РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Федеральное государственное бюджетное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт математики, естественных наук и
информационных технологий
Кафедра информационных систем
АРХИТЕКТУРА ЭВМ И СИСТЕМ
Учебно-методический комплекс
для студентов специальности 230201.65 - Информационные системы и технологии, очной формы обучения
Издательство Тюменского государственного университета
2011
АРХИТЕКТУРА ЭВМ И СИСТЕМ. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов очной формы обучения специальности 230201.65 - Информационные системы и технологии. Тюмень, 2011. – 17с.
Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте ТюмГУ: Архитектура ЭВМ и систем [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www. umk. *****., свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой информационных систем. Утверждено проректором по учебной работе Тюменского государственного университета.
Ответственный редактор: заведующий кафедрой информационных систем Ивашко А. Г., д. т.н., профессор.
© Тюменский государственный университет, 2011.
© , 2011.
1. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
1.1 Цели и задачи дисциплины
Целью данной дисциплины является изучение теоретических принципов построения вычислительных машин и систем, функциональной и структурной организации ЭВМ, характеристик основных компонент вычислительных машин, организации взаимодействия аппаратных и программных средств.
1.2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
Выписка из ГОС ВПО:
ОПД. Ф.10 | Архитектура ЭВМ и систем Основные характеристики, области применения ЭВМ различных классов; функциональная и структурная организация процессора; организация памяти ЭВМ; основные стадии выполнения команды; организация прерываний в ЭВМ; организация ввода-вывода; периферийные устройства; архитектурные особенности организации ЭВМ различных классов; параллельные системы; понятие о многомашинных и многопроцессорных вычислительных системах; матричные и ассоциативные вычислительные сети; конвейерные и потоковые вычислительные сети; сети ЭВМ; информационно-вычислительные системы и сети. | 102 |
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
знать:
- принципы организации и функционирования вычислительных машин и систем;
- характеристики, возможности и области применения ЭВМ различных классов;
- принципы организации процессоров и памяти ЭВМ,
- механизмы обработки прерываний,
- интерфейсы ЭВМ с внешними устройствами,
- принципы построения мультипроцессорных и многомашинных вычислительных систем, комплексов и сетей ЭВМ.
уметь:
- создавать программный код на машинно-ориентированном языке;
- проводить анализ элементной базы вычислительной системы;
- выполнять оценку производительности ЭВМ.
владеть:
- программными средствами анализа и настройки технического обеспечения ЭВМ;
- технологиями создания программного кода на языках низкого уровня.
2. СТРУКТУРА И ТРУДОЕМКОСТЬ ДИСЦИПЛИНЫ
Таблица 1.
Для студентов года поступления
Вид учебной работы | Семестры |
4 | |
Аудиторные занятия (всего) | 68 |
В том числе: | - |
Лекции | 34 |
Практические занятия (ПЗ) | 34 |
Семинары (С) | - |
Лабораторные работы (ЛР) | - |
Самостоятельная работа (всего) | 34 |
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен) | Экзамен, зачет |
Общая трудоемкость (час.) | 102 |
Таблица 2.
Для студентов 2009 года поступления
Вид учебной работы | Семестры |
3 | |
Аудиторные занятия (всего) | 54 |
В том числе: | - |
Лекции | 36 |
Практические занятия (ПЗ) | 18 |
Семинары (С) | - |
Лабораторные работы (ЛР) | - |
Самостоятельная работа (всего) | 48 |
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен) | Экзамен, зачет, курсовая работа |
Общая трудоемкость (час.) | 102 |
3. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН.
Таблица 3.
Тематический план для студентов года поступления
№ | Тема | недели семестра | Виды учебной работы и самостоятельная работа, в час. | Итого часов по теме | Итого количество баллов | ||
Лекции | Семинарские (практические) занятия | Самостоятельная работа | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 6 | 7 | 9 | 10 |
Модуль 1 | |||||||
1.1 | Классификация ВМ и ВС. Основные характеристики, область применения ЭВМ различных классов | 1 | 2 | 4 | 2 | 8 | 0-10 |
1.2 | Организация, компоненты и архитектура персонального компьютера. | 2-3 | 4 | 2 | 4 | 10 | 0-20 |
Всего по модулю 1 | 6 | 6 | 6 | 18 | 0-30 | ||
Модуль 2 | |||||||
2.1 | Процессоры ВМ и программирование низкого уровня | 4-8 | 10 | 14 | 10 | 34 | 0-20 |
2.2 | Принципы организации памяти вычислительных машин и систем. | 9-10 | 4 | 8 | 4 | 16 | 0-10 |
Всего по модулю 2 | 14 | 22 | 14 | 50 | 0-30 | ||
Модуль 3 | |||||||
3.1 | Организация ввода/вывода и периферийные устройства. | 11 | 2 | 4 | 2 | 8 | 0-20 |
3.2 | Классификация и архитектура многомашинных и многопроцессорных систем. | 12-13 | 4 | - | 4 | 8 | 0-5 |
3.3 | Информационно-вычислительные системы и сети | 14-17 | 8 | 2 | 8 | 18 | 0-15 |
Всего по модулю 3 | 14 | 8 | 14 | 36 | 0-40 | ||
Всего | 34 | 34 | 34 | 102 | 0-100 |
Таблица 4.
Тематический план для студентов 2009 года поступления
№ | Тема | недели семестра | Виды учебной работы и самостоятельная работа, в час. | Итого часов по теме | Итого количество баллов | ||
Лекции | Семинарские (практические) занятия | Самостоятельная работа | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 6 | 7 | 9 | 10 |
Модуль 1 | |||||||
1.1 | Классификация ВМ и ВС. Основные характеристики, область применения ЭВМ различных классов | 1 | 2 | 4 | 4 | 10 | 0-10 |
1.2 | Организация, компоненты и архитектура персонального компьютера. | 2-3 | 4 | 2 | 4 | 10 | 0-20 |
Всего по модулю 1 | 6 | 6 | 8 | 20 | 0-30 | ||
Модуль 2 | |||||||
2.1 | Процессоры ВМ и программирование низкого уровня | 4-8 | 10 | 4 | 14 | 28 | 0-20 |
2.2 | Принципы организации памяти вычислительных машин и систем. | 9-10 | 4 | 4 | 6 | 14 | 0-10 |
Всего по модулю 2 | 14 | 8 | 20 | 42 | 0-30 | ||
Модуль 3 | |||||||
3.1 | Организация ввода/вывода и периферийные устройства. | 11-12 | 4 | 4 | 4 | 12 | 0-20 |
3.2 | Классификация и архитектура многомашинных и многопроцессорных систем. | 13-14 | 4 | - | 8 | 12 | 0-5 |
3.3 | Информационно-вычислительные системы и сети | 15-18 | 8 | - | 8 | 16 | 0-15 |
Всего по модулю 3 | 16 | 4 | 20 | 40 | 0-40 | ||
Всего | 36 | 18 | 48 | 102 | 0-100 |
Таблица 5.
Планирование самостоятельной работы студентов года поступления
№ | Модули и темы | Виды СРС | Неделя семестра | Объем часов | Кол-во баллов | |
обязательные | дополнитель-ные | |||||
Модуль 1 | ||||||
1.1 | Классификация ВМ и ВС. Основные характеристики, область применения ЭВМ различных классов | Проработка лекций; чтение обязательной и дополнительной литературы | 1 | 2 | 0-10 | |
1.2 | Организация, компоненты и архитектура персонального компьютера. | 2-3 | 4 | 0-20 | ||
Всего по модулю 1: | 6 | 0-30 | ||||
Модуль 2 | ||||||
2.1 | Процессоры ВМ и программирование низкого уровня | Проработка лекций; чтение обязательной и дополнительной литературы | 4-8 | 10 | 0-20 | |
2.2 | Принципы организации памяти вычислительных машин и систем. | 9-10 | 4 | 0-10 | ||
Всего по модулю 2: | 14 | 0-30 | ||||
Модуль 3 | ||||||
3.1 | Организация ввода/вывода и периферийные устройства. | Проработка лекций; чтение обязательной и дополнительной литературы | 11 | 2 | 0-20 | |
3.2 | Классификация и архитектура многомашинных и многопроцессорных систем. | 12-13 | 4 | 0-5 | ||
3.3 | Информационно-вычислительные системы и сети | 14-17 | 8 | 0-15 | ||
Всего по модулю 3: | 14 | 0-40 | ||||
ИТОГО: | 34 | 0-100 |
Таблица 6.
Планирование самостоятельной работы студентов 2009 года поступления
№ | Модули и темы | Виды СРС | Неделя семестра | Объем часов | Кол-во баллов | |
обязательные | дополнитель-ные | |||||
Модуль 1 | ||||||
1.1 | Классификация ВМ и ВС. Основные характеристики, область применения ЭВМ различных классов | Проработка лекций; чтение обязательной и дополнительной литературы | 1 | 4 | 0-10 | |
1.2 | Организация, компоненты и архитектура персонального компьютера. | 2-3 | 4 | 0-20 | ||
Всего по модулю 1: | 8 | 0-30 | ||||
Модуль 2 | ||||||
2.1 | Процессоры ВМ и программирование низкого уровня | Проработка лекций; чтение обязательной и дополнительной литературы | 4-8 | 14 | 0-20 | |
2.2 | Принципы организации памяти вычислительных машин и систем. | 9-10 | 6 | 0-10 | ||
Всего по модулю 2: | 20 | 0-30 | ||||
Модуль 3 | ||||||
3.1 | Организация ввода/вывода и периферийные устройства. | Проработка лекций; чтение обязательной и дополнительной литературы | 11-12 | 4 | 0-20 | |
3.2 | Классификация и архитектура многомашинных и многопроцессорных систем. | 13-14 | 8 | 0-5 | ||
3.3 | Информационно-вычислительные системы и сети | 15-18 | 8 | 0-15 | ||
Всего по модулю 3: | 20 | 0-40 | ||||
ИТОГО: | 48 | 0-100 |
4. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Тема 1.1. Классификация ВМ и ВС. Основные характеристики, область применения ЭВМ различных классов.
Определение вычислительной машины и системы. Эволюция вычислительной техники. Классификация ВМ по размеру и вычислительной мощности, характеристики и области применения ЭВМ различных классов. Методы и единицы измерения производительности вычислительных машин и систем. Многоуровневое понятие архитектуры ВМ; архитектура фон Неймана; гарвардская архитектура.
Тема 1.2. Организация, компоненты и архитектура персонального компьютера.
Обобщенная структура ПК. Системный блок ПК. Характеристики компьютера, определяемые форм-фактором системного блока и системной платой ПК. Шинно-мостовая и хабовая архитектура системной платы. Чипсет. Синхронизация и потоки данных. Шины и интерфейсы ПК. Конфигурирование и настройка системы. BIOS.
Тема 2.1. Процессоры ВМ и программирование низкого уровня
Процессоры и микропроцессоры ВМ. Понятие процесса (по фон Нейману), стадии выполнения команды. Архитектура системы команд – CISC, RISC, VLIW. Функциональная и структурная организация процессора. Устройство управления. Арифметико-логическое устройство. Организация прерываний в ЭВМ. Реализация прерываний на аппаратном и программном уровне. Регистры процессора. Основные компоненты языка ассемблер – команды, директивы и модификаторы. Вызов API-функций. Примеры программ. Технологии организации современных микропроцессоров. Характеристики микропроцессоров ПК. Конвейер команд и конфликты в нем. Суперконвейерные и суперскалярные процессоры. Микроархитектура NetBurst, Intel Core. Мультимедийные расширения процессоров Intel.
Тема 2.2. Принципы организации памяти вычислительных машин и систем
Организация памяти ЭВМ. Основные стадии выполнения команды. Многоуровневая структура памяти. Адресная, ассоциативная и стековая организации памяти. КЭШ - память. ОЗУ статического и динамического типа. ПЗУ. Внешне хранилища информации. Физическая и логическая структура информации на жестких магнитных дисках персональных компьютеров. Повышение производительности дисковой памяти, RAID-массивы. Оптические накопители (CD, DVD, Blu-Ray Disc). Твердотельные устройства хранения.
Тема 3.1. Организация ввода-вывода и периферийные устройства
Архитектура и организация подсистемы ввода/вывода. Архитектурные особенности организации ЭВМ различных классов. Взаимодействие пользовательской программы и устройства. Драйверы. Видеосистема компьютера. Архитектура GPU. Использование графического процессора для неграфических вычислений – технология nVidia CUDA. Периферийные устройства. Интерфейсы мониторов и видеосистем. Устройства ввода/вывода – клавиатура, мышь, сканеры и принтеры.
Тема 3.2. Классификация и архитектура параллельных вычислительных систем
Параллельные системы. Понятие о многомашинных и многопроцессорных вычислительных системах. Классификация Флинна. Классификация систем по способу организации памяти. Архитектурные особенности организации систем SMP, MPP и NUMA. Матричные и ассоциативные вычислительные сети. Конвейерные и потоковые вычислительные сети.
Тема 3.3. Информационно-вычислительные системы и сети.
Информационно-вычислительные системы и сети. Общие принципы организации сетевого взаимодействия, эталонная модель ISO OSI. Стек TCP/IP. Сети ЭВМ. Их классификация. Технологии передачи данных через сеть. Сокеты.
5. ТЕМАТИКА ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ.
Практическое занятие 1 по теме 1.1. Классификация ВМ и ВС. Основные характеристики, область применения ЭВМ различных классов.
Методы оценки производительности персонального компьютера.
Объект изучения: производительность ПК; исследование: измерение производительности ПК в эталонных единицах и создание собственной тестовой программы для оценки производительности ВМ при математических вычислениях; инструментарий: компьютеры с установленным ПО – SiSoftware Sandra Lite, среда разработки Borland или Embarcadero Delphi.
Методические указания по выполнению работы.
Для нескольких компьютеров (не менее 3-х, использовать не только результаты, полученные в классе, но и для сравнения провести анализ домашнего компьютера) получить оценку производительности процессора на основе арифметических тестов в эталонных величинах при помощи SiSoftware Sandra (предоставить значения в MIPS и MFLOPS).
Написать программу для вычисления числа Пи по алгоритму Лейбница, подбирая параметры вычислений (варьируя число итераций) таким образом, чтобы время вычисления составило в пределах от 3 до 15 секунд. На экранной форме выводить не только результат расчетов, но и время работы программы. Получить оценку времени вычислений числа Пи на тех же компьютерах, на которых оценивали производительность в эталонных величинах. Записать это время.
В отчет кроме кода разработанной программы включить:
1) Результаты тестов в виде таблицы:
MIPS | MFLOPS | Т, сек | |
Компьютер 1 | |||
Компьютер 2 | |||
… |
2) Таблица нормализованных результатов и построенную по ним диаграмму.
Практическое занятие 2. по теме 1.2. Организация, компоненты и архитектура персонального компьютера.
Объект изучения: аппаратная часть персонального компьютера; исследование: анализ компонентного состава ПК; инструментарий: программные продукты SiSoftware Sandra Lite или аналоги.
Методические указания по выполнению работы.
Для тех же компьютеров, на которых выполнялись задания предыдущей лабораторной работы, необходимо с помощью SiSoftware Sandra получить отчет по аппаратной составляющей ПК.
Отчет можно получить, выбрав во вкладке «Инструменты» команду «Создание отчета». В отчет включить модули «Информация о системе», «Материнская плата», «Процессоры», «Системные ресурсы».
Сопоставить результаты арифметических тестов систем из предыдущей работы с характеристиками компонент ПК.
В отчет по работе включить и текст отчетов SiSoftware Sandra Lite и итоговый анализ результатов.
Практическое занятие 3 по теме 2.1. Процессоры ВМ и программирование низкого уровня
Объект изучения: архитектура вычислительной машины и архитектура системы команд; исследование: изучение основных приемов программирования на машинно-ориентированном языке; инструментарий: программная модель учебной ЭВМ.
Методические указания по выполнению работы.
Студентам года поступления:
Практические задания темы выполнять в соответствии с описанием работ №1-5 лабораторного практикума в [2].
Студентам 2009 года поступления:
Практические задания темы выполнять в соответствии с описанием работы №1 лабораторного практикума в [2].
Практическое занятие 4. по теме 2.2. Принципы организации памяти вычислительных машин и систем.
Объект изучения: кэш-память вычислительной машины; исследование: изучение принципов работы кэш-памяти; инструментарий: программная модель учебной ЭВМ.
Методические указания по выполнению работы.
Студентам года поступления:
Практические задания темы выполнять в соответствии с описанием работ №7,8 лабораторного практикума в [2].
Студентам 2009 года поступления:
Практические задания темы выполнять в соответствии с описанием работы №7 лабораторного практикума в [2].
Практическое занятие 5 по теме 3.1. Организация ввода/вывода и периферийные устройства.
Объект изучения: взаимодействие процессора и периферии; исследование: низкоуровневое программирование внешних устройств; инструментарий: программная модель учебной ЭВМ.
Методические указания по выполнению работы.
Практические задания темы выполнять в соответствии с описанием работ №6 лабораторного практикума в [2].
Практическое занятие 6. по теме 3.3. Информационно-вычислительные системы и сети.
Объект изучения: Передача данных с использованием сокетов; исследование: изучение методов передачи сообщений посредством сокетов; инструментарий: инструментальная среда Embarcadero или Borland Delphi.
Методические указания по выполнению работы.
В данной работе необходимо создать два приложения – одно (сервер) будет отправлять файл, второе (клиент) будет его получать.
Требования к серверу: разместить на форме компоненты TServerSocket, TButton, TEdit, TProgressBar. TServerSocket настраивается на соединение по порту 1001. TEdit используется для ввода пути к файлу для передачи, кнопка TButton, используется для запуска передачи файла.
Требования к клиенту: разместить на форме компоненты TClientSocket, две метки TLabel, TProgressBar. Установить у компонента TClientSocket, порт 1001 (как у сервера), а переменную адрес – 127.0.0.1 (для запуска обоих приложений на одном компьютере). В одном компоненте TLabel должно выводиться имя фала, в другой – размер полученного файла.
6. ПРИМЕРНАЯ ТЕМАТИКА КУРСОВЫХ РАБОТ (для студентов 2009 года поступления)
1. Технологии облачных вычислений.
2. Оптимизация программного кода для многоядерных процессоров Intel.
3. Оптимизация программного кода для многоядерных процессоров AMD.
4. Использование ассемблер в языках высокого уровня.
5. Вычисления с использованием GPU. Технологии NVIDIA CUDA.
6. Использование сокетов для реализации в сети службы мгновенного обмена сообщениями.
7. Инструменты для анализа аппаратной части персонального компьютера.
8. Технологии и инструменты анализа производительности ЭВМ.
9. Инструменты повышения производительности ПК.
10. Средства MS Windows для удаленного администрирования ПК.
11. Программные средства для удаленного администрирования (управления) ПК.
12. Технологии виртуализации Oracle.
13. Технологии виртуализации VMware.
14. Технологии виртуализации Microsoft.
15. Программные средства для анализа состояния жестких дисков ПК.
Методические указания по выполнению работы.
Отчет по курсовой работе должен состоять из введения, реферативной части, описания контрольного примера и заключение. Введение должно дать общую оценку актуальности темы работы, содержать цели и задачи работы.
Реферативная часть должна раскрывать тему курсовой работы. При подготовке допустимо использовать интернет-ресурсы, периодические издания и прочие открытые источники информации.
Вторая часть должна содержать постановку задачи и описание реализации примера, иллюстрирующего использование технологий, описанных в реферативной части. Описание должно сопровождаться скриншотами работающих программ или листингом
кода, если задача связана с программированием. Заключение должно представлять собой агрегированные итоги работы. Общий объем курсовой работы – не менее 30 страниц. Описание контрольного примера – не менее 10 страниц.
7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ (МОДУЛЯ).
Учебно-методическое обеспечение выполнения обучающимися самостоятельных заданий лабораторного практикума включает:
- рабочую программу по дисциплине;
- методические указания к выполнению каждого задания (выдаются обучающимся в электронном виде).
Контрольные вопросы для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации:
16. Понятие вычислительной машины и системы.
17. Классификация ВМ и ВС по этапам создания.
18. Классификация ВМ и ВС по размеру и вычислительной мощности.
19. Архитектура фон Неймана.
20. Стандарты и характеристики системных плат ПК.
21. Шины и интерфейсы персонального компьютера.
22. Беспроводные технологии передачи данных.
23. Конфигурация ПК на основе шины PCI.
24. Топология систем на основе интерфейсов PCI-E.
25. Микропроцессор. Архитектура системы команд МП.
26. Функциональная организация процессора.
27. Структурная организация процессора.
28. Архитектура системы прерываний.
29. Программные и аппаратные прерывания.
30. Основные команды ассемблера.
31. Основные директивы ассемблера.
32. Концепция конвейерной обработки.
33. Конфликты в конвейере команд и способы борьбы с ними.
34. Архитектура суперскалярного процессора.
35. Микроархитектура процессора на примере технологий NetBurst, Intel Core.
36. Многоуровневая структура памяти.
37. Принципы хранения данных в статической и динамической ОЗУ.
38. Характеристики памяти SDRAM.
39. Модули ОЗУ.
40. RAID-массивы.
41. Организация виртуальной памяти.
42. Архитектура подсистемы ввода/вывода.
43. Интерфейсы мониторов и видеосистем.
44. Три уровня параллелизма.
45. Классификация ВС по Флинну.
46. Вычислительные системы классов SMP, MPP и NUMA.
47. Векторные вычисления и векторные процессоры.
48. Матричные и ассоциативные процессоры.
49. Классификации вычислительных сетей.
50. Эталонная модель взаимодействия открытых систем.
51. Стек TCP/IP.
8. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ (МОДУЛЯ).
7.1. Основная литература:
1. , Ильина системы, сети и телекоммуникации. 3-е изд. – СПб.: Питер, 2008 – 766 с.: ил.
2. Жмакин ЭВМ: учеб. пособие - СПб: БХВ-Петербург, 2008.
7.2 Дополнительная литература:
1. , Орлов ЭВМ и систем: Учебник для вузов. – СПб.: Питер, 2007. – 668 с.: ил.
7.3 Интернет-ресурсы:
1. Интернет-университет информационных технологий. Архитектура и организация ЭВМ [электр. ресурс] http://www. *****/department/hardware/archhard2
2. Интернет-университет информационных технологий. Организация вычислительных систем [электр. ресурс] http://www. *****/department/hardware/csorg
9. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА И МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ (МОДУЛЯ).
Компьютерный класс с установленным программным обеспечением: SiSoftware Sandra Lite, Borland или Embarcadero Delphi, программная модель учебной ЭВМ.
