МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени
Факультет компьютерных наук и информационных технологий
УТВЕРЖДАЮ
___________________________
"__" __________________20__ г.
Рабочая программа дисциплины
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭВМ
Направление подготовки
010300 Фундаментальная информатика и информационные технологии
Профиль подготовки
Информатика и компьютерные науки
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Саратов,
2011 год
1. Цели освоения дисциплины
Целью освоения данной дисциплины является знакомство с фундаментальными физическими основами работы всех основных узлов современных ЭВМ. Подробно рассматриваются роль полупроводниковых материалов в создании элементной базы современных ЭВМ, преимущества СБИС, обобщенная структура системного блока, архитектура и внутренняя магистраль микропроцессора, устройство полупроводниковых запоминающих устройств и внешних запоминающих устройств, организация интерфейсов ввода-вывода, ввод и вывод цифровой и аналоговой информации, организация линий связи между ЭВМ.
2.Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Данная учебная дисциплина входит в раздел «Математический и естественнонаучный цикл. Дисциплины по выбору» ФГОС-3.
Для изучения дисциплины необходимы компетенции, сформированные у обучающихся в результате изучения дисциплин «Теоретическая информатика», «Физика» и «Дискретная математика».
3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
Данная дисциплина способствует формированию следующих компетенций:
уверенное знание теоретических и методических основ, понимание функциональных возможностей, следующих предметных областей (ПК-25):
Разработка информационных систем;
Моделирование и анализ программного обеспечения;
Технологии мультимедиа;
Архитектура и организация компьютеров;
Конфигурирование и использование операционных систем;
Разработка и принципы сетевых технологий;
Человеко-машинное взаимодействие;
Приложения и использование баз данных;
Социальные и этические вопросы ИТ;
Анализ технических требований;
Графика и визуализация;
Интеллектуальные системы;
Теория баз данных.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:
· принципы разделения веществ на проводники, полупроводники и изоляторы;
· роль полупроводниковых материалов в создании элементной базы современных ЭВМ;
· физическое представление информации в ЭВМ;
· обобщенную структуру системного блока: микропроцессор, память, шина;
· классификацию полупроводниковых запоминающих устройств;
· функциональную и управляющую части интерфейса;
· типы магнитных носителей и магнитных головок;
· основы использования оптических явлений для повышения плотности записи информации на магнитных носителях;
· принципы отображения визуальной информации в ЭВМ;
· методы кодирования информации: амплитудная, фазовая и частотная модуляция.
Уметь:
· использовать язык ассемблера для организации обмена информацией между микропроцессором, внешними устройствами и ОЗУ;
· организовать взаимодействие между ЭВМ;
· использовать язык ассемблера для работы со специализированными микропроцессорами.
Владеть
· навыками создания и анализа программ на языке ассемблера;
· навыками использования современных программных средств для тестирования и оценки производительности отдельных блоков и ЭВМ в целом.
4. Структура и содержание дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетные единицы, 144 часа.
№ п/п | Раздел дисциплины | Семестр | Неделя семестра | Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах) | Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра) Формы промежуточной аттестации (по семестрам) | ||
1 | Введение в дисциплину | 5 | 1 | Л:1 | СР:4 | Лаб:2 | |
2 | Основы теории электропроводимости металлов и полупроводников | 5 | 2-4 | Л:3 | СР:10 | Лаб:6 | |
3 | Элементная база современных ЭВМ, Гарвардская и Принстонская архитектуры ЭВМ, обобщенная структура системного блока | 5 | 5-10 | Л:6 | СР:11 | Лаб:12 | Контрольная работа №1 на 10й неделе |
4 | Устройство полупроводниковых запоминающих устройств и внешних запоминающих устройств на магнитных, магнитооптических и оптических носителях | 5 | 11-14 | Л:4 | СР:10 | Лаб:8 | |
5 | Интерфейсы ввода-вывода, организация взаимодействия ЭВМ | 5 | 15-18 | Л:4 | СР:10 | Лаб:8 | Контрольная работа №2 на 18й неделе |
Промежуточная аттестация | Экзамен | ||||||
ИТОГО | 18 | 45 | 36 | 45 |
Раздел «Введение в дисциплину». Поколения ЭВМ, их элементная база. Закон Мура. Роль полупроводниковых материалов в элементной базе современных ЭВМ. Преимущества сверхбольших интегральных схем, технологическая база СБИС и степень интеграции. Эпитаксиально-планарная технология. Воспроизводимость параметров и минимальный топологический размер. Основные направления развития СБИС. Перспективы развития микроэлектроники.
Раздел «Основы теории электропроводимости металлов и полупроводников». Электроны, волны де Бройля, соотношение неопределенностей, волновая функция. Спектр электронных состояний в атомах, молекулах и кристаллах. Спектр электронных состояний атома водорода и многоэлектронных атомов. Квантовые переходы. Понятие о зонной структуре. Принципы разделения веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики. Электропроводность твердых тел. Модель электронного газа. Квантовая модель электропроводности. Плотность энергетических состояний. Распределение Ферми. Электроны и дырки. Концентрация электронов в зоне проводимости. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Полупроводники n - и p-типа. Положение уровня Ферми в электрически нейтральном полупроводнике. Диффузия и дрейф свободных носителей заряда в металлах и полупроводниках. Закон Ома, длина свободного пробега и подвижность. Уравнение непрерывности. Электронно-дырочные переходы и их характеристики. Вольт-амперная характеристика и дифференциальное сопротивление p-n-переходов. Барьерная и диффузионная емкости. Полупроводниковые диоды. Быстродействие полупроводниковых диодов. Типы полупроводниковых диодов. Омические контакты. Контакт металл-полупроводник, диоды Шоттки.
Раздел «Элементная база современных ЭВМ, Гарвардская и Принстонская архитектуры ЭВМ, обобщенная структура системного блока». Аналоговое и цифровое представление информации. Физическое представление информации в компьютере. Двоичный код. «Высокое» и «низкое» состояния логических схем. Позитивная и негативная логики. Ключевой режим работы коммутирующего элемента. Реализация элементарных логических функций. Основные характеристики логических элементов. Понятие о помехоустойчивости логического элемента. Классическая Гарвардская архитектура (Г. Эйкен), модифицированная и расширенная (SHARC) Гарвардские архитектуры. Архитектура фон Неймана и обобщенная структура системного блока: микропроцессор, память, шина. Основные характеристики микропроцессора: технология изготовления, напряжение питания, объем адресуемой памяти, разрядность шины данных, тактовая частота, разрядность регистров. Цикл микропроцессора и его фазы. Взаимодействие микропроцессора и ОЗУ. Способы обмена информацией между микропроцессором и внешними устройствами: синхронный, асинхронный и полусинхронный. Режимы работы процессора: прерывание, прямой доступ к памяти, ожидание. Шины и их основные характеристики (ISA, VESA, AGP, PCI, PCI-E). Мультипроцессорные и многоядерные конфигурации. Специализированные микропроцессоры.
Раздел «Устройство полупроводниковых запоминающих устройств и внешних запоминающих устройств на магнитных, магнитооптических и оптических носителях». Базовые ячейки памяти - конденсатор и триггер. Классификация полупроводниковых запоминающих устройств. Энергозависимая и энергонезависимая память. Характеристики памяти: стоимость, емкость, быстродействие, потребляемая мощность, возможность доступа. Статическое и динамическое оперативное запоминающее устройство. Характеристики и принципы работы. Организация, контроль работоспособности и методы регенерации динамического ОЗУ. Применение СОЗУ и ДОЗУ в ЭВМ. Сравнительные характеристики и перспективы развития. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Элементы на основе структур с плавающим затвором. Стирание информации УФ излучением и электрическим полем. Применение ПЗУ в ЭВМ. Сравнительные характеристики и перспективы развития ПЗУ. Flash-память.
Магнитные материалы: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики. Кривая намагниченности ферромагнетиков: мягкие и жесткие ферромагнетики. Принципы записи и считывания информации на магнитных носителях. Типы магнитных носителей и магнитных головок. Предельная плотность записи и скорость доступа к записанной информации. Продольная и поперечная запись информации. Использование оптических явлений для повышения плотности записи информации на магнитных носителях. Магнитооптика. Оптическая память - компакт диск. Физические процессы и предельная плотность записи информации в оптике. Записываемые и перезаписываемые CD и DVD диски. Blu-ray и HD-DVD технологии.
Раздел «Интерфейсы ввода-вывода, организация взаимодействия ЭВМ». Функции интерфейса ввода-вывода. Информационная, электрическая и конструктивная совместимость. Устройство типичного интерфейса. Функциональная и управляющая части интерфейса. Контроль паритета. Последовательный и параллельные интерфейсы. Дуплексная и полудуплексная, синхронная и асинхронная связь. Основные характеристики некоторых универсальных интерфейсов: RS232, CENTRONICS, USB, FireWire. Некоторые специализированные интерфейсы: PATA, SCSI, SATA. Методы кодирования информации: амплитудная, фазовая, частотная и другие типы модуляции. Виды распределенных линий для разных диапазонов частот. Двухпроводная линия, радиоканал. Скорость распространения сигналов в линии. Передача данных через телефонные линии связи. Коаксиальный кабель и витая пара. Оптические волокна и волоконно-оптические кабели. Предельно допустимая скорость передачи информации.
На лабораторных занятиях студенты получают индивидуальные задания, связанные с тематикой соответствующей занятию недели и пример которых приведен в приложении 2 настоящей программы. Задания выполняются в компьютерном классе с использованием программного обеспечения, указанного в разделе 8. Результатом выполнения индивидуального задания является программный код, результаты по оценке производительности подсистем компьютера, схемы с указанием основных компонент, расположенных на материнской плате и др..
5. Образовательные технологии
Рекомендуемые образовательные технологии: модельный метод обучения, разбор конкретных ситуаций, командное выполнение заданий с распределением ролей, тестирование, метод проектов – распределение заданий между учащимися, предполагающий сбор и анализ информации, а также представление полученных результатов.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература:
1. Архитектура компьютера. - СПб.: Питер, 2010.
2. Цилькер ЭВМ и систем: учебник. - СПб.: Питер, 2007.
б) дополнительная литература:
1. Степанов вычислительных систем и компьютерных. - СПб. : Питер, 2007.
2. Бройдо ЭВМ и систем. - СПб.: Питер, 2009.
3. Ишин элементы. - Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 2001.
4. Лебедев О. Н. Применение микросхем памяти в электронных устройствах. - М. : Радио и связь, 1994.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
PassMark PerformanceTest™, Dr. Hardware, LAN-Projekt WinProxy
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Лекционная аудитория с возможностью демонстрации электронных презентаций при уровне освещения, достаточном для работы с конспектом. Лабораторная аудитория ПЭВМ, оснащенными необходимым программным обеспечением, подключенными к локальной сети и имеющими доступ в глобальную сеть Интернет.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению и профилю подготовки «Информатика и компьютерные науки».
Автор ассистент кафедры дискретной математики и информационных технологий | ___________ |
Программа одобрена на заседании кафедры дискретной математики и информационных технологий от «___» _______ 2011 года, протокол № ____.
Заведующий кафедрой дискретной математики и информационных технологий, доцент | ___________ | |
Декан факультета КНиИТ, доцент | ___________ |
