайты видео по проводу. Они излучают тончайшие лазерные ножи, которые вращаются со скоростью 6000 оборотов в минуту. Фотодиод на шлеме ловит вспышку, микроконтроллер засекает время с точностью до наносекунд и вычисляет угол!
Ваша главная расчетная задача — бюджет Motion-to-Photon. Человеческий мозг эволюционно устроен так, что если между поворотом головы и смещением картинки в глазах проходит больше 20 миллисекунд — вестибулярный аппарат считает, что организм отравлен нейротоксинами, и человека начинает тошнить. Сложите время опроса IMU, рендеринг GPU при 120 кадрах в секунду, передачу по кабелю и отклик пикселей матрицы. Докажите, что ваша конфигурация укладывается в 18 миллисекунд!»
Прямая речь преподавателя (Вариант 4 — Лабораторный стенд IEEE-488 GPIB):
«Четвертая группа — шина GPIB. Это классика лабораторной автоматизации от Hewlett-Packard. Обратите внимание на инверсную TTL-логику: здесь ноль вольт — это логическая единица! И самое главное — трехпроводное квитирование DAV, NRFD, NDAC. Пока самый старый и медленный вольтметр на шине не опустит линию NDAC, сообщая "я успел записать байт", быстрый контроллер не имеет права передавать следующий байт. Опишите опрос прерываний SRQ через команду Serial Poll».
Этап 3: Промежуточная фиксация и защита практики (5 минут)
Прямая речь преподавателя:
«Время первого блока подошло к концу. Нажмите кнопку "Сохранить ответы" в рабочем листе. Проверьте, чтобы в таблице калибровки были заполнены все поля, указаны знаки смещений и единицы измерений. Переходим ко второй половине нашего занятия — интенсивному тренингу к дифференцированному зачету!»
Этап 4: Зачетный интенсив-тренинг по темам 01–16 (30 минут)
Преподаватель переключает презентацию на слайды 11–13 и ведет фронтальный разбор расчетных задач.
Прямая речь преподавателя:
«Внимание на экран! На зачете у каждого будет индивидуальный билет из трех блоков: процессорная логика, память и периферия. Сейчас мы решаем 4 задачи, которые вызывают больше всего трудностей.
Задача 1: Шина PCIe 4.0 x16. Назовите частоту шины? 16 гигатранзакций в секунду. Кодирование 128b/130b. Это значит, что из 130 бит полезными являются 128, служебные потери — всего 1.54%. Делим 16 на 8 бит — получаем почти ровно 2 гигабайта в секунду на одну линию. Умножаем на 16 линий слота видеокарты — получаем 31.5 ГБ/с в одну сторону. А поскольку шина PCIe полнодуплексная, суммарный поток в обе стороны — 63 ГБ/с! Запишите ход решения в форму предзачетного блока.
Задача 2: Видеопоток 4K 144 Гц и технология DSC. Считаем: 3840 на 2160 точек, умножаем на 144 кадра в секунду, умножаем на 10 бит на каждый из трех цветов RGB (30 бит на пиксель) и умножаем на 1.2 — коэффициент гашения кадров. Получаем гигантскую цифру: 43 гигабита в секунду! А у кабеля DisplayPort 1.4 полезный предел — всего 25.92 Гбит/с. Кабель не резиновый! Что делать? Выкинуть монитор? Нет! Включается алгоритм Display Stream Compression (DSC 1.2a). Это аппаратное сжатие 3 к 1 без потери визуального качества с задержкой в доли микросекунды. Поток сжимается до 14.3 Гбит/с и со свистом проходит по кабелю.
Задача 3: Заземление экранов. Ответьте хором: с скольких сторон заземляется экран сигнального кабеля? Правильно, СТРОГО С ОДНОЙ! Заземлите с двух концов в цеху — получите уравнительный ток в 50 ампер прямо по оплетке, который сожжет изоляцию и наведёт 50 герц на вход АЦП».
Этап 5: Итоги, рефлексия и регламент зачета (10 минут)
Прямая речь преподавателя:
«Подводим итоги. Сегодня вы выполнили пусконаладку сложнейшего нестандартного оборудования и освежили всю теоретическую базу курса.
Регламент зачета на следующем занятии: ровно 10 баллов. Блок 1 (логика и конвейеры CPU) — 3 балла. Блок 2 (память DDR, кэши, шины PCIe) — 3 балла. Блок 3 (видеоинтерфейсы, DMA, нестандартная периферия) — 4 балла. Шкала перевода жесткая: 9–10 баллов — это "Отлично", 7–8 баллов — "Хорошо", 5–6 баллов — "Удовлетворительно", всё что ниже пяти — "Незачет" и пересдача.
Сейчас нажмите в рабочем листе Ctrl+P или кнопку "Печать отчета", сохраните ваш протокол в PDF. Дома повторите сводную таблицу в файле lekciya.html. Вопросы есть? Вопросов нет. Спасибо за интенсивную работу, жду всех на дифференцированном зачете!»
2. Сценарий проведения занятия по сокращенному регламенту (60 минут)
Хронометраж: 3 + 27 + 2 + 22 + 6 = 60 минут.
Этап 1: Оргвход (3 минуты)
Прямая речь преподавателя:
«Коллеги, у нас сжатый регламент — 60 минут. Ни секунды задержки: открываем zanyatie.html, вводим ФИО, выбираем вариант. Первые 27 минут — ключевой расчет и калибровка вашего оборудования, следующие 22 минуты — разбор самых сложных задач зачета на шины и память».
Этап 2: Практическая пусконаладка (27 минут)
Прямая речь преподавателя:
«Фокусируемся на главном узле. Вариант 1 — мгновенно считайте Steps/mm и Z-offset, графики PID настроите дома по формулам. Вариант 2 — рассчитайте значения АЦП на шунте 150 Ом для 4 мА, 12 мА и 20 мА и укажите код ошибки обрыва линии. Вариант 3 — соберите бюджет MTP в 18 мс. Вариант 4 — опишите три линии квитирования GPIB. Все вспомогательные комментарии сокращайте до формул и конкретных цифр!»
Этап 3: Фиксация практики (2 минуты)
Прямая речь преподавателя:
«Стоп! Жмем "Сохранить ответы". Данные записаны в локальное хранилище. Переключаемся на предзачетный блок».
Этап 4: Зачетный тренинг (22 минуты)
Прямая речь преподавателя:
«Разбираем два главных камня преткновения зачета. Первое: шина PCIe 4.0 x16 дает 31.5 ГБ/с в одну сторону и 63 ГБ/с в дуплексе благодаря кодированию 128b/130b. Память DDR5-5600 в двухканале дает $5600 \times 8 \times 2 = 89.6\text{ ГБ/с}$. Второе: почему контроллеры NVMe и DAQ требуют режима Bus Mastering DMA? Потому что при скорости 7 ГБ/с никакой процессор в режиме программного опроса портов не справится — конвейер CPU захлебнется прерываниями на каждом байте. DMA пишет поток напрямую в ОЗУ. Фиксируйте решения в листах!»
Этап 5: Итоги (6 минут)
Прямая речь преподавателя:
«Сохраняйте листы, делайте экспорт в PDF. На зачете времени на раскачку не будет — 70 минут на 10 баллов. Вся теория и формулы есть в вашем конспекте lekciya.html. До встречи на зачете!»