МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Томский государственный университет
Факультет прикладной математики и кибернетики
УТВЕРЖДАЮ
Декан факультета прикладной математики и кибернетики, профессор
_________
"1 "марта 2011 г.
Рабочая программа дисциплины
«Архитектура компьютеров»
Направление подготовки: 010400 – Прикладная математика и информатика
Квалификация выпускника: Бакалавр
Форма обучения: очная
Томск
2011 г.
1. Цели освоения дисциплины:
Целью дисциплины является ознакомление студентов с основами архитектуры компьютеров и микросистем, ее историей и развитием, арифметическими основами ЭВМ и теорией разработки автоматов.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Обязательная дисциплина для студентов 2 года обучения, читается в 3 семестре (базовая часть математического и естественнонаучного цикла Б.2).
Для успешного освоения дисциплины студент должен иметь предварительную подготовку по дисциплинам: дискретная математика, основы информатики.
Данная дисциплина необходима для изучения следующих дисциплин: вычислительные сети, основы распределенных вычислений.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
Способность владения навыками работы с компьютером как средством управления информацией (ОК-11); способность работать с информацией в глобальных компьютерных сетях (ОК-12); способность использовать в научной и познавательной деятельности, а также в социальной сфере профессиональные навыки работы с информационными и компьютерными технологиями (ОК-14); способность работы с информацией из различных источников, включая сетевые ресурсы сети Интернет, для решения профессиональных и социальных задач (ОК-15).
Способность приобретать новые научные и профессиональные знания, используя современные образовательные и информационные технологии (ПК-2); способность понимать и применять в исследовательской и прикладной деятельности современный математический аппарат (ПК-3); способность осуществлять целенаправленный поиск информации о новейших научных и технологических достижениях в сети Интернет и из других источников (ПК-6); способность решать задачи производственной и технологической деятельности на профессиональном уровне, включая: разработку алгоритмических и программных решений в области системного и прикладного программирования (ПК-9); способность применять в профессиональной деятельности современные языки программирования и языки баз данных, операционные системы, электронные библиотеки и пакеты программ, сетевые технологии (ПК-10).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
• Знать: основы организации компьютеров, основы микропрограммного управления, базовую структуру микропроцессорной системы.
• Уметь: строить микропрограммы управляющего и операционного автоматов.
• Владеть: базовой архитектурой микропроцессорной системы.
4. Структура и содержание дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2,4 зачетные единицы (87 часов).
4.1. Распределение часов курса по темам и видам работ
№№ п/п | Раздел дисциплины | Семестр | Неделя семестра | Виды учебной работы (в часах) | Формы текущего контроля успеваемости Форма промежуточной аттестации | |
Лекции | Самостоятельная работа | |||||
1. | История развития вычислительной техники | 3 | 1-2 | 4 | 2 | Тест |
2. | Функциональная организация ЭВМ | 3 | 3-5 | 5 | 2 | Тест |
3. | Операционный и управляющий автомат | 3 | 5-7 | 5 | 2 | Тест |
4. | Организация памяти ЭВМ | 3 | 8-10 | 4 | 2 | Тест, |
5. | Базовая архитектура микропроцессорной системы | 3 | 10-14 | 8 | 4 | Тест |
6. | Эволюция архитектуры микропроцессоров и микроЭВМ | 3 | 15-17 | 6 | 3 | Зачет |
Итого | 32 | 40 | 15 |
4.2. Перечень разделов курса
1. История развития вычислительной техники. История возникновения ЭВМ. Принципы аналитической машины Беббиджа. Цифровые и аналоговые машины. Поколения ЭВМ. Иерархия ЭВМ. Классическая архитектура ЭВМ. Принцип программного управления.
2. Функциональная организация ЭВМ. Командный цикл процессора. Команда. Программа. Командный цикл. Программный счетчик. Последовательность действий при командном цикле. Система команд процессора: свойства функциональной полноты и эффективности.
3. Операционный и управляющий автоматы. Принцип микропрограммного управления. Концепция операционного и управляющего автомата. Их функции. Операционный автомат. Исходные структуры. Процесс разработки операционного автомата. Управляющий автомат: Управляющий автомат с «жесткой» логикой (процесс разработки, правила разметки микропрограммы). Управляющий автомат с программируемой логикой (принципы организации, адресация микрокоманд, 3 способа кодирования микроопераций: горизонтальный, вертикальный, смешанный).
4. Организация памяти ЭВМ. Концепция многоуровневой памяти. Сверхоперативная память: прямой доступ, ассоциативный доступ. Кэш-память. Виртуальная память. Страничная организация памяти. Алгоритмы удаления страницы из памяти. Сегментная организация памяти.
5. Базовая архитектура микропроцессорной системы. Процессорный модуль i8086: основные устройства (УОД, УСМ, УУС). Таблица внешних выводов. Реализация процессорных модулей и состав линий системного интерфейса. Командный и машинный цикл микропроцессора i8086. Машина пользователя и система команд (РОН, регистры-указатели, индексные регистры, сегментные регистры, программный счетчик команд, регистр признаков, адресное пространство, два пространства портов ввода и вывода). Распределение адресного пространства i8086. Система команд i8086. Функционирование основных подсистем МПС i8086. Принцип общей шины. Оперативная память. Ввод-вывод. Параллельный обмен. Последовательный обмен: синхронный метод, асинхронный метод. Прерывания: внутренние и внешние. Функции подсистемы прерываний. Обнаружение изменения состояния внешней среды. Идентификация источника прерываний (радиальный вход, векторный вход). Приоритет запросов. Приоритет программ. Обработка прерывания.
6. Эволюция архитектуры микропроцессоров и микроЭВМ. Защищенный режим и организация памяти. Сегментная и страничная организация памяти. Защита памяти. Уровни привилегий. Защита доступа к данным. Защита памяти на уровне страниц. Мультизадачность. Сегмент состояния задачи. Переключение задачи. Прерывания и особые случаи. Дескриптивная таблица прерываний. Учет уровня привилегий. Код ошибки. Регистры отладки. Конвейеры. Увеличение быстродействия процессора.
4.3. Лабораторный практикум на ЭВМ
Лабораторный практикум не предусмотрен.
4.4. Практические занятия
Практические занятия не предусмотрены.
4.5. Курсовой проект (курсовая работа)
Курсовой проект не предусмотрен.
5. Образовательные технологии
В рамках данного курса предусмотрены активные и интерактивные формы проведения занятий (компьютерные симуляции, деловые и ролевые игры, разбор конкретных ситуаций) Также предусмотрены встречи с представителями российских и зарубежных компаний, государственных и общественных организаций, мастер-классы экспертов и специалистов.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
Все необходимое учебно-методическое обеспечение по дисциплине представлено в печатном или электронном виде в библиотеке ТГУ, а также в электронном виде в сети Интернет на сайте кафедры программирования или ИДО ТГУ.
В качестве текущего контроля успеваемости в конце каждой темы проводиться электронное тестирование по материалам темы. В середине семестра (10 неделя) и в конце семестра (17 неделя) проводятся письменные контрольные работы.
В конце 3 семестра сдается зачет.
6.1. Примерный перечень вопросов к зачету:
1. История развития вычислительной техники. Варианты классификации ЭВМ.
2. Цифровые и аналоговые вычислительные машины. Классическая архитектура ЭВМ.
3. Функциональная организация ЭВМ. Командный цикл процессора.
4. Система команд процессора: форматы команд, способы адресации, система операций.
5. Система счисления. Экономичность.
6. Перевод целых и дробных чисел из одной системы счисления в другую.
7. Прямой код. Сложение и вычитание в прямом коде.
8. Обратный код. Сложение в обратном коде.
9. Дополнительный код. Сложение в дополнительном коде.
10. Алгоритмы умножения.
11. Алгоритмы деления.
12. Числа с плавающей запятой. Действия над ними.
13. Десятичные числа.
14. Числа в остаточных классах. Операции над ними.
15. Принцип микропрограммного управления. Операционный автомат.
16. Управляющие автоматы с жесткой и программируемой логикой.
17. Организация памяти в ЭВМ. Концепция многоуровневой памяти.
18. Сверхоперативная память.
19. Виртуальная память.
20. Процессорный модуль.
21. Пользовательские регистры и система команд.
22. Принцип общей шины, оперативная память.
23. Ввод-вывод, параллельный и последовательный обмен.
24. Прерывания.
25. Сегментная организация памяти.
26. Страничная организация памяти.
27. Защита памяти.
28. Мультизадачность.
29. Особые случаи.
30. Средства отладки.
31. Увеличение быстродействия. Конвейеры.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) Основная литература:
1. А. Жмакин. Архитектура ЭВМ. Учебное пособие. - М., 2006.
2. . Архитектура вычислительных систем, М. Наука, 1990.
3. . Электронные вычислительные машины и системы. М., 1989.
4. , . Информатика и ЭВМ. Киев: Техника, 1987.
5. , Пономарев в эксперименте, архитектура и программные средства система автоматизации. М.: Наука, 1988.
6. В. Чепурной. Устройства хранения информации. СПб.:ВЬГ/-С-Петербург, 1998.
7. . CASE. Структурный системный анализ (автоматизация и применение). М.: Лори, 1996.
б) Дополнительная литература:
1. , . Телекоммуникационные технологии и сети. - М., 2000.
2. У. Питерсон, Э. Уэлдон. Коды, исправляющие ошибки. - М., 19
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
8.1. Требования к аудиториям (помещениям, местам) для проведения занятий
Стандартно оборудованные лекционные аудитории. Для проведения лабораторных занятий – компьютерные классы. А также аудитории для проведения интерактивных лекций: видеопроектор, экран настенный, др. оборудование.
8.2. Требования к специализированному оборудованию
Рабочие места преподавателя и студентов должны быть оснащены оборудованием не ниже: Pentium |||-800/ОЗУ-256 Мб / Video-32 Мб / HDD 80 Гб / СD-ROM – 48x / Network adapter – 10/100/ Мбс / SVGA – 15”.
8.3. Требования к специализированному программному обеспечению
При использовании электронных учебных пособий каждый обучающийся во время занятий и самостоятельной подготовки должен быть обеспечен рабочим местом в компьютерном классе с выходом в Интернет и корпоративную сеть факультета. Лаборатории (компьютерные классы) должны быть обеспечены необходимым комплектом лицензионного программного обеспечения.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению подготовки 010400 – Прикладная математика и информатика
Автор: к. т.н., доцент .
Рецензент: д. т.н., профессор .
Программа одобрена на заседании Ученого совета ФПМК
от «24» февраля 2011 г., протокол
