МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ВЛАДИВОСТОКСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭКОНОМИКИ И СЕРВИСА
ИНСТИТУТ ИНФОРМАТИКИ, ИННОВАЦИЙ И БИЗНЕС СИСТЕМ
КАФЕДРА ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ И ПРИКЛАДНОЙ ИНФОРМАТИКИ
Архитектура ЭВМ И СИСТЕМ
Рабочая программа учебной дисциплины
230400.62 ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ
Владивосток
Издательство ВГУЭС
2014
Рабочая программа учебной дисциплины « Архитектура ЭВМ и систем» составлена в соответствии с требованиями ООП: 230400.62 Информационные системы и технологии на базе ФГОС ВПО.
Составитель: , доцент кафедры Информационных систем и прикладной информатики
Утверждена на заседании Информационных систем и прикладной информатики от 01.01.2001 г., протокол ,
Рекомендована к изданию учебно-методической комиссией Института информатики, инноваций и бизнес-систем.
© Издательство ВГУЭС
2014
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина "Архитектура ЭВМ" относится к федеральному компоненту цикла общепрофессиональных дисциплин специальностей 230700.62 Прикладная информатика, 230400.62 Информационные системы и технологии и введена в учебные планы в соответствии с требованиями Государственных образовательных стандартов указанных специальностей. .
Дисциплина "Архитектура ЭВМ" базируется в основном на знаниях информатики в объеме программы высшей школы, а также таких дисциплин, как “Дискретная математика”, “Основы алгоритмизации”, “Основы программирования”.
Знания, полученные при изучении дисциплины «Архитектура ЭВМ» используются в последующих дисциплинах: «Операционные системы», «Системное программное обеспечение», «Компьютерные сети» и в практической деятельности инженера (математика-программиста).
Данная программа составлена в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования соответствующих специальностей.
1. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
1.1 Цели освоения учебной дисциплины
Целью изучения дисциплины "Архитектура ЭВМ" является теоретическая и практическая подготовка студентов в области информационных технологий в такой степени, чтобы они могли выбирать необходимые технические, алгоритмические, программные и технологические решения, уметь объяснить принципы их функционирования и правильно их использовать.
Основные задачи изучения дисциплины:
ñ формирование у студентов знаний по дисциплине, достаточных для самостоятельного освоения вычислительных систем с новыми архитектурами;
ñ ознакомление с техническими (аппаратными), программными и технологическими решениями, используемыми для описания и разработки ЭВМ;
ñ выработка практических навыков написания низкоуровневых программ на языке ассемблера, в том числе для программирования аппаратных ресурсов ЭВМ.
1.2 Место учебной дисциплины в структуре ООП (связь с другими дисциплинами)
Дисциплина «Архитектура ЭВМ» относится к дисциплинам математического и общенаучного цикла. Данная дисциплина базируется на компетенциях, полученных при изучении дисциплин «Информатика и программирование» и «Дискретная математика».
1.3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения учебной дисциплины
В результате теоретического изучения дисциплины студент должен знать: способы организации и типы вычислительных систем; параллельная обработка информации: уровни и способы организации параллельной обработки; реализация в многомашинных и многопроцессорных ВС; операционные конвейеры; векторные, матричные, однородные системы и среды; RISC-архитектуры; развитие архитектур, ориентированных на языковые средства и среду программирования; технология распределенной обработки данных; принципы построения и архитектура компьютерных сетей.
В результате практического освоения дисциплины студент должен уметь: конфигурировать вычислительную систему, составлять небольшие программы (или фрагменты программ) на языке ассемблера или в кодах, программировать работу с регистрами периферийных адаптеров
В ходе теоретического изучения и практического освоения дисциплины студент должен овладеть навыками работы в средах отладки ассемблерных программ, применению сочетания языков высокого уровня с ассемблерными вставками, решению задач сопряжения нестандартных периферийных устройств через стандартные интерфейсы.
В результате изучения дисциплины будут сформированы следующие компетенции:
ООП | Вид компетенций | Компетенции |
230400.62, Информационные системы и технологии. Информационные системы и технологии | Профессиональные | ПК-26 готовность использовать математические методы обработки, анализа и синтеза результатов профессиональных исследований |
ПК-28 способность формировать новые конкурентоспособные идеи и реализовывать их в проектах |
Таблица. Формируемые знания, умения, владения
ООП | Коды компетенций | Знания, Умения, Владение | |
230400.62, Информационные системы и технологии. Информационные системы и технологии | ПК-26 | Знания: | математические схемы для описания элементов информационных систем. |
ПК-28 | Знания: | состав и структуру инструментальных средств, тенденции их развития (операционные системы, языки программирования, технические средства) |
1.4 Основные виды занятий и особенности их проведения
Объем и сроки изучения дисциплины:
Дисциплина " Архитектура ЭВМ и систем" изучается студентами направления «Информационные системы и технологии» в течение 5 семестра. Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетных единиц, 144 часа. Из них 51 час – аудиторной работы, 57 часов – самостоятельной работы. Удельный вес занятий, проводимых в интерактивных формах, составляет 20 процентов аудиторных занятий
Промежуточная аттестация по курсу – экзамен.
1.5 Виды контроля и отчетности по дисциплине
Контроль успеваемости студентов осуществляется в соответствии с рейтинговой системой оценки знаний студентов (магистрантов).
Текущий контроль предполагает:
- проверку уровня самостоятельной подготовки студента при выполнении лабораторных работ;
- обсуждения и дискуссии по основным моментам изучаемой темы.
Промежуточный контроль предусматривает:
- тестирование усвоенных знаний (предварительные аттестации).
Итоговый контроль знаний осуществляется при проведении экзамена в устной форме.
2. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
2.1 Темы лекций
Тема 1. (2 часа) Понятие вычислительной машины и комплекса. Классификация ЭВМ и различия в архитектуре ЭВМ в зависимости от элементной базы, целей вычислительных сред. Исторические примеры архитектур (АСВТ, ЕС и СМ ЭВМ, IBM 360, PDP-8, 11). Фон-неймановская архитектура. Основные характеристики ЭВМ.
Тема 2. (4 часа) Процессоры, их виды и назначение. Основные внутренние регистры процессоров, их назначение и использование. Примеры архитектуры процессоров фирм DEC, Intel, Motorola.
Тема 3. (6 часа) Состав команд некоторых типов процессоров, сравнительный анализ команд современных процессоров фирм INTEL. Архитектуры CISC и RISC. Режимы адресации в различных процессорах. Язык Ассемблера и его использование. Состав регистров и команды процессоров ряда PDP-11. Регистры и их использование в командах процессора. Регистры общего назначения и служебные регистры. Слово состояния процессора, счетчик команд, указатель стека.
Тема 4. (4 часа) CISC, и RISC компьютеры. Использование регистровых полей. Суперскалярная архитектура, внутренняя конвейеризация обработки данных и команд, процессоры Pentium фирмы Intel и Alpha 21X64 фирмы DEC. Процессор F-CPU, принципы организации, схемные решения, микросуперскалярность. Микрокомпьютеры и однокристальные микроЭВМ, PIC-контроллеры. Архитектура, области применения и особенности программирования.
Тема 5. (4 часа) Состав регистров и команды процессоров ряда Intel 80x86. Типы команд. Дешифрация команд. Арифметические и логические команды. Флаговые регистры и команды условного перехода. Строковые команды процессора Intel 80x86.
Тема 6. (2 часа) Математические (арифметические) сопроцессоры. FIS, FPU. Intel 80x86, - ESC-команды. Представление данных с плавающей запятой. Регистры, организация внутреннего стека. Основные арифметические команды. Команды преобразований и синхронизации. Трансцендентные команды. Особенности вычислений с плавающей запятой, нормализация чисел.
Тема 7. (2 часа) Управление памятью. Ограничения 16-разрядного компьютера и их преодоление. Схемы MMU и архитектура диспетчера памяти. Многосегментные схемы построения памяти. Сегментация памяти. Виртуальная память. Кэширование памяти. Устройство кэш-памяти, алгоритмы hit-miss для динамического обновления кэш-памяти. Защита памяти - аппаратные средства для страничной организации памяти. Дескрипторные таблицы.
Тема 8. (2 часа) Системные магистрали. Классификация системных магистралей. Мультиплексируемые и немультиплексируемые шины, синхронный и асинхронный обмен по магистрали. Обмен данными между устройствами ЭВМ. Скоростные шины. Локальные шины. Состав сигналов на системной магистрали и основные циклы: чтение, запись, захват магистрали, предоставление канала ПДП (на примере шины ISA)
Тема 9. (2 часа) Системы прерываний компьютера. Арбитраж на системной магистрали. Одно - и многоуровневые системы прерываний. Каскадное подсоединение контроллеров прерываний. Приоритеты прерываний. Регистры контроллеров прерываний.
Тема 10.(2 часа) Архитектура видеоадаптеров. Векторный и растровый принципы построения видеомонитора. Особенности построения видеоконтроллеров. Видеоадаптеры EGA, VGA. Стандарт VESA и программная поддержка видеоадаптеров. Регистры видеоадаптера VGA, их назначение и использование. Доступ к видеопамяти. Назначение внутренних регистров видеоадаптера VGA. Управление графическим контроллером, синхронизатором, контроллером атрибутов, внешние регистры.
Тема 11.(4 часа) Многопроцессорные вычислительные системы. Классификация Флинна, топологические схемы объединения элементарных машин. Транспьютеры, их архитектура и программирование. Вычислительные машины с архитектурой гиперкуба. Распараллеливание вычислительных процессов. Формула Амдала. Язык Оккам. Архитектура систолических систем.
2.2 Перечень тем практических/лабораторных занятий
Тема 1. (2 часа) Знакомство с представлением двоичной информации в ЭВМ. Ввод и выполнение программ в двоичном виде (по шагам). Работа с симулятором pdp8/e (в пределах одной страницы памяти).
Тема 2. (2 часа) Выполнение команд с различными видами адресации. Регистровая, косвенная, двойная косвенная. Работа с симулятором PDP11.
Тема 3. (2 часа) Командный репертуар процессора Intel 8086. Составление и пошаговая отладка программы с использованием отладчика.
Тема 4. (3 часа) Программная модель компьютера 8086 с графическим интерфейсом. Простые программы с использование команд ввода и вывода.
Тема 5. (2 часа) Командный репертуар процессора с плавающей точкой.
Тема 6. (2 часа) Команды работы с регистрами периферийных устройств. Индексированный доступ к регистрам RTC.
Тема 7. (4 часа) Программирование видеоадаптеров. Доступ в видеопамять (текстовой и графический режимы), преобразования информации при записи (графические режимы) .
3. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Программой дисциплины предусмотрено чтение лекций, проведение практических занятий. В течение изучения дисциплины студенты изучают на лекционных занятиях теоретический материал. На практических занятиях под руководством преподавателя, решают типовые задачи программирования, обсуждают возникающие вопросы и проблемы, разбирают и анализируют наиболее удачные практики программирования.
Для студентов в качестве самостоятельной работы предполагается подготовка докладов и сообщений, выполнения домашних заданий, групповая работа над задачами по программированию.
4. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ КУРСА
4.1 Перечень и тематика самостоятельных работ студентов по дисциплине
1. Синтаксис и семантика языков Ассемблера NASM и TASM. Декларации и использование переменных различных типов. Представление различных видов адресации и команд и 64-разрядной архитектуры.
2. Осуществление доступа к портам ввода-вывода в ОС Linux при помощи драйвера псевдоустройства «port». Программирование порта параллельного интерфейса.
4.2 Контрольные вопросы для самостоятельной оценки качества освоения учебной дисциплины
1. Как зависит от разрядности ЭВМ ее производительность?
1. Приведите примеры архитектур ЭВМ, не соответствующих принципам фон Неймана.
2. Какие принципиальные отличия в работе ЭВМ произошли после появления внешних накопителей на жестких магнитных дисках.
2. Перечислите основные элементы современного процессора.
1. Перечислите три принципа построения вычислительных машин Фон-Неймана.
2. Можно ли построить ЭВМ имеющую только безадресные команды?
3. Какую разрядность имеют современные процессоры фирмы Intel?
4. В какой момент времени происходит увеличение счетчика команд?
5. Почему регистра процессора Intel80x86 названы AX, BX, CX, DX?
6. Какая информация содержится в регистре состояния?
7. Как зависит производительность ЭВМ от тактовой частоты?
8. Сколько целочисленных регистров в процессоре Itanium?
9. В каких процессорах используется микросуперскалярность
10. Какое количество байтов может максимально занимать команда процессора 8086?
11. Какие из перечисленных записей и почему не являются правильными командами I8086? Mov ax, dx // Mov bl, [SI] //Mov dl, [DX]//Movsd //Mov R, es:[bp]
12. Какие регистры процессора Intel8086 можно использовать для косвенной адресации?
13. В каком из регистров процессора хранятся биты переноса?
14. Определите значение регистров AX и CF после выполнения команд, если перед выполнением команд значения регистров были следующими: AX=00FH, BX=00F8H, CX=0F80, DX=3, SI=0F800H, CF=0 ( ADD AL, BL и SUB AX, BX и IMUL AL, DL и IMUL AX, DX и SUB AX, CX а также XCHG AL, AH).
15. Определите значение регистров AX и CF после выполнения команд, если перед выполнением команд значения регистров были следующими: AX=00FH, BX=00F8H, CX=0F80, SI=0F800H, CF=0 (AND AL, BL и AND AX, BX и SHR AX и RCR AX и TEST AX,SI и XOR AX, CX).
16. Смещение в командах Intel8086 короткого условного перехода занимает 8 бит, так же как и в процессоре pdp11, почему же диапазон адресов для перехода вдвое уже?
17. Какие из приведенных пар команд являются синонимами? (JS JNG) или (JG JNLE) или (JE JZ) или (JA JNBE) или (JL JAE) или (JNA JBE)
18. Напишите последовательность команд для выполнения сложения 24-разрядных чисел без знака.
19. Напишите программу поиска строки из трех символов в символьном массиве с использованием строковых команд
20. Раскройте смысл понятия «спрятанный бит».
21. Укажите размер экспоненциальной части для чисел разной точности в сопроцессоре.
22. Из всех приведенных команд выделите только трансцендентные команды: (FADD FSIN FCOM FSQRT FPTAN F2XM1 FCHS).
23. Из всех приведенных команд выделите только административные команды: (FPREM FNOP FLDCW FSCALE FFREE FLDENV FSTP).
24. Какие регистры изменяют свое значение при выполнении команды FINIT?
25. Какое число будет находиться в регистрах ST(0) и ST(1) после выполнения следующих команд, если перед выполнением значения были 1 и 2 соответственно?
FADD
FADD ST(0)
FADD ST(0), ST(1)
FADD ST(1)
26. Сравните схемы вычисления физического адреса реального режима и страничным преобразованием.
27. Укажите размер параграфа памяти для разных режимов работы процессора I8х86 (в байтах).
28. С каким фактором в наибольшей степени связана необходимость увеличения объема кэш-памяти в современных вычислительных системах?
29. В чем состоят преимущества и недостатки сегментной организации памяти по сравнению с организацией отображения при помощи диспетчера памяти?
3. Укажите составные части интерфейсного адаптера, обязательные для его функционирования.
1. Какие существуют способы доступа к регистрам контроллеров (RTC,video)?
2. Приведите доводы в пользу многоуровневой системы прерываний и против нее.
3. Сколько независимых линий прерываний могут обслужить два контроллера прерываний?
4. Какие устройства не имеют фиксированных значений IRQ?
5. Почему для устройств ввода-вывода не используется линия IRQ2?
6. Как можно реализовать использование одной линии IRQ несколькими устройствами?
7. Назовите общее количество регистров графического адаптера (укажите наиболее приемлимый диапазон значений)
8. Для чего предназначен контроллер синхронизатора в видеоадаптере?
9. Для чего предназначен контроллер атрибутов в видеоадаптере?
10. Опишите, как можно реализовать плавный (попиксельный) сдвиг (скроллинг) экрана в горизонтальном и вертикальном направлениях
11. Для чего используется z-буферизация?
12. Укажите, что наименее всего влияет на ускорение вычислений при использовании многопроцессорной системы?
13. Что из тех же пунктов влияет в большей степени на скорость вычислений?
14. Назовите основные достоинства и недостатки архитектуры с симметричными процессорами (SMP), приведите пример эффективного использования SMP-архитектур.
15. На каких из следующих задач можно получить наименьший коэффициент ускорения при использовании параллельных вычислительных систем?
16. Объясните, за счет каких факторов происходит ускорение вычислений в задачах, входящий в перечень предыдущего вопроса.
17. Приведите примеры задач, для которых можно эффективно использовать систолические вычислительные системы с древовидной коммутацией процессоров.
4.3 Методические рекомендации по организации СРС
Для студентов в качестве самостоятельной работы предполагается подготовка докладов и сообщений, выполнения домашних заданий, групповая работа над задачами по программированию.
4.4 Рекомендации по работе с литературой
Дисциплина "Архитектура ЭВМ и систем" и сходные по направлению дисциплины изучаются студентами со времени разработки первых ЭВМ. Она претерпевала значительные изменения в силу стремительного прогресса в области вычислительной техники. Издано множество учебников, учебных пособий и сборников задач с грифами Министерства образования РФ «Рекомендовано в качестве учебника» и «Допущено в качестве учебного пособия» по всем темам дисциплины, но многие из них устарели. В силу этого в список рекомендованной литературы включены только издания, содержащие фундаментальные знания, не претерпевшие изменений за последние годы, и новые источники, отражающие современное состояние в рассматриваемой области.
Для изучения теоретического материала по дисциплине (темы 3, 5, 6, 7, 9) можно предложить классический учебник [1].
Параллельно с ним для изучения тем 1, 2, 3, 5, 6 рекомендуется использовать [2,3], где ряд вопросов рассмотрен несколько более подробно и дополнительно [6-8].
Для закрепления материала (приобретения практических навыков написания программ на ассемблере) по темам 1, 2, 4 предпочтительнее использовать задачи из [3].
При выполнении контрольных работ и индивидуальных заданий рекомендуется использовать [1,3,4, дополнительную литературу].
Для выполнения лабораторных работ во ВГУЭС материалы в достаточном количестве изданы и размещены на сервере [5]. Эти материалы соответствуют перечню лабораторных работ раздела 2.2.
5. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
5.1 Основная литература
1. , . Архитектура микропроцессора 80286: М., Радио и связь, 1990.
2. Таненбаум "Многоуровневая организация ЭВМ", М.: Мир, 2002
3. Л. Дао. Программирование микропроцессора 8088: Пер. с англ. под ред. . М., Мир, 19с.
4. , . Программирование видеоадаптеров CGA, EGA и VGA: М., "Диалог-МИФИ", 1992, - 287 с.
5. ftp://bkv. *****/pub/EWM. (только из локальной сети ВГУЭС)
5.2 Дополнительная литература
6. Майерс "Архитектура ЭВМ", 2 тома, М.:Мир,
7. Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия. — СПб.: Питер, 2002.
8. , . Архитектура и программирование микропроцессора Intel 80386. М., ТОО "Конкорд", 1992
9. Эндрю Таненбаум, Тодд Остин. Архитектура компьютера (6-е издание),
Питер, Спб, 2013.
5.3 Полнотекстовые базы данных – нет
5.4 Интернет-ресурсы
10. http://www. *****/cat/Languages/Assembler/ - материалы по программированию на Ассемблере
6. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
При проведении лекционных занятий для ряда тем необходимо наглядные пособия в виде компонентов компьютера.
Для проведения лабораторных работ используются программные средства отладки, такие как afd, turbodebugger, эмуляторы 16, 32 и 64-разрядных процессоров, виртуальные машины VirtualBox. Программной средой являются операционные системы Linux и MS Windows.
Техническое и лабораторное обеспечение – компьютерный класс, аудитория с презентационным оборудованием.
7. СЛОВАРЬ ОСНОВНЫХ ТЕРМИНОВ
CISC - компьютерная архитектура, направленная на включение в командный набор наибольшего числа из потенциально применимых операций.
RISC - компьютерная архитектура, направленная на включение в командный набор только операций для работы с регистрами, операций перехода и обмена с памятью. Как правило, содержит большое количество операционных регистров.
VLIW - компьютерная архитектура, ориентированная на использование машинных команд высокой разрядности (от английского "Very Large Instruction Word").
Команда - инструкция, - элементарное действие (или набор элементарных действий), выполняемое центральным процессором, закодированное, как правило, в одной ячейке памяти (или фиксированном количестве байтов).
Командный набор - (командный репертуар), - множество команд, выполняемых процессором с данной архитектурой.
Кэш-память - быстродействующая ассоциативная память, сохраняющая недавно использованные ячейки основной памяти. Различают три типа кэш-памяти, - КП команд, КП данных, КП дескрипторных таблиц (TLB).
Метод адресации - способ извлечения операндов, необходимых для выполнение машинной команды.
Операнд - содержимое регистра или ячейки памяти, над которым выполняются действия, определенные в текущей команде.
Регистр - сверхоперативная память, используемая центральным процессором или устройством, построенная на триггерных запоминающих элементах.
Формат команды - состав битовых полей машинной команды.
Центральный процессор, CPU - основная часть вычислительной машины, в современном CPU наряду с традиционно упоминаемыми устройствами (управления и арифметико-логическое), присутствуют блоки кэш-памяти, контроллеры магистралей, блоки прогнозирования условных переходов и др.
