Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

DESIGN AND EXPERIMENTAL STUDIES OF FUNCTIONAL MODELS OF QUEUE MEMORY DEVICES USING MICROSOFT EXCEL

Strabykin D.A. 1
1 Vyatka State University
1728 KB
The purpose of the article is to analyze the possibilities of design and experimental studies of educational functional models of queue memory devices using Microsoft Excel spreadsheet application. It considers circular queue consisting of a memory block and counter registers to track the head and the tail of the queue. Four approaches to queue implementation are described based on which memory cell the registers are pointing to. For head register it can be either first non-empty memory cell or the last empty one, and for tail register it could be either first empty memory cell or the last occupied one. Creation of a functional model is discussed. The model development includes: data structure implementation; operation modes and algorithms of the queue; design of a user interface i.e. a screen form for experimental studies; description of how the states of registers, memory cells, and special flags change depending on control and clock signals; simulation of work of all queue’s nodes and blocks with standard functions of MS Excel. Experiments allow to observe how flags “the queue is empty” and “the queue is full” are set and occupied cells are migrating across the memory block. A special feature of the queue being simulated is the support for parallel read and write operations. It allows in a single access to the memory block to perform a write operation on the first clock cycle and read operation in the second clock cycle. To perform the experiment on the designed functional model one needs to create the described screen form and enter the specified formulae into the spreadsheet’s cells. Debugging and researching the model is simplified by the clarity of the screen from and its ability to automatically generate the data to be added to the queue next.
queue-type storage devices
functioning functional models
computer workshops on computers
application MicrosoftExcel

Значительная часть образовательных программ высшего и среднего профессионального образования включает дисциплины, связанные с функциональной организацией вычислительных устройств и архитектурой вычислительных машин. При этом в ряде программ схемотехническая подготовка обучающихся не предусматривается, что делает затруднительным, а в некоторых случаях и нецелесообразным использование в учебном процессе популярных программных средств автоматизированного проектирования, предполагающих такую подготовку. В то же время разработка и экспериментальное исследование обучающимися функциональных моделей изучаемых устройств, не требующая схемотехнической подготовки, облегчает более глубокое изучение устройств на функциональном уровне. В связи с этим представляет интерес использование в качестве средства функционального моделирования широко известного табличного процессора Microsoft Excel, позволяющего ограничиться «крупноблочным» представлением моделируемых устройств, отвлекаясь от схемотехнических особенностей их реализации.

Цель работы: анализ возможностей построения и экспериментального исследования учебных функциональных моделей запоминающих устройств типа очередь с помощью табличного процессора Microsoft Excel.

Очередь можно определить как структуру данных, представляющую собой список элементов, организованных по принципу «первым пришел – первым вышел» (First In – First Out, FIFO). При реализации очереди могут быть использованы различные масштабы аппаратной поддержки. В частности, при программной реализации такая поддержка ограничивается выделением области оперативной памяти вычислительной машины для накопителя очереди [1-3]. Полностью аппаратная очередь обычно строится на основе адресного блока памяти и регистров-счетчиков для хранения и отслеживания положения головы и хвоста очереди. Возможно также и совместное использование программной и аппаратной реализации очередей [4]. Как правило, при организации работы очереди предусматривается слежение за ее состоянием. Выявляются два состояния: отсутствие данных (в этом случае блокируется чтение) и полное заполнение очереди (блокируется запись). Существуют различные алгоритмы управления переполнением очередей [5; 6]. Выделяют два вида очереди: линейная и кольцевая. Распространенной формой очереди является кольцевой или циклический буфер. В кольцевой очереди, в отличие от линейной, после записи данных в последнюю ячейку следующей ячейкой для записи становится первая ячейка очереди. Аналогично за чтением данных из последней ячейки следует чтение из первой ячейки очереди. Такая организация очереди, в отличие от обычного линейного буфера, позволяет использовать ячейки в начале очереди, освободившиеся после чтения данных, для продолжения процесса записи после занесения данных в последнюю ячейку очереди. Однако в этом случае при формировании условий для состояний отсутствия данных и полного заполнения очереди приходится уменьшать на единицу число используемых ячеек очереди.

В зависимости от того, какую ячейку памяти (ЯП) в режиме хранения выделяют счетчик записи (СЗ) (первую свободную или последнюю занятую) и счетчик чтения (СЧ) (первую занятую или последнюю свободную), возможны четыре варианта организации кольцевой очереди на основе блока памяти. Эти варианты представлены в таблице 1, где N – число ЯП в очереди, «%» – символ операции вычисления остатка от деления, Аmin – минимальное, Аmax – максимальное значение СЗ и СЧ.

Следует заметить, что