МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
 |
Факультет автоматики и вычислительной техники
Кафедра Вычислительной техники
"УТВЕРЖДАЮ"
Декан АВТФ _____________
«__»_________2006 г.
Р А Б О Ч А Я П Р О Г Р А М М А
по дисциплине «Организация ЭВМ и систем»
Направление 230100 «Информатика и вычислительная техника» (бакалавр)
Специальность 230105 «Программное обеспечение средств ВТ и АС»
(инженер)
Курс 3, семестр 6
6 семестр
Лекции – 51 час.
Лабораторные занятия – 17 часов.
Расчетно-графическая работа – 6 семестр.
Индивидуальная работа – 52 часа.
Экзамен.
Всего часов – 120.
2006г.
Дисциплина «Организация ЭВМ и систем» включена в учебный план для специальности 230105 как федеральный компонент (шифр ГОС – ОПД. Ф.08) в цикл «Общепрофессиональные дисциплины» (учебный план набора 2001 г.).
Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (регистрационный номер 224 тех/дс, утвержден 27.03.2000г.) по направлению 230100 «Информатика и вычислительная техника», специальности 2301051 «Программное обеспечение средств ВТ и АС»
Программу разработал:
к. т.н., доцент кафедры ВТ
Заведующий кафедрой ВТ,
ответственный за основную
по направлению
230100, д. т.н., профессор
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры вычислительной техники «30 января 2006 г., протокол № 1.
1.ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ изучения дисциплины, её МЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ
1.1 Внешние требования.
ОПД. Ф.08 | Организация ЭВМ и систем: |
основные характеристики, области применения ЭВМ различных классов; функциональная и структурная организация процессора; организация памяти ЭВМ; основные стадии выполнения команды; конвейеризация, организация прерываний в ЭВМ; организация ввода-вывода; периферийные устройства (бакалавр), взаимодействие с периферийными устройствами (инженер); архитектурные особенности организации ЭВМ различных классов; параллельные системы; понятие о многомашинных и многопроцессорных вычислительных системах (ВС). |
1.2 Цель изучения дисциплины.
Целью изучения дисциплины является приобретение студентами знаний о принципах построения современных ЭВМ, комплексов и систем; основ организации ЭВМ и систем, подсистем ЭВМ, их взаимодействия между собой, приобретение знаний и навыков, необходимых для профессиональной деятельности.
1.3 Задачи изучения дисциплины.
В результате изучения дисциплины студенты должны:
ЗНАТЬ архитектуру, характеристики, возможности и области применения ЭВМ и систем основных классов и типов; состав, принципы организации и функционирования отдельных подсистем, ЭВМ и систем в целом; современные тенденции развития информатики и ВТ, компьютерных технологий и пути их применения в научно-исследовательской, проектно-конструкторской, производственно-технологической и организационно-управленческой деятельности; технологии и инструментальные средства, применяемые на всех этапах разработки ПП.
владеть, анализа работы узлов и блоков ЭВМ; методами и средствами анализа, описания и проектирования человеко-машинного взаимодействия, инструментальными средствами разработки пользовательского интерфейса.
уметь применять методы и технологии разработки объектов профессиональной деятельности; методы и средства анализа и моделирования объектов профессиональной деятельности и их компонентов.
Уровень знания проверяется на экзамене, умения и навыки - по результатам выполнения лабораторных и расчетно-графической работ.
1.4 Место дисциплины в учебном процессе.
Дисциплина базируется на материале, излагаемом в курсах «Электротехника», «Электроника», «Схемотехника». В свою очередь она является базовой для дисциплин: «Моделирование», «Периферийные устройства ЭВМ», «Сети ЭВМ и телекоммуникации» «Микропроцессорные системы».
Вопросы, связанные с изучением многомашинных вычислительных комплексов, многопроцессорных, матричных, конвейерных, потоковых, транспьютерных систем, подробно рассматриваются в дисциплине «Сети ЭВМ и телекоммуникации».
2.наименование разделов, тем и их объем в часах
Раздел 1
Общие сведения об ЭВМ
(2 часа)
Классификация ЭВМ; супер-ЭВМ, универсальные, мини- микроЭВМ, параллельные системы. Основные характеристики ЭВМ. Проектирование ЭВМ. Архитектурные принципы фон Неймана. Другие виды архитектур. Принцип программного управления. Иерархический принцип организации технических средств ЭВМ.
Раздел 2
Процессоры
(23 часа)
Тема 2. Основные понятия
Скалярные, суперскалсрные и векторные процессоры; многоблочные архитектуры. RISC и CISC процессоры. Матричные процессоры.
Тема 3. Операционные устройства
Назначение, структуры, основные характеристики операционных устройств. Арифметико-логические устройства (АЛУ), назначение, классификация. Основные характеристики АЛУ. Структурные схемы АЛУ и машинные алгоритмы выполнения арифметических операций над двоичными числами с фиксированной точкой. Структура АЛУ для обработки двоичных чисел с плавающей точкой. Методы повышения производительности АЛУ. АЛУ с конвейерной обработкой операндов.
Тема 4. Устройства управления
Классификация УУ. Понятие операции, микрооперации; цикла, такта. Структуры команд, система адресации ЭВМ. Этапы исполнения команд, рабочий цикл процессора. Конвейер команд. Блок формирования адресов.
Тема 5. Схемно-логические устройства управления
Обобщенная структурная схема схемно-логических УУ; принципы проектирования.
Тема 6. Микропрограммные устройства управления
Макро - и микро - уровни управления. Структуры микрокоманд, методы кодирования микрокоманд и минимизация объема управляющей памяти. Методы адресации микрокоманд. Организация дву - и многонаправленных переходов, циклов, обращений к микроподпрограммам. Методы повышения быстро действия МУУ: параллельная выборка микрокоманд, конвейеризация. Сравнительная оценка схемно-логических и микропрограммных УУ. Микропрограммное управление блоком синхронизации. Переменная длительность такта.
Тема 7. Системы прерывания программ
Понятие прерывания программ, внутренние и внешние прерывания. Характеристики систем прерывания. Структуры систем прерывания. Методы определения допустимого момента прерывания. Способы возврата из прерываний. Приоритетное обслуживание прерываний, управление приоритетами, приоритеты между запросами (источниками) и программами. Понятие слова состояния программы (ССП) и его структура. Запоминание и восстановление ССП. Распознавание причин прерывания и организация вхождения в прерывающую программу. Технические средства обработки прерываний. Примеры структур контроллеров прерываний. Примеры обработки прерываний в ЭВМ.
Раздел 3
запоминающие устройства
(6 часов)
Тема 8. Общие положения
Основные характеристики запоминающих устройств. Иерархическая структура памяти ЭВМ. Перспективы развития ЗУ.
Тема 9. Организация оперативной памяти ЭВМ
Организация и управление оперативной памятью ЗВМ. Блочные, (секционированные), многопортовые ЗУ, оперативная память с расслоением обращений. Способы расширения объема оперативной памяти.
Тема 10. Безадресные запоминающие устройства
Стек; аппаратная и программная реализации. Ассоциативные ЗУ. Логическая организация, особенности ассоциативных ЗУ. Согласование пропускной способности процессора и оперативной памяти. Кэш-память; назначение, структурная организация. Основные элементы Кэш-памяти и ее эффективность. Разделение буфера. Алгоритмы свопинга. Замещение информации в Кэш-памяти.
Раздел 4
Многопрограммные ЭВМ
(7 часов)
Тема 11. Общие положения
Эволюция однопрограммных ЭВМ, причины появления многопрограммных ЭВМ. Режимы работы и формы эксплуатации многопрограммных ЭВМ.
Тема 12. Оперативная память многопрограммных ЭВМ
Динамическое распределение памяти. Понятие виртуальной памяти. Страничная организация памяти. Формирование адресов при страничной организации памяти. Аппаратное обеспечение страничной организации памяти. Обмен страницами между оперативной и внешней памятью. Странично-сегментная организация памяти, формирование адресов. Примеры.
Тема 13. Защита информации
Защита информации в многопрограммных ЭВМ. Способы защиты оперативной памяти. Программные методы защиты; пароли и их классификация.
Раздел 5
Организация ввода-вывода В эвм
(7 часов)
Тема 14. Общие положения.
Организация ввода-вывода в ЭВМ с различной архитектурой.
Тема 15. Ввод-вывод в персональных компьютерах
Виды обмена: программноуправляемый (условный), по прерываниям, с прямым доступом к памяти (ПДП). Режимы прямого доступа к памяти. Структура, основные функции контроллера ПДП. Периферийные устройства: жесткие диски, оптические диски, мониторы, принтеры.
Тема 16. Ввод-вывод в ЭВМ широкого применения
Ввод-вывод в ЭВМ с разделяемой оперативной памятью. Каналы (сопроцессоры) ввода-вывода, их назначение, классификация. Управление каналами; логический и физический уровни управления.
Раздел 6
ИНТЕРФЕЙСЫ ЭВМ, СИСТЕМ И СЕТЕЙ
(данный раздел вынесен на самостоятельное изучение в рамках выполнения расчетно - графической работы)
Основные понятия, классификация интерфейсов. Принципы организации интерфейсов. Структура связей, функциональная организация интерфейсов. Эталонная модель «Взаимосвязь открытых систем», иерархия протоколов сетей. Сравнительные характеристики наиболее распространенных интерфейсов.
Раздел 7
Системы автоматического контроля и диагностики эвм
(2 часа)
Тема 17. Общие положения
Основные характеристики надежности ЭВМ. Принципы организации контроля. Функции систем контроля и диагностики. Классификация методов контроля.
Тема 18. Аппаратный контроль
Контроль хранения и передачи информации: код с проверкой четности (нечетности), самокорректирующиеся коды, код Хемминга. Контроль арифметических и логических операций, числовой контроль по модулю.
Тема 19. Программный контроль
Организация программного контроля. Алгоритмы программного контроля. Взаимодействие систем автоматического контроля, восстановления вычислительного процесса и диагностирования.
Раздел 8
АНАЛОГОВЫЕ И ГИБРИДНЫЕ ЭВМ И КОМПЛЕКСЫ
(6 часов)
Тема 20. Аналоговые вычислительные устройства
Общие принципы построения аналоговых вычислительных машин. Режимы работы, схемы решающих усилителей; погрешности. Нелинейные решающие блоки.
Тема 21. Гибридные вычислительные устройства
Отличительные особенности гибридных вычислительных устройств. Цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи (ЦАП и АЦП). Схемы ЦАП; система параметров, основные источники погрешностей. Алгоритмы АЦ преобразования и структурные схемы АЦП. Система параметров АЦП, основные источники погрешностей. Сопряжение аналоговых и цифровых вычислительных машин.
3. Лабораторные работы
1. Изучение универсального макета - 4 часа.
2. Изучение методов построения счетчиков с произвольным модулем счета - 4 часа.
3. Изучение методов умножения двоичных чисел - 4 часа.
4. Изучение методов деления двоичных чисел - 4 часа.
4. Примерный перечень экзаменационных вопросов
1. Архитектурные принципы построения ЗВМ. Классификация ЭВМ, процессоров. Особенности архитектуры IA-64. Технология EPIC.
2. Основные характеристики ЭВМ.
3. Классификация, функции устройств управления.
4. Структуры команд ЭВМ. Адресность ЭВМ. Место адресного сопроцессора в структуре ЭВМ.
5. Этапы исполнения команд; рабочий цикл процессора. Конвейер команд.
6. Схемно-логические устройства управления, принципы построения.
7. Структура, функционирование микропрограммных устройств управления. Виды микропрограммного управления (МПУ) и их сравнительная оценка.
8. Классификация способов адресации микрокоманд и их сравнительная оценка. Реализация переходов.
9. Понятие прерывания программ. Типы прерываний. Характеристики, структуры систем прерываний и их сравнительная оценка.
10.Способы обнаружения запросов, распознавания причин прерывания и способы формирования начального адреса прерывающей программы.
11.Методы определения допустимого момента прерывания. Обработка прерываний на уровне команд и на уровне микрокоманд. Схемы.
12.Организация вхождения в прерывающую программу. Таблица векторов прерываний.
13.Способы возврата из прерываний.
14.Приоритетное обслуживание прерываний.
15.Понятие слова состояния программы (ССП), структура ССП. Методы запоминания и восстановления ССП.
16.Назначение, функции структуры контроллеров прерываний. Примеры.
17.Классификация, характеристики запоминающих устройств. Структура памяти ЭВМ.
18.Способы организации оперативной памяти ЭВМ.
19.Назначение, структурная организация КЭШ-памяти. Место КЭШа в структуре процессора.
20.Алгоритмы свопинга и замещения информации в КЭШе.
21.Организация, хранение, использование страничных таблиц. Стратегия замещения страниц.
22.Странично-сегментная организация памяти. Формирование физических адресов. Особенности сегментно-страничной организация памяти в МП фирмы Intel или AMD.
23.Защита информации в ЭВМ. Защита оперативной памяти.
24.Архитектура и организация ввода-вывода в ЭВМ; виды ввода-вывода.
25.Ввод-вывод с прямым доступом к памяти.
26.Структура и функции контроллера ПДП.
27.Назначение, классификация сопроцессоров ввода-вывода. Управление сопроцессорами. Понятие программы управления сопроцессором ввода-вывода.
28.Структура и работа сопроцессора ввода-вывода в селекторном режиме.
29.Структура и работа сопроцессора ввода-вывода в мультиплексном режиме.
30.Принципы организации контроля функционирования ЭВМ. Классификация методов контроля. Программный контроль.
31.Аппаратные методы контроля арифметических и логических операций.
32.Интерфейсы ЭВМ и систем. Классификация, основные понятия.
33.Принципы организации интерфейсов, структура связей, функциональная организация.
34.Принципы построения, схемы цифро-аналоговых преобразователей код–напряжение. Статические и динамические параметры ЦАП. Факторы, влияющие на погрешность ЦАП.
35.Алгоритмы работы, схема аналого-цифровых преобразователей напряжение–код.
36.Статические и динамические параметры аналого-цифровых преобразователей. Факторы, влияющие на погрешность АЦП.
37.Принципы хранения и размещения информации на магнитных дисках.
38.Принципы хранения и размещения информации на оптических дисках.
5. КРИТЕРИИ ОЦЕКИ ЗНАНИЙ НА ЭКЗАМЕНЕ
Экзаменационная оценка «отлично» выставляется по дисциплине, если студент полностью, подробно отвечает на вопросы билета (с подготовкой) и заданные во время ответа дополнительные 2-3 вопроса (без дополнительной подготовки), понимает суть излагаемого материала, может свободно беседовать с экзаменатором по заданным вопросам, пояснить суть ответа.
Оценку «хорошо» студент получает, если не полностью раскрывает суть вопроса, испытывает затруднения в беседе с экзаменатором по вопросам билета и/или по 2-3 дополнительным вопросам, неточно определяет и/или понимает основные понятия.
Положительную оценку «удовлетворительно» студент получает в том случае, если формально отвечает на вопросы билета и дополнительные, включая определения понятий, но не может пояснить детали, привести примеры без подсказки преподавателя, точно нарисовать структурные схемы или написать формулу, дать определение и т. д.
Оценка «удовлетворительно» не может быть получена, если студент не может раскрыть содержание вопросов экзаменационного билета более чем на 50%, не отвечает на уточняющие, дополнительные вопросы.
6. литература
Основная
1. , Орлов ЭВМ и систем. Учебник для вузов.–СПБ.: Питер, 2005.–672 с.: ил. (электронный вариант).
2. Каган вычислительные машины и системы. Уч. пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп.–М.: Энергоатомиздат, 1991,-592 с. (электронный вариант).
Дополнительная
1. Организация ЭВМ и систем. 5-е изд./ К. Хамахер, З. Вранешич, С. Заки.–СПБ.: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2003.–848 с.: ил.–(Серия «Классика computer science»).
2. Фрир Дж. Построение вычислительных систем на базе перспективных микропроцессоров.: Пер. с англ.–М.: Мир, 1990–413 с.
3. Быстродействующие системы памяти.: Пер. с англ.–М.: Мир, 1987,–204 с.
4. и др. Компьютеры на СБИС. В 2-х кн.: Пер. с япон.- М.: Мир, 1988,- Кн.1–392 с.–Кн.2–342 с.
5. Григорьев i486. Архитектура и программирование. (в 4-х книгах). Книга 1. Программная архитектура с.346, ил.87. Книга 2. Аппаратная архитектура. Книга 3. Устройство с плавающей точкой. Книга 4. Справочник по системе команд.–М., ГРАНАЛ. 1993.- с.382, ил.54
6. и др. Интерфейсы систем обработки данных: Справочник , , ; Под ред. .–М.: Р и С, 1989-416 с., ил.
7. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC: Пер. с англ./Под ред. У. Томпкинса, Дж. Уэбстера.–М,: Мир, 1992.–592 с., ил.
8. Аппаратные средства микроЭВМ.: Пер. с япон. - М.: Мир, 1988–342 с.
9. , Дианов средства и системы.–М.: Р и С, 1989–288 с.
