МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет «Электромеханический»
Кафедра «Электротехнические комплексы»
"УТВЕРЖДАЮ"
Декан ЗФ
д. т.н., проф. ____________ С.
"__"_________2007 г.
Р А Б О Ч А Я П Р О Г Р А М М А
по дисциплине "Вычислительные машины, системы и сети"
для специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств в нефтегазовой отрасли»
Факультет ЭМФ
Кафедра «Электротехнические комплексы»
Курс 3 Семестр 5
Форма обучения очная
Лекции – 14 часа;
Лабораторные работы – 8 часов;
Практические занятия – 8 часов;
Самостоятельная работа – 115 часов;
Экзамен
Всего часов - 145.
Новосибирск 2007г.
Дисциплина «Вычислительные машины, системы и сети» включена в учебный план для специальности 220301 как федеральный компонент в цикл «Специальные дисциплины» по направлению подготовки дипломированного специалиста 657900 – «Автоматизированные технологии и производства».
Регистрационный номер 514тех/дс от 01.01.2001 г.
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры ЭТК? августа 200? года, протокол №??.
Программу составил
к. т. н., доцент кафедры ЭТК Ю. А. Прокушев
Заведующий кафедрой ЭТК
д. т. н., профессор Н. И. Щуров
1.МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ЕЕ ИЗУЧЕНИЯ, ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ И ФОРМЫ ОТЧЕТНОСТИ
1.1. Внешние требования.
СД. 03 | Вычислительные машины, системы и сети: |
Принципы построения вычислительных машин (ВМ), модели вычислений, многоуровневая организация вычислительных процессов, аппаратные и программные средства, классификация, назначение; понятие 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. |
1.2 . Цель изучения дисциплины.
Целью изучения дисциплины является приобретение студентами знаний о принципах построения современных ЭВМ, комплексов, систем и сетей ЭВМ; основ организации ЭВМ, систем и сетей ЭВМ; приобретение знаний и навыков, необходимых для профессиональной деятельности.
1.3. Задачи изучения дисциплины.
В результате изучения дисциплины студенты должны:
ИМЕТЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ об архитектуре информационно-вычислительных и проблемно-ориентированных системах, глобальных и локальных сетях ЭВМ, о ЭВМ с различной структурой; об интерфейсах, об организации функционирования систем и сетей ЭВМ.
ЗНАТЬ архитектуру, характеристики, возможности и области применения ЭВМ, систем и сетей основных классов и типов; состав, принципы организации и функционирования отдельных подсистем, ЭВМ, систем и сетей в целом.
УМЕТЬ И ИМЕТЬ НАВЫКИ выбора архитектур и средств комплексирования современных ЭВМ, систем и сетей, режимов функционирования, разрабатывать структурные и функциональные схемы всех составляющих компонентов.
Уровень знания проверяется на зачете, умения и навыки - по результатам выполнения контрольной и лабораторных работ.
Учебным планом установлен следующий порядок изучения дисциплины:
5 семестр
· Лекции – 34 часа;
· Самостоятельное изучение всех разделов и тем с обязательным составлением конспекта и выполнением контрольной работы – 60 часов;
· Выполнение контрольной работы – 5 часов;
· Предварительная подготовка и выполнение лабораторных работ – 34 часа (самостоятельная работа – 17 часов, аудиторная работа – 17 часов);
· Экзамен.
1.4 . Место дисциплины в учебном процессе
Дисциплина базируется на материале, излагаемом в курсах «Информатика», «Программирование и основы алгоритмизации». Дублирование материала исключено взаимной увязкой рабочих программ смежных курсов. По предложениям студентов некоторые темы могут читаться в увеличенном объеме за счет сокращения часов на другие темы и вопросы, изучаемые студентами самостоятельно.
2. содержание дисциплины
Введение.
Общие сведения об ЭВМ. Классификация ЭВМ; универсальные мини-, микроЭВМ, параллельные системы. Многопроцессорные и многомашинные вычислительные системы. Основные характеристики ЭВМ. Проектирование ЭВМ. Архитектурные принципы фон Неймана. Другие виды архитектур. Принцип программного управления. Иерархический принцип организации технических средств ЭВМ.
2.2. Раздел 1. Процессоры.
Скалярные, суперскалярные и векторные процессоры; многоблочные архитектуры. RISC и CISC процессоры. Матричные процессоры. Конвейерные структуры. Представление данных в ЭВМ. Прямой, дополнительный и обратный коды, их преимущества и недостатки. Назначение, структуры, основные характеристики операционных устройств. Арифметико-логические устройства (АЛУ), назначение, классификация. Машинные алгоритмы выполнения арифметических операций над двоичными числами с фиксированной точкой. Машинные алгоритмы обработки двоичных чисел с плавающей точкой. Методы повышения производительности АЛУ. АЛУ с конвейерной обработкой операндов. Классификация УУ. Понятие операции, микрооперации; цикла, такта. Структуры команд, система адресации ЭВМ. Этапы исполнения команд, рабочий цикл процессора. Конвейер команд. Блок формирования адресов. Макро - и микро-уровни управления. Методы адресации микрокоманд. Методы повышения быстродействия микропрограммных УУ: параллельная выборка микрокоманд, конвейеризация. Понятие прерывания программ, внутренние и внешние прерывания. 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 прерываний и организация вхождения в прерывающую программу. Технические средства обработки прерываний.
2.3. Раздел 2. Запоминающие устройства.
Основные характеристики запоминающих устройств. Иерархическая структура ЭВМ. Перспективы развития ЗУ. Организация и управление оперативной памятью ЗВМ. Блочные, (секционированные), многопортовые ЗУ. Способы расширения объема оперативной памяти. 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.
2.4. Раздел 3. Многопрограммные ЭВМ.
Эволюция однопрограммных ЭВМ, причины появления многопрограммных ЭВМ. Режимы работы и формы эксплуатации 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. Защита информации в многопрограммных ЭВМ. Способы защиты оперативной памяти. Программные методы защиты.
2.5. Раздел 4. Организация ввода-вывода в ЭВМ.
Организация ввода-вывода в Эвм с различной архитектурой. 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. Ввод-вывод в ЭВМ широкого применения. Ввод-вывод в ЭВМ с разделяемой оперативной памятью. Сопроцессоры (каналы) ввода-вывода, их назначение, классификация. Управление каналами; логический и физический уровень управления.
2.6. Раздел 5. Интерфейсы ЭВМ, систем и сетей.
Основные понятия, классификация интерфейсов. Принципы организации интерфейсов. Структура связей, функциональная организация интерфейсов. Сравнительные характеристики наиболее распространенных интерфейсов.
2.7. Раздел 6. Системы автоматического контроля и диагностики ЭВМ.
Основные характеристики надежности ЭВМ. Принципы организации контроля. Функции систем контроля и диагностики. Классификация методов контроля. Аппаратный контроль. Контроль хранения и передачи информации: код с проверкой четности (нечетности), самокорректирующиеся коды, код Хэмминга. Контроль арифметических и логических операций, числовой контроль по модулю. Программный контроль. Организация программного контроля. Алгоритмы программного контроля. Взаимодействие систем автоматического контроля, восстановление вычислительного процесса диагностирования.
2.8. Раздел 7. Периферийные устройства.
Внешние запоминающие устройства. Накопители на магнитных дисках, магнитных лентах. Оптические накопители. Цифровые и аналого-цифровые преобразователи (ЦАП и АЦП). Мышки. Дисплеи. Клавиатуры. Принтеры.
2.9. Раздел 8. Вычислительные системы класса SIMD.
Векторно-конвейерные системы. Общие принципы магистральной обработки. Архитектурные принципы. Функциональные устройства. Скалярные и векторные регистры. Стадии параллелизма. Уровни реализации магистрального принципа. Системы STAR-100, CRAY-1. Матричные системы. Матричная обработка информации. Общие принципы построения и функционирования матричных архитектур. Массивы процессорных элементов. Сети обмена между процессорными элементами. Система ILLIAC-IV. Ассоциативные системы. Общие принципы ассоциативной обработки информации. Особенности поиска в ассоциативной памяти: маскирование и сравнение. Категории ассоциативных систем: полностью параллельные, поразрядно-последовательные, пословно-последовательные, блочно-ориентированные. Системы PEPE, STARAN. Флип-сеть. Систолические матричные процессоры. Общие принципы систолической обработки. Синхронность вычислений. Методы синхронизации. Н-деревья. Модульность и регулярность систолических массивов. Конвейеризуемость. Волновые матричные процессоры. Общие принципы волновой обработки. Асинхронные системы. Асинхронность систем, управляемых данными.
2.10. Раздел 9. Вычислительные системы класса MIMD.
SMR-системы. Общие принципы построения организации масштабируемых вычислительных систем. Система SP-2. Кластерные архитектуры. Общие принципы построения кластерных архитектур. Гетерогенные и гомогенный кластеры. MPP-системы. Особенности организации MPP-систем. Система CRAY ТЗД. Транспьютеры. Общие принципы построения транспьютерных систем. Транспьютерное семейство фирмы Inmos. Внутренняя архитектура транспьютера. Регистры. Поддержка параллелизма. Язык Оккам. Вычислительные системы с программируемой структурой. Модель коллектива вычислителей. Принципы построения. Функциональный, коммуникационно-настроечный автомат. Функциональная структура элементарной машины. Системные операции. Организация межмашинных взаимодействий. ОВС «Минимакс», «Сумма». Распределенные вычислительные системы. Системы АСТРА. Однородные вычислительные среды. Принципы построения вычислительных сред. Среды с коллективным и индивидуальным поведением элементов. Соединительные и функциональные элементы среды. Универсальность элементов вычислительной среды. Настройка среды. Отказоустойчивые вычислительные системы. Концепция устойчивости вычислительных систем к отказам. Требования к системам высокой готовности. Прямое и обратное восстановление в отказоустойчивых вычислительных системах. Эффект «Домино» и методы его устранения. Вычислительная система космического корабля «Шаттл».
2.11. Раздел 10. Методы параллельных вычислений.
Основные подходы при организации параллельных вычислений. Естественный параллелизм. Ярусно-параллельные формы. Крупноблочное распараллеливание. Особенности реализации Р-алгоритмов на распределенных вычислительных системах.
2.12. Раздел 11. Алгоритмы и методы организации функционирования вычислительных систем.
Основные понятия и методы планирования выполнения последовательности работ (заданий). Основные режимы функционирования ВС. Режим решения сложной задачи. Решение набора задач на ВС. Эвристические алгоритмы, основанные на минимизации функции штрафа. Функционирование ВС при поступлении потока задач. Основные подходы к решению задачи организации функционирования. Организация функционирования распределенных вычислительных систем. Понятие о надежности и живучести ВС.
2.13. Раздел 12. Производительность вычислительных систем.
Пиковая и реальная производительность. Закон Гроша. Способы измерения реальной производительности. Методы оценки производительности.
2.14. Раздел 13. Сети ЭВМ и телекоммуникации.
Общие принципы построения вычислительных сетей. Понятие «открытая система» и проблемы стандартизации. Модель OSI. Уровни и протоколы. Стек OSI. Протоколы канального, сетевого, транспортного и сеансового уровней. Конфигурации локальных вычислительных сетей и методы доступа в них. Разновидности сетей Ethernet. Технологии Token Ring, FDDI. Сети ЭВМ с моноканалом и кольцевые. Конфигурации глобальных сетей и методы коммутации в них. Сетевой уровень как средство построения больших сетей. Принципы маршрутизации, реализация межсетевого взаимодействия средствами TCP/IP.
2.15. Заключение.
Основные тенденции развития архитектурных принципов в области вычислительных систем и сетей.
3. Лабораторные занятия, их наименование, объем в часах (8 часов)
1. Оценка производительности вычислительных систем. (4 часа);
2. Настройка ПЭВМ (4 часа);
3. Внешние устройства вычислительных систем (4 часа).
4. Установка и настройка локальной вычислительной сети (4 часа);
Время на подготовку к лабораторной работе – 1 час.
4. примерный перечень вопросов для экзамена
1. Архитектурные принципы построения ЭВМ. Классификация ЭВМ.
2. Основные характеристики ЭВМ.
3. Структуры команд ЭВМ. Адресность ЭВМ. Место адресного сопроцессора в структуре ЭВМ.
4. Этапы исполнения команд; рабочий цикл процессора. Конвейер команд.
5. Структура, функционирование микропрограммных устройств управления. Виды микропрограммного управления (МПУ) и их сравнительная оценка.
6. Понятие прерываний программ. Типы прерываний. Характеристики, структуры систем прерываний и их сравнительная оценка.
7. Приоритетное обслуживание прерываний.
8. Понятие слова состояния программы (ССП), структура ССП. Методы запоминания и восстановления ССП.
9. Классификация, характеристики запоминающих устройств. Структура памяти ЭВМ.
10. Способы организации оперативной памяти ЭВМ.
11. Назначение, структурная организация КЭШ-памяти. Место КЭШа в структуре процессора.
12. Организация, хранение, использование страничных таблиц. Стратегия замещения страниц.
13. Защита информации в ЭВМ. Защита оперативной памяти.
14. Архитектура и организация ввода-вывода в ЭВМ; виды ввода-вывода.
15. Назначение, классификация сопроцессоров ввода-вывода. Управление сопроцессорами. Понятие программы управления сопроцессором ввода-вывода.
16. Принципы организации контроля функционирования ЭВМ. Классификация методов контроля. Программный контроль.
17. Аппаратные методы контроля арифметических и логических операций.
18. Интерфейсы ЭВМ и систем. Классификация, основные понятия.
19. Принципы организации интерфейсов, структура связей, функциональная организация.
20. Принципа хранения и размещения информации на магнитных дисках.
21. Классификация архитектур ВС.
22. Систематика Флинна.
23. Принципы магистральной обработки информации. Система CRAY.
24. Матричная обработка информации. ВС ILLIAC-IV.
25. Ассоциативные ВС. Система PEPE.
26. Систолические, волновые матричные процессоры..
27. Транспьютеры.
28. Транспьютеры фирмы Inmos.
29. Модель коллектива вычислителей.
30. Типовые схемы обмена информацией при реализации Р-алгоритмов.
31. Вычислительные среды. Функциональные и коммутационные элементы вычислительной среды.
32. ЭМ ОВС. Состав. Функциональное назначение.
33. Системное устройство ОВС. Системные операции.
34. Основные свойства ОВС с программируемой структурой.
35. Классификация ОВС. Области применения.
36. Архитектура ОВС «Минимакс».
37. Распределенные ВС. Особенности.
38. Отказоустойчивы ВС. Обнаружение ошибок.
39. Основные подходы при организации параллельных вычислений.
40. Крупноблочное распараллеливание.
41. Основные режимы функционирования ВС. Режим решения сложной задачи.
42. Решение набора задач на ВС.
43. Эвристические алгоритмы. Алгоритм, основанный на минимизации функции штрафа.
44. Функционирование ВС при поступлении потока задач.
45. Производительность ВС. Закон Гроша.
46. Методы оценки производительности.
47. Общие принципы построения вычислительных сетей.
48. Понятие «открытая система». Модель OSI.
49. Уровни и протоколы. Стек OSI.
50. Конфигурация локальных вычислительных сетей и методы доступа в них.
51. Разновидности сетей Ethernet.
52. Технология Token Ring.
53. Технология FDDI.
54. Конфигурации глобальных сетей и методы коммутации в них.
55. Сетевой уровень как средство построения больших сетей.
56. Принципы маршрутизации. Маршрутизаторы.
57. Протоколы управления, адресация в Internet.
58. Проблемы секретности в сетях ЭВМ и методы криптографии.
59. Основные тенденции развития архитектурных принципов в области вычислительных систем и сетей.
5. Критерии оценки знаний на экзамене
Для аттестации студентов используется 100-бальная система, приведённая в таблице.
Теоретический цикл (помодульно) | Лабораторные работы | РГР | экзамен | ||||||
Модуль | 1 | 2 | 3 | 1 | 2 | 3 | 4 | 15 | 40 |
Баллы | 3 | 7 | 5 | 4 | 4 | 4 | 4 | ||
Номер | Практические занятия | ||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | ||
Баллы | 1 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | |
Итого: 100 | |||||||||
Выполненные в течение семестра лабораторные работы должны быть защищены до 17 учебной недели включительно. Студент, не защитивший задание и лабораторные работы, не допускается к сдаче экзамена.
Выполненное в течение семестра задание должно быть защищено до 17 учебной недели включительно. При защите на 10…17 неделе максимальная оценка – 15 баллов, на 18 – 10 баллов, далее – 5 баллов.
Максимальная оценка лабораторной работы выставляется при условии защиты её в день выполнения. При защите в течение последующей недели максимальная оценка не более 3 баллов, в течение 2-ой – 2 балла, … на последней неделе семестра – 1 балл.
Студент, набравший в течение семестра более 60 баллов, может (по его желанию) получить экзамен-автомат в соответствии градацией рейтинговой системы при условии выполнения всех лабораторных работ и расчётно-графического задания.
В целях повышения семестрового рейтинга студент может выполнить дополнительно индивидуальное задание на согласованную с преподавателем тему. Максимальная оценка индивидуального задания – 15 баллов.
К сдаче экзамена допускается студент, набравший в семестре не менее 30 баллов.
Минимальна сумма баллов на экзамене – 20.
6. литература
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»).ё
2. Я., А. Организация ЭВМ и систем. Учебник для вузов.-СПб.: Питер, 2005.-672 с.: ил.
3. М. Электронные вычислительные машины и системы. Уч. Пособие для вузов-3-е изд., перераб. и доп.-М.: Энергоатомиздат, 1991.-413 с.
4. Фрир Дж. Построение вычислительных систем на базе перспективных микропроцессоров.: Пер. с англ.-М.: Мир, 1990.-413 с.
5. Быстродействующие системы памяти.: Пер. с англ. –М.: Мир, 1987.-204с.
6. и др. Компьютеры на СБИС. В 2-х кн.: Пер. с япон.-М.: Мир, 1988.-Кн.1-392 с.-Кн.2-342 с.
7. Комплект БИС К1804 в процессорах и контроллерах/ М., Е., С. и др.: Под ред. В. Б. Смолова, - М.: Р и С, 1990.-255 с.
8. Л. Микропроцессор 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
9. А. и др. Интерфейсы систем обработки данных: А. Мячев, В. Н. Степанов, В. К. Щербо; Под ред. А. А. Мячева.-М.: Р и С.
10. Б. А. Головкин «Параллельные вычислительные системы».-М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1980.-520 с.: ил.
11. А. М. Ларионов, С. А. Майоров, Г. Н. Новиков. Вычислительные комплексы, системы и сети: учебник для вузов.-Л.: Энергоатомиздат, 1987.-288 с.
12. В. Г. Хорошевский. Инженерный анализ функционирования вычислительных машин и систем.-М.: Радио и связь,1987.-256 с.
13. Э. В. Евреинов, В. Г. Хорошевский. Однородные вычислительные системы. «Наука», Сиб. Отделение, Новосибирск, 1987.
14. Транспьютеры./ под ред. Г. Харпа.-М.: Радио и связь, 1993.-304 с.
15. Л. Г. Додонов, М. Г. Кузнецова, Е. С. Горбанчик. Введение в теорию живучих вычислительных систем.-Киев: Наук. Думка, 1990.-184 с.
16. В. Г. Олифер, Н. А. Олифер. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. – СПб.: Питер, 2004. -864 с.: ил.
17. Э. А. Якубайтис. Локальные информационно-вычислительные сети. – Рига. Зинантне, 1985. -284 с.
18. Ю. А. Семенов. Сети Интернет. Архитектура и протоколы. –М., 1988. «Блик плюс».
19. Аппаратные средства локальных сетей. Энциклопедия. - СПб.: Питер, 2001. -576 с.: ил.
Основные порталы (построено редакторами)