Рабочая программа по курсу: "Структурная и функциональная организация ЭВМ"

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования

"БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ"

«У Т В Е Р Ж Д А Ю»

Декан факультета заочного,

вечернего и дистанционного обучения

_________________

"____"______________2004 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

по курсу: "Структурная и функциональная организация ЭВМ"

(название дисциплины)

для специальности: 40"Вычислительные машины, системы и

сети"

 

факультет: заочного, вечернего и дистанционного обучения (для заочной формы)

кафедра: электронных вычислительных машин

курс: 4,5 семестр: 7,8,9 Зачет: 7 семестр

лекции: 6,6 часов Экзамен: 8 семестр

практические занятия: 2,2,2 часов

лабораторные занятия: 8,8 часов

самостоятельная работа 130 часов

контрольная работа: 7,8 семестр

курсовой проект: 9 семестр

всего под руководством преподавателя 34 часа

всего: 164 часов

Минск 2004

Рабочая программа учебного курса «Структурная и функциональная организация ЭВМ» составлена доцентом кафедры ЭВМ на основе базовых учеб-

ных программ по дисциплинам «Вычислительные машины, системы и сети»

и «Корпоративные вычислительные сети», утвержденных председателем УМО

вузов Республики Беларусь по образованию в области электроники и информати-

ки 03.06.2003. Регистрационный № ТД-40-024/тип.

программы, дата утверждения, регистрационный номер)

Рассмотрена рекомендована к утверждению на заседании

кафедры: электронных вычислительных машин

(название кафедры)

Приказ № 43 от

"28"____06_______2004 г.

Заведующий кафедрой ЭВМ

 

Одобрена и рекомендована к утверждению Научно-методическим советом (методической комиссией): факультета КС и С

"30"____06______ 2004 г.

Председатель комиссии

 

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ. ЕЕ МЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

 

Основная цель курса - изучение принципов построения узлов и блоков ЭВМ, принципов проектирования вычислительных устройств и мик­ропроцессорных схем. Изучение характера влияния уровня развития элементной базы на архитектуру компьютера.

В результате изучения курса студент должен уметь: правильно вы­бирать алгоритмы решения задач и исследовать эффективность их реали­зации в проектируемой ЭВМ; разрабатывать структуры вычислительных ус­тройств, отдельные узлы и блоки; оптимизировать структуру компьютера с учетом переходных процессов в отдельных подсистемах; выполнять эму­ляцию узлов ЭВМ в микропроцессорной среде; иметь навыки микропрограм­мирования и программирования пользовательских задач с учетом заданно­го комплекта микропроцессорных БИС.

Курс базируется на сведениях, излагаемых в дисциплинах: "Арифметические и логические основы вычислительной техники», «Прикладная теория цифровых автоматов" и "Схемотехника ЭВМ".

Курс используется при изучении дисциплин специализации Т40 02 01, в курсовом и дипломном проек­тировании.

2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

 

Весенний семестр

 

Наименование тем, их содержание и объем в часах лекционных за­нятий (в скобках указывается рекомендуемая литература по данному вопросу, курсивом выделены, темы рассматриваемые на лекциях).

2.1. Введение. Принцип действия ЭВМ. Неймановские принципы построения компьютеров. Принстонская и Гарвардская архитектуры компьютеров. Современное состояние развития архитектур процессоров. Обобщенная структура машины. (Л:[5.1.6] стр.5-7) …………………………………………………………………………………… 1 час.

2.2. Память ЭВМ

 

2.2.1. Иерархия памятей ЭВМ. Организация ЗУ с произвольным доступом. Организация ЗУ с двумерной адресацией и двунаправленной шиной данных (ЛЛ: [5.1.6] и [5.1.1] стр. 212) ……………………………………………………………………. самостоятельно

2.2.2. Постоянное запоминающее устройство. Компановка ОЗУ из модулей памяти. Включение ПЗУ в адресное пространство ОЗУ ЭВМ. Перек­лючаемые банки памяти (Л:[5.1.5] стр.10). ………………….……………………………………………………………. самостоятельно

2.2.3. Динамическое ЗУ. Схема регенерации ЗУ по прерыванию. Схема регенерации ЗУ с двухтактной записью адреса. (Л:[5.1.5] стр.15)………………………………. самостоятельно

2.2.4. Стековое запоминающее устройство. Аппаратная реализация стековой памяти. Ассоциативное ЗУ (АЗУ). Структурная схема, фун­кционирование и область применения (Л:[5.1.5] стр.24)………………..……………………………………. самостоятельно

2.3. Проектирование процессоров (Л:[5.1.8] стр.1-82)

 

2.3.1. Процессоры с фиксированной архитектурой. Синтез канонической структуры операционного автомата (ОА)…………………………………………………. 1 час

2.3.2. Типовые элементы структуры ОА….………………………. самостоятельно

2.3.3. Синтез ОА с управляющей логикой....…………………….. самостоятельно

2.3.4. Синтез ОА М-типа.……………………………………………. самостоятельно

2.3.5. Структурная организ. и синтез ОА I-типа …………………… самостоятельно

2.3.6. Структурная организация и синтез IМ-автоматов. Использование ЗУ в памяти автомата. Класс S-автоматов ………………………………………………. самостоятельно

2.3.7. Секционированные микропроцессоры. Микропроцессорная секция К1804ВС1

……………………………………………………………………………………………. 2 часа

2.3.8. Особенности построения операционных устройств на базе МПК серии К1804 (Л: [5.2.4] стр.37).

2.3.9. Микропрограммирование. Горизонтальный, вертикальный и смешанный способы кодирования микроопераций. ………..…………………………………………. 2 часа

2.3.9. Очередь команд. Особенности конвееризации команд [5.2.10.стр.515-546] ………….……………………………………………………………..……… самостоятельно

2.4. Устройства управления ЭВМ

 

2.4.1. Управляющие автоматы с жесткой логикой (Л:[5.1.7] стр.117). …………….

……………………..………………………………………………………... самостоятельно

2.4.2. Управляющие автоматы с программируемой логикой. Принудительная адресация в автомате Уилкса (Л:[5.1.7] стр.117) ……………………………… самостоятельно

2.4.3. Естественная адресация микрокоманд. Функциональная схема управляющего автомата с естественной адресацией (Л:[5.1.6] стр.115)…………………. самостоятельно

2.4.4. Микроминиатюрная реализация устройств управления. Секция управления адресом микрокоманды К1804ВУ1 (Л:[5.1.4] стр.108)…………………... самостоятельно

2.4.5. Блок микропрограммного управления. Организация условных и безусловных переходов в микропрограммах (Л:[5.1.4] стр.136)……………………….. самостоятельно

2.4.6. Реализация автоматов на БИС программируемой логики…... самостоятельно

2.5. Организация ввода-вывода)

 

2.5.1. Устройства ввода-вывода. Подключение портов к общей шине. Временные диаграммы сигналов при обмене данными через порт ввода-вывода (Л: [5.1.3] стр.3). ………………………………………………………………………………... самостоятельно

2.5.2. Структурная организация порта ввода-вывода. Координация взаимодействия ЭВМ с периферийным устройством. Схема обмена дан­ными между компьютером и внешним устройством (Л:[5.1.3] стр.10)./……………………………………………………….. самостоятельно

2.5.3. Ввод-вывод по прерыванию. Векторная система обработки прерываний: а) с идентификацией устройств при помощи адресов; б) с шифратором приоритетов; в) с преобразователем начального адреса. Схе­ма обмена информацией при обработке прерываний (Л:[5.1.3] стр.16)…………………………………………………………………………….. самостоятельно

2.5.4. Структура аппаратных средств и временные диаграммы машинных циклов при вводе-выводе данных [5.2.10.стр.115-117] ………………………….. самостоятельно

2.5.5. Последовательный ввод-вывод. Синхронный и асинхронный обмен информацией (Л:[5.1.3] стр.21)……….………………………………………….. самостоятельно

2.5.6. Организация ПДП. Подключение клавиатуры и индикации к портам ввода-вывода (Л:[5.1.3] стр.25) ……….………………………………………….. самостоятельно

Лабораторные работы

 

2.6. Изучение пакета проектирования цифровых устройств «Альтера HDL. Max2+plus» (л. р.) (Л:[5.2.8])…………………………………………………………...4 часа

2.7. Программные средства пакета (л. р.) (Л:[5.2.8]). …………………………..4 часа

Практические занятия

2.8. Структурная организация компьютерных подсистем (Л:[5.1.4]) ……… 2 часа

Контрольные работы

2.9. Контрольная работа N1. «Синтез операционного автомата» (Л:[5.1.8]).

Всего под руководством преподавачасов

+ самостоятельно

3. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

 

Осенний семестр

Наименование тем, их содержание и объем в часах лекционных занятий (в скобках указывается рекомендуемая литература по данному вопросу, курсивом выделены, темы рассматриваемые на лекциях).

3.1. Элементы архитектуры компьютерных систем (Л:[5.2.6])

3.1.1. Адресные структуры основной памяти. Команды машины и их размещение в памяти. Слово состояния процессора…………………………….……….. самостоятельно

3.1.2. Способы адресации операндов в памяти. Прямая и непосредственная адресация. Косвенная и косвенная регистровая, регистровая автоинкрементная и автодекрементная, индексная и базово-индексная ад­ресация данных. ……………..самостоятельно

3.1.3. Адресация операндов с использованием программного счетчика. Непосредственная и абсолютная, относительная и косвенная отно­сительная адресация……………………………………………………………………………. самостоятельно

3.1.4. Стековая адресация памяти …………………………………… самостоятельно

3.1.5. Форматы команд и структура аппаратных средств для выполнения команд компьютера……………………………………………………………..…… самостоятельно

3.1.6. Форматы команд ПК………………………………..……………………. 2 часа

3.1.7. Система команд компьютера. Команды арифметических и логических операций. Команды пересылки, передачи управления и обраще­ния к подпрограммам. Команды ввода-вывода. ……………..……………………………..……………………. 2 часа

3.2. Специальные вопросы организации памяти ЭВМ

3.2.1. Память мультипрограммных компьютеров. Методы защиты оперативной памяти (Л: [5.1.5] стр.28).……..……………………………..………………………. 2 часа

3.2.2. Виртуальная память. Способы вычисления виртуальных адресов. Применение АЗУ для формирования адресов (ЛЛ: [5.1.5] стр. 33 и [5.1.6])…….самостоятельно

3.3. Принципы организации специализированных ЭВМ

3.3.1. Элементная база специализированных ЭВМ. Микропроцессорная секция Am2903 (Л: [5.1.4] стр. 13).………………………………………………… самостоятельно

3.3.2. Переход от алгоритма к структуре. Оптимизация структурной схемы спецкомпьютера (Л: [5.2.6])…………………………………………………….. самостоятельно

Лабораторные работы

3.4. Структурная схема, индикация и алгоритмы управления микропроцессорной лабораторией на базе комплекта интегральных микросхем се­рии 1810 (л. р.) …….. 2 часа

3.5. Изучение системы ввода-вывода в микропроцессорной лаборатории на базе схем МПК 1810 (л. р.) ……………………………………………………..……………. 2 часа

3.6. Изучение эффективности конвееризации команд в микропроцессоре К1810 (л. р.) ………………………………………………………………………………………2 часа

3.7. Изучение алгоритмов и аппаратуры вывода текста на светодиодные индикаторы (л. р.) ……………………………………………………………..………………….. 2 часа

Практические занятия

3.8. Структурная организация компьютерных подсистем (Л:[5.1.4])……..….. 2 часа

Контрольные работы

3.9. Контрольная работа N2. «Проектирование блока обработки данных» (Л:[5.1.8]).

Всего под руководством преподавачасов

+ самостоятельно

4. КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему:

"Проектирование микрокомпьютера на МПК 1804"

Общие требования к проекту.

Курсовой проект представляется в виде:

4.1. Пояснительная записка, объемом 50 страниц, оформленная в соответствии с СТП.

4.2. Графическая часть, состоящая из 2-х чертежей - структурной схемы микрокомпьютера (формат А1) и функциональной электрической схемы, заданного блока системы (формат А1). Графическая часть оформляется в соответствии с ЕСКД.

В ходе курсового проектирования предусматривается проведение консультаций. Темы занятий выбираются в соответствии с графиком курсового проектирования и могут быть скорректированы ходом реального выполнения проектов.

Содержание пояснительной записки

Введение.

1. Разработка архитектуры специализированного микрокомпьютера.

1.1. Анализ известных реализаций спецкомпьютеров, критика аналогов проектируемой

системы, формулирование требований к разрабаты­ваемому микрокомпьютеру.

1.2. Проектирование алгоритмов, выбор состава макроопераций и программирование задач.

1.3. Разработка обобщенной структуры микроЭВМ на основе алго­ритмов решения задач.

2. Проектирование основных структурных компонентов схемы микрокомпьютера.

2.1. Разработка схемы блока обработки данных.

2.2. Проектирование ЗУ микрокомпьютера.

2.3. Разработка устройства управления.

2.4. Разработка системы ввода-вывода данных.

3. Проектирование внутреннего интерфейса микрокомпьютера.

3.1. Проектирование системы адресации.

3.2. Включение системы прерываний в схему устройства управле­ния спецкомпьютера.

3.3. Проектирование системы ПДП.

3.4. Разработка блока регенерации памяти.

4. Разработка микропрограммного обеспечения.

4.1. Формат микрокоманды. Микропрограммная интерпретация команд языка компьютера.

4.2. Разработка микропрограмм арифметических операций.

4.3. Разработка служебного микропрограммного обеспечения.

4.4. Разработка прикладного микропрограммного обеспечения.

Заключение.

!Проект сдается на проверку руководителю за три дня до защиты!

В процессе проектирования организуется промежуточный контроль (опроцентовка выполненной работы) в соответствии с календарным графиком кафедры.

Под руководством преподавателя: 2 часа

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЯ ПО КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ

Табл. исх. дан.

NN Данные ОЗУ компьют. п/п Способы Микропр. П. З. адресации Емк. Тип БИС Разряд. Код операндов Кбайт ИС ОЗУ БОД

1. 12 1.Прямая РУ1 1804ВС2 2. 16 доп. 2.Косвенная 12РУ1 1804ВС2 3. 20 код регистр. 37РУ2 1804ВС2 4. 24 3.Автоинкр. 384РУ7 1804ВС1 5. 28 4.Баз.-инд. 358РУ7 1804ВС1

6. 20 1.Прямая 80РУ6 1804ВС1 7. 24 обр. 2.Непосред. 96РУ6 1804ВС1 8. 28 код 3.Автоинкр. 42РУ31 1804ВС2 9. 32 4.Относи - 204РУ32 1804ВС2 тельная 84РУ3 1804ВС2

Прямая 84РУ3 1804ВС2 пр. 2.Косвенная 102РУ7 1804ВС1 код регистр. 409РУ7 1804ВС2 Автоинкр. 384РУ7 1804ВС2 Косвен. 422РУ7 1804ВС2 относит.

2-я часть таблицы исх. данных

NN БИС БИС порты Сис. прер. Канал. Программное обеспеч. п/п ПЗУ БМУ ввода - уров/ист. ПДП мкком. вывода арифм. опер. Тест. ОЗУ 14

РТ5 1804ВУ4 1804ИР3 2\12ln xi рис.3.4

12\6 слова xi=(ai+bi)2

2. 556РТ17 1804ВУ4 1804ИР3 2\12cos x, рис.3.5

12\6 слова x=sum ai

3. 556РТ12 1804ВУ4 1804ИР3 2\12ln(1+x) рис.3.6

12\6 слова x=sum ai

4. 556РТ13 1804ВУ2 1804ИР3 2\12ln xi рис.3.7

12\6 слова xi=bai

5. 556РТ14 1804ВУ2 1804ИР3 2\12x)-1, рис.3.8

12\6 слова xi=bai

2-я часть таблицы исх. данных (продолжение)

NN БИС БИС порты Сис. прер. Канал. Программное обеспеч. п/п ПЗУ БМУ ввода - уров/ист. ПДП мкком. вывода арифм. опер. Тест. ОЗУ 14

 

6. 556РТ14 1804ВУ1 1804ИР3 2\8ch x рис.3.9

8\8 слов x=sum ai

7. 556РТ14 1804ВУ1 1804ИР3 2\8ln x рис.3.10

8\8 слов x=sum ai

 

8. 556РТ14 1804ВУ2 1804ИР3 2\8ln(1-xi) рис.3.11

8\8 слов xi=bai

 

9. 556РТ14 1804ВУ2 1804ИР3 2\8sin x рис.3.12

8\8 слов x=sum ai

 

РТ14 1804ВУ4 1804ИР3 2\8ln xi рис.3.13

8\8 слов xi=ai2+ bi2

 

РТ14 1804ВУ2 1804ИР3 2\12cos x рис.3.14

12\8 слов x=sum ai

РТ14 1804ВУ1 1804ИР3 2\12ln x рис.3.15

12\8 слов x=sum ai

 

РТ14 1804ВУ2 1804ИР3 2\12ln(1- xi) рис.3.16

12\8 слов xi=bai

 

РТ14 1804ВУ2 1804ИР3 2\12ch x рис.3.17

12\8 слов x=sum ai

 

РТ14 1804ВУ4 1804ИР3 2\2ln xi рис.3.18

12\8 слов xi=ai2+ bi2

 

Примечание. Тесты ОЗУ в п.14 таблицы заданий должны быть взяты из справочника - Гордонов БИС запоминающих устройств. - М.: Радио и связь, 1986.

5. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЛИТЕРАТУРА

 

5.1.Основная литература.

5.1.1. Микропроцессоры и микрокомпьютеры. Вводный курс. Пер. с англ. - М.:Мир, 1983.

5.1.2. и др. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления. Справочник. Под общ. ред. - Л.: Машиностроение, 1987.

5.1.3. Кобяк ввода-вывода в компьютерных систем. Методическое пособие для выполнения контрольных работ курсового и дипломного проектирования по ТиП ЭВМ и СиФО ЭВМ -Мн.:БГУИР,1996.

5.1.4. и др. Проектирование цифровых систем на комплектах микропрограммируемых БИС. Под ред. . - М.: Радио и связь, 1984.

5.1.5. Кобяк памяти компьютерных систем. Методическое пособие для выполнения контрольных работ курсового и дипломного проектирования по ТиП ЭВМ и СиФО ЭВМ - Мн.:БГУИР,2000.

5.1.6. Каган вычислительные машины и системы - М.: Энергоатомиздат, 1985.

5.1.7. , Новиков электронных вычис­лительных машин - Л., Машиностроение, 1979, 384 с.

5.1.8. Кобяк компьютерных систем. Синтез операционных автоматов. Методическое пособие по курсовому и дипломному проектированию по ТиП ЭВМ и СиФО ЭВМ - Мн.:БГУИР,2003.

5.2. Дополнительная литература.

5.2.1. Майоров в микроЭВМ. - Л.: Машиностроение, 1988.

5.2.2. Компьютеры на СБИС. Кн. 1,2. - М.: Мир, 1988.

5.2.3. Мячев вычислительных систем на базе мини и микроЭВМ. - М.: Радио и связь, 1986.

5.2.4. Калабеков и их применение в системах передачи и обработки сигналов. - М.: Радио и связь,1988.

5.2.5. Бруснецов . - М.: Наука. Гл. ред. физ.- мат. литературы, 1985.

5.2.6. Кобяк компьютерных систем. Методическое пособие для выполнения контрольных работ курсового и дипломного проектирования по ТиП ЭВМ и СиФО ЭВМ. Часть 1 и 2 - Мн.:БГУИР,2000.

5.2.7. Лабораторные работы по курсам "ТиП ЭВМ и С" и "Микропроцессоры".Часть 2/, - Мн.: БГУИР,1995.

5.2.8. Компьютерное описание пакета проектирования «Альтера HDL. Max2+plus».

5.2.9. Мик Дж., Брик Дж. Проектирование микропроцессорных устройств с разрядно - модульной организацией связей.- М.: Мир, 1984.

5.2.10. Структурная организация и архитектура компьютерных систем. Пер. с англ. 5-е изд.-М.: «Вильямс», 2001, 892 с.

5.2.11. Архитектура компьютерных систем. Пер. с англ. 4-е изд.- М.: «ПИТЕР», 2002, 698 с.

5.2.12. Цифровая схемотехника.-М.: «С.-Петербург», 2001, 518 стр.

5.2.13. Процессоры «PENTIUM». Архитектура, интерфейс, программирование..-СПб.: «ПИТЕР», 1999, 288 с.

5.1.14. Шагурин семейства Intel P6. Архитектура, программирование, интерфейс. – М.: «Телеком», 2000, 248 с.

5.1.15. Материнские платы и чипсеты. - СПб.: «ПИТЕР»,2000, 256 с.

5.1.16. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики. - СПб.: «ПИТЕР», 2002, 608 с.

5.2.17. Аппаратные интерфейсы. Энциклопедия. - СПб.: «ПИТЕР», 2002, 528 с.

5.2.19. Матричные процессоры на СБИС. Пер. с англ. - М.: «Мир», 1991.

5.3.Перечень наглядных пособий и другого методического обеспе­ченя для проведения занятий.

5.3.1. Университетские аудитории, оборудованные учебным телевидением.

5.3.2. Кафедральная лаборатория, оснащенная макетами МТ1804, устройствами Микролаб 1810, персональными компьютерами.

5.3.3. Учебные демонстрационные плакаты - МТ1804. Схема структурная, БМУ МТ1804, БИС 1804ВС1 и др.

6. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ КАРТА ДИСЦИПЛИНЫ

 

Весенний семестр

ТАБЛ. 1

 

№№ №№ Наименование вопросов, Лаб. Исп. Самост. Форма

нед. тем изучаемых на лекции раб. пособ. раб. конт.

 

1 2.3.1 Процессоры с фиксированной 2.6

архитектурой.

2.3.7 МПС К1804ВС1. TO

2.3.9 Микропрограммирование.

2

3

4

Осенний семестр

ТАБЛ. 2

 

№№ №№ Наименование вопросов, Лаб. Практ. Исп. Форма

нед. тем изучаемых на лекции раб. занят. пособ. конт.

 

1 3.1.6 Форматы команд PC AT

3.1.7 Система команд ПК

3.2.1 Память мультипрограммных ПК 3.6-3.7 ТО

 

2

3

4

 

Форма 3

ПРОТОКОЛ СОГЛАСОВАНИЯ РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЫ

с другими дисциплинами специальности

на 200 __/___ учебный год

 

Название ди - Кафедры, Предложения Решение,

сциплин, изу - обеспечивающие кафедр об принятое

чение которых преподавание изменениях кафедрой,

опирается на этих дисцип - в содержании разработав -

данную дисци - лин рабочей про - шей данную

плину граммы раб. прог.

(Протокол N,

дата).

 

 

Выпускающая кафедра ________________________________

Согласовано:

Зав. кафедрой____________________________( )

Зав. кафедрой____________________________( )

Зав. кафедрой____________________________( )

Зав. кафедрой____________________________( )

Форма 4

Дополнения и изменения в рабочей программе

на 2004/2005 учебный годы

 

В рабочую программу вносятся следующие изменения:

Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры: Электронных вычислительных машин

Заведующий кафедрой

"____"________2005 г. протокол N____ ________

"____"________2005 г. протокол N____ ________

Внесенные изменения «Утверждаю»

Декан ФКСиС

"____"_________2005 г. _______________

"____"_________2005 г. _______________