Рабочая программа дисциплины архитектура вычислительных систем

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Саратовский государственный университет имени

Факультет компьютерных наук и информационных технологий

УТВЕРЖДАЮ

___________________________

"__" __________________20__ г.

Рабочая программа дисциплины

Архитектура вычислительных систем

Направление подготовки

010300 – Фундаментальная информатика и информационные технологии

Профиль подготовки

Информатика и компьютерные науки

Квалификация выпускника

Бакалавр

Форма обучения

очная

Саратов,

2011

1. Цели освоения дисциплины

Целью дисциплины «Архитектура вычислительных систем» является формирование профессиональных компетенций в области теоретических основ и принципов построения вычислительных машин и систем, архитектур современных процессоров, систем управления памятью и организации ввода-вывода.

Дисциплина «Архитектура вычислительных систем» рассчитана на один семестр и направлена на решение следующих задач:

·  формирование систематизированных знаний о принципах построения и функционирования вычислительных систем;

·  изучение различных архитектур вычислительных систем, систем организации памяти и обмена информацией;

·  знакомство с методами повышения производительности и увеличения надежности вычислительных систем.

2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата

Данная учебная дисциплина входит в раздел «Профессиональный цикл. Базовая часть» ФГОС-3.

Для изучения дисциплины необходимы компетенции, сформированные в результате освоения дисциплин ООП подготовки бакалавра данного направления «Теоретическая информатика», «Основы программирования», «Дискретная математика», «Введение в информационные технологии».

Дисциплина «Архитектура вычислительных систем» предшествует дисциплинам, связанным с программированием и использованием вычислительной и микропроцессорной техники: «Операционные системы», «Физические основы построения ЭВМ», «Машинно – зависимые языки программирования», «Параллельные вычисления», «Технология параллельных и распределенных вычислений», «Архитектура распределенных приложений».

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

Данная дисциплина способствует формированию следующих компетенций, предусмотренных ФГОС-3 по направлению подготовки ВПО 010300 – Фундаментальная информатика и информационные технологии:

1)  профессиональные компетенции (ПК):

компетенции владения базовыми технологиями:

-  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:

·  архитектуру и организацию персонального компьютера на базе процессоров IA-32;

·  функциональную и структурную организацию процессоров IA-32;

·  элементную базу вычислительных машин;

·  принципы построения многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем;

·  основные архитектуры параллельных вычислительных систем.

Уметь:

·  проводить анализ технические требований с учетом функций, выполняемых вычислительными системами, и обосновывать рациональную архитектуру;

·  программировать с использованием отладчика DEBUG в машинных кодах и в мнемокодах ЭВМ с архитектурой IBM PC.

Владеть:

·  навыками анализа состава и оценки производительности вычислительных систем;

·  навыками использования отладчика DEBUG для отслеживания выполнения программ.

4. Структура и содержание дисциплины

Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных единицы, 72 часа.

4.1. Структура дисциплины

№ 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)
Лек.	Практ.	Сам.
1.	Информационно-логическое устройство вычислительных систем.	2	1-4	4	4	12	Проверка практических заданий. Контрольная работа №1
2.	Архитектура персонального компьютера на базе процессоров IA-32.	2	5-8	4	4	10	Проверка практических заданий.
3.	Организация памяти вычислительной системы.	2	9-10	2	2	4	Проверка практических заданий.
4.	Общие принципы организации обмена информацией.	2	11-12	2	2	4	Проверка практических заданий.
5.	Организация функционирования вычислительных систем на базе различных архитектур.	2	13-16	4	4	10	Проверка практических заданий. Контрольная работа №2
	Промежуточная аттестация	2					Зачет
	ИТОГО			16	16	40

4.2. Содержание дисциплины

Раздел 1. Информационно-логическое устройство вычислительных систем

1.1. Представление информации в вычислительных системах.

Биты, байты и слова. Позиционные системы счисления. Двоичные числа. Числа с фиксированной и плавающей точкой. Выполнение арифметических операций. Прямой, обратный и дополнительный коды. Шестнадцатеричные числа. Представление нечисловых данных.

1.2. Логические основы обработки информации.

Элементарные логические устройства. Основные цифровые логические схемы: триггеры, сумматоры, счетчики, регистры – их функции, внутренняя структура, временные диаграммы работы.

Раздел 2. Архитектура персонального компьютера на базе процессоров IA-32

2.1. Понятие архитектуры компьютера.

Принцип программного управления и машина фон Неймана. Понятие архитектуры, организации и реализации ЭВМ. Типовая структура ЭВМ с шинной организацией. Архитектура и программная модель микропроцессоров IA-32 на примере процессоров с ядром P6. Рабочий цикл процессора.

2.2. Форматы команд и способы адресации в процессорах IA-32.

Типы команд. Формат машинных команд. Способы адресации операндов. Стек. Подпрограммы. Вызов подпрограмм и возврат из них. Архитектуры с полным (CISC) и сокращенным (RISC) набором команд.

Раздел 3. Организация памяти вычислительной системы

3.1. Система памяти персонального компьютера.

Иерархическая структура памяти. Виртуальная память. Организация оперативной памяти. Время отклика. Цикл памяти. Согласование пропускных способностей процессора и памяти. Расслоение памяти. Кэш – память, варианты архитектуры и алгоритмов функционирования кэш-памяти. Внешняя память. Технология RAID.

Раздел 4. Общие принципы организации обмена информацией

4.1. Интерфейсы и протоколы.

Программный режим ввода-вывода, событийно-управляемый ввод-вывод. Механизм прерываний. Буферы данных в системах ввода-вывода. Синхронные и асинхронные шины. Системные интерфейсы. Прямой доступ к памяти (DMA)

Раздел 5. Организация функционирования вычислительных систем на базе различных архитектур

5.1. Архитектура SIMD.

SIMD-расширения архитектуры IA-32. Конвейерная организация работы процессоров. Принципы параллельной обработки данных, суперскалярная архитектура, динамическое (спекулятивное) исполнение команд. Векторно-конвейерные системы. Матричные системы. Ассоциативные системы. Систолические структуры.

5.2. Параллельные и нетрадиционные архитектуры.

MIMD-, VLIW-, EPIC-архитектуры. Понятие о многомашинных и многопроцессорных вычислительных системах. Общая память. Распределенная память. Кластеры, системы с отображением памяти. Топологии.

5. Образовательные технологии

В учебном процессе при реализации компетентностного подхода используются активные и интерактивные формы проведения занятий: метод ситуационного анализа – разбор конкретных ситуаций, возникающих при программировании на машинном языке, использование компьютерных демонстрационных материалов, мультимедийных презентаций, организация дискуссий и обсуждений спорных вопросов.

В рамках курса предусмотрены встречи с представителями компаний, специализирующихся на разработке программного обеспечения (в рамках договора сотрудничества с факультетом КНиИТ).

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.  Таненбаум Э. С. Архитектура компьютера. — М. ; СПб. [и др.] : Питер, 2010.

2.  Бройдо В. Л. Архитектура ЭВМ и систем. — М. ; СПб. [и др.] : Питер, 2009.

б) дополнительная литература:

1.  Калашников О. А. Ассемблер? Это просто! Учимся программировать. — СПб. : БХВ-Петербург, 2007.

2.  Юров В.И. Assembler. — М. ; СПб. [и др.] : Питер, 2004.

3.  Таненбаум Э. С. Операционные системы. Разработка и реализация. — М. ; СПб. ; Н. Новгород [и др.] : Питер, 2006.

4.  Степанов А. Н. Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей. — М. ; СПб. [и др.] : Питер, 2007.

в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

1.  Программа DEBUG.

2.  Гуров В. В., Чуканов  и организация ЭВМ. Интернет-Университет Информационных Технологий. — 2005. http://www. *****/department/hardware/archhard2/.

3.  Гуров  микропроцессоров. Интернет-Университет Информационных Технологий. — 2010. http://www. *****/department/hardware/microarch/.

4.  Ершова Н. Ю., Соловьев  вычислительных систем. Интернет-Университет Информационных Технологий. — 2006. http://www. *****/department/hardware/csorg/.

5.  , , Корхов и топологии многопроцессорных вычислительных систем. Интернет-Университет Информационных Технологий. — 2004. http://www. *****/department/hardware/atmcs/.

8. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Компьютерное и проекционное оборудование для чтения лекций с использованием слайд – демонстраций. Компьютерный класс из 10-12 IBM - совместимых персональных компьютеров, работающих под управлением операционной системы Windows на практических занятиях.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению «010300 Фундаментальная информатика и информационные технологии» и профилю подготовки «Информатика и компьютерные науки».

Автор: доцент кафедры информатики и программирования

___________

К. П. Вахлаева

Программа одобрена на заседании кафедры информатики и программирования от «14» февраля 2011 года, протокол

Заведующий кафедрой информатики и программирования, доцент	___________	А. Г. Федорова
Декан факультета КНиИТ, доцент	___________	А. Г. Федорова