«Вычислительные машины, системы и сети»

В соответствии с ГОС ВПО от 01.01.2001 г. дисциплина «Вычислительные машины, системы и сети» имеет следующее содержание:

Вычислительные машины, системы и сети: принципы построения вычислительных машин (ВМ), моде­ли вычислений, многоуровневая организация вычислитель­ных процессов, аппаратные и программные средства, клас­сификация, назначение; понятия о функциональной, струк­турной организации и архитектуре ВМ; основные характе­ристики ВМ, методы оценки; влияние технологии производ­ства интегральных схем на архитектуру и характеристики, классификация ВМ, система памяти, средства реализации, иерархическая организация, характеристики, архитектурные методы повышения производительности, процессоры, уст­ройства; организация управления, адресация, система ко­манд, производительность процессора, методы оценки, ар­хитектурные способы повышения производительности, со­временные микропроцессоры, тенденции развития; микро­контроллеры, тенденции развития; типы и основные прин­ципы построения периферийных устройств, организация ввода - вывода, прерывания, персональные компьютеры; принцип открытой архитектуры, шины, влияние на произво­дительность, системный контроллер и контроллер шин, ор­ганизация внутримашинных обменов, особенности органи­зации рабочих станций и серверов, многомашинные ком­плексы, стандартные интерфейсы для связи компьютеров, многопроцессорные системы, оценки производительности, телекоммуникации и компьютерные сети, влияние сетевых технологий на архитектуру компьютеров, индустриальные системы, унификация, комплексирование информационных и управляющих систем.

1.Цель и задачи дисциплины

1.1. Цель преподавания дисциплины.

Целью данной дисциплины является изучение принципа действия технического и программного обеспечения современных вычислительных машин, систем и сетей и применение этих знаний при разработке и эксплуатации систем управления

.

1.2.Задачи изучения дисциплины.

В соответствии с требованиями ГОС ВПО бакалавра от 01.01.2001 г. и ГОС ВПО дипломированного специалиста от 01.01.2001 г. задачей дисциплины «Вычислительные машины, системы и сети» является формирование умений и навыков по следующим направлениям деятельности :

1.  иметь представление о многообразии вычислительных средств и областях их применения;

2.  иметь представление о тенденциях и перспективах развития вычислительных машин, систем и сетей;

3.  знать арифметические и логические основы построения и работы вычислительных машин (ЭВМ) ;

4.  знать схемотехнические основы построения основных элементов ЭВМ;

5.  знать принципы построения и алгоритмы работы основных блоков ЭВМ (процессоров, запоминающих устройств, устройств ввода - вывода и др.);

6.  знать современные средства вычислительной техники, коммуникаций и связи;

7.  знать принципы построения и особенности работы микро-ЭВМ, персональных ЭВМ и вычислительных систем;

8.  знать основы программного обеспечения;

9.  знать способы обеспечения контроля и диагностики неисправностей в ЭВМ;

10.  знать технические характеристики и экономические показатели отечественных и зарубежных образцов программно-технических комплексов систем автоматизации и управления;

11.  знать типы контроллеров и области их применения;

12.  знать организацию внутримашинных обменов;

13.  знать организацию, архитектуру и возможности компьютерных сетей; Полученные знания должны позволить студенту уметь:

14. выбирать аппаратно-программные средства для автоматических и автоматизированных систем контроля и управления объектами различной природы;

15.комплексировать технические и программные средства, создавать аппаратно - программные комплексы систем автоматизации и управления;

16.осуществлять настройку и регламентное эксплуатационное обслуживание на объектах программно-технических комплексов систем автоматизации и управления;

17.использовать современные вычислительные машины, системы и сети для выполнения проектных и научно-технических расчётов.

Полученные знания должны позволить студенту уметь: разрабатывать, внедрять и эксплуатировать автоматические и автоматизи­рованные устройства и системы, использующие вычислительные машины, использовать современные вычислительные машины, си­стемы и сети для выполнения проектных и научно-технических расчетов.

1.3 Перечень дисциплин, усвоение которых необходимо студентам для изучения данной дисциплины и некоторые рекомендации по изучению данной дисциплины.

Изучению данной дисциплины должно предшествовать, помимо общеобразовательных и общественных дисциплин, изучение курсов

« Электроника» (в части, рассматривающей базовые логические элементы, триггеры и интегральные схемы средней степени интегра­ции ) .

В то же время данный курс является необходимым для изучения ряда ди­сциплин, например, таких как « Технические средства автоматизации »и других, где используются средства вычислительной техники.

Основной трудностью при изучении данной дисциплины являют­ся многоплановость рассматриваемого материала и его большой объем. Поэтому успешное освоение курса невозможно без регуляр­ной самостоятельной работы с литературой и творческого отноше­ния к выполнению лабораторных работ.

2. Содержание дисциплины ( с указанием часов, отводимых на изложение материала).

Лекционные занятия

2.1.1  Введение.

Цель и задачи курса. Структура курса и его связь с другими дис­циплинами.

2.1.2  Принцип действия и структура вычислительных машин

и си­стем.

Классическая и современная структурные схемы построения ЭВМ. Модели вычислений, многоуровневая организация вычислительных процессов. Вычислительные системы ( ВС ) и их архитектура. Основные харак­теристики ВМ, методы оценки. Область применения средств ВТ.

2.1.3 Арифметические и логические основы построения элементов
и узлов ВМ и систем.
Системы счисления, применяемые в современных ЭВМ. Прямой, обратный и дополнительный коды. Способы представления чисел в ЭВМ. Особенности выполнения операций в системах представления чисел с фиксированной и плавающей запятой. Кодирование десятичных чисел и алфавитно - цифровой информации в вычислительных ма­шинах.

2.1.4 Принцип построения и работы основных блоков

ВМ.

Память ЭВМ. Назначение и классификация запоминающих устройств ( ЗУ) .Характеристики памяти, архитектурные методы повышения производительности. Иерархическая структура памяти вычислительных машин и систем. Оперативные ЗУ (ОЗУ). Типы ОЗУ. Системы организации ОЗУ. Постоянные и перепрограммируемые постоянные запоминаю­щие устройства. Способы повышения надежности работы ЗУ. Ассоциативные ЗУ. Способы выборки информации в ассоциативных ЗУ. Стековая память и другие виды сверхоперативной памяти. Внешние ЗУ. Запоминающие устройства на магнитной ленте, ЗУ на магнитных дисках, ЗУ на компакт дисках, оптическая память.

Процессоры вычислительных систем: назначение и состав процес­сора, основные этапы выполнения программ в процессоре, адреса и структура команд. Архитектурные методы повышения производительности и методы оценки. Задачи управления. Виды устройств управления.

Микропрограммное управление. Способы адресации, индексация.

Арифметико - логические устройства ( АЛУ). Классификация АЛУ. Методы выполнения сложения, умножения и деления. Структура АЛУ. Выполнение арифметических операций над десятичными числами. Принципы организации системы прерывания.

Устройства ввода-вывода. Принципы построения и классифика­ция устройств ввода-вывода ЦВМ. Организация ввода-вывода. Каналы ввода-вывода. Функции ввода-вывода. Понятие об уни­фицированных каналах ввода-вывода. Принципы построения и типы периферийных устройств.

Контроль и диагностика ЭВМ.

2.1.5  Микропроцессоры, контроллеры, микро-ЭВМ и персональные компьютеры

Микропроцессоры: принципы построения и особенности органи­зации. Микропроцессорные наборы. Организация микро-ЭВМ. Персональные компьютеры.

2.1.6 Интерфейсы вычислительных систем.

Основные понятия и определения. Принцип открытой архитектуры. Типы интерфейсов. Методы пе­редачи информации между устройствами вычислительной системы; организация системы шин интерфейсов. Внутрисистемные интер­фейсы, интерфейсы ввода-вывода информации. Организация последовательного интерфейса. Системный контроллер и контроллер шин.

2.1.7 Программное обеспечение.

Назначения и виды программного обеспечения; классификация. Общее и специальное программное обеспечение. Языки програм­мирования. Операционная система: назначение и состав, общая схема функ­ционирования. Супервизор задач и супервизор ввода-вывода. Управление заданиями. Обслуживание программы. Пакеты при­кладных программ.

2.1.8 Системы коллективного пользования. Многопроцессорные и многомашинные вычислительные системы. Вычислительные сети.

Принципы организации мультипрограммных ЭВМ. Структура и принцип действия вычислительных систем ( ВС ) коллективного пользования. Принцип виртуализации ресурса. Система виртуаль­ных машин. Организация памяти мультипрограммных систем. Особенности организаций рабочих станций и серверов. Индустриальные системы, унификация, комплексирование информационных и управляющих систем.

Принципы организации многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем (комплексов) и суперЭВМ. Типы струк­тур многопроцессорных ВС, ориентированных на достижение сверхвысокой производительности.

Компьютерные сети. Общие сведения и классификация. Влияние сетевых технологий на архитектуру ЭВМ. Подключение сетевых компонентов. Функционирование сети. Защита информации.

Сетевые архитектуры. Большие сети. Тенденция развития вычислительных машин, систем и сетей.

2.3 Контролирующие документы.

Вопросы по курсу « ВМ и С ».

1. Структура и принцип действия ЭВМ.

2. Представление чисел и коды, используемые в ЭВМ.

3. Представление десятичных чисел и буквенной информации в ЭВМ.

4. Стековая архитектура системы команд.

5. Аккумуляторная архитектура системы команд.

6. Архитектура с сокращенным набором команд (RISC).

7. Архитектура с полным набором команд (CISC).

8. Типы и форматы команд ВМ.

9. Способы адресации.

10. Язык микроопераций.

11. Память ВМ. Иерархия ЗУ.

12.  Адресные ЗУ.

13. Блочная организация ОП.

14. Многопортовая память.

15.  Статическая и динамическая ОП.

16.  Стековая и магазинная память.

17.  Ассоциативная память.

18.  КЭШ – память.

19.  Организация защиты памяти.

20.  ПЗУ.

21.  ППЗУ.

22.  Магнитные дисковые ЗУ.

23. Оптические ЗУ

23.  Принципы организации АЛУ.

24.  Структура и принцип действия АЛУ для алгебраического сложения чисел с фиксированной запятой.

25.  Структуры АЛУ для выполнения операции умножения.

26.  Способы ускорения целочисленного умножения.

27.  Структуры АЛУ для выполнения операции деления.

28.  Особенности операций десятичной арифметики.

29.  Операции над числами с плавающей запятой.

30.  Устройства управления с жесткой логикой.

31.  Устройства управления с программируемой логикой.

32.  Микроконтроллеры.

33.  Устройства ввода – вывода ВМ.

34.  Система ввода – вывода ВМ.

35.  Модули ввода – вывода (функции).

36.  Программно управляемый ввод – вывод.

37.  Ввод – вывод по прерываниям.

38.  Прямой доступ к памяти.

39.  Система прерывания программ и ее характеристики.

40.  Векторное прерывание.

41.  Основные функции контроллера прямого доступа к памяти.

42.  Организация программно управляемых приоритетов при прерываниях.

43. Устройства управления с жесткой логикой.

44. Устройства управления с программируемой логикой.

45. Способы микропрограммирования.

46. Применение ПЛМ в устройствах управления.

47. Организация 16-разрядного микропроцессора.

48. Интерфейс ОШ.

49.  Каналы ввода – вывода ВМ.

50.  Синхронный и асинхронный способы передачи информации в ВМ.

51.  Структура и принцип действия АСУ ТП.

52.  Классификация вычислительных систем.

53.  Использование конвейеризации в ВМ.

54.  Суперскалярные процессоры.

55.  Классификация параллельных вычислительных систем.

56.  Локальные вычислительные сети.

57.  Основные типы вычислительных сетей.

58.  Базовые и смешанные топологии вычислительных сетей.