Организация ЭВМ - Томский политехнический университет

УТВЕРЖДАЮ
Директор ИК
________________ Захарова А.А.
«___»_____________2015 г.
БАЗОВАЯ РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
Организация ЭВМ
НАПРАВЛЕНИЕ ООП
ПРОФИЛИ
ПОДГОТОВКИ
09.03.01 Информатика и вычислительная техника
Вычислительные машины, комплексы, системы и сети,
Информационно-коммуникационные технологии
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ)
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРИЕМА
КУРС 3 СЕМЕСТР 5
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ
КОД ДИСЦИПЛИНЫ
Виды учебной деятельности
Лекции, ч.
Лабораторные занятия, ч.
Практические занятия, ч.
Аудиторные занятия, ч.
Самостоятельная работа, ч.
ИТОГО, ч.
Вид промежуточной аттестации
Обеспечивающее подразделение
бакалавр
2015 г.
4 кредита ECTS
Б1.ВМ4.14
Временной ресурс по очной форме обучения
32
24
8
64
80
144
экзамен
кафедра ВТ
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ ВТ ____________ Марков Н.Г., профессор
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП
____________ Рейзлин В.И., доцент
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ
____________ Чередов А.Д.., доцент
2015 г.
1. Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины являются формирование у обучающихся: знаний по вопросам функциональной и структурной организации ЭВМ, ее составных
частей: центрального процессора и памяти; готовности применять полученные знания для решения инженерных задач; способности проводить анализ всего многообразие типов ЭВМ, выбирать, комплексировать и тестировать аппаратные средства
вычислительных систем; мотивации к самообразованию за счет активизации самостоятельной познавательной деятельности. Поставленные цели полностью соответствуют целям (Ц1-Ц5) ООП.
2.Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Организация ЭВМ» (Б1.ВМ4.14) является дисциплиной вариативной части блока Б1 междисциплинарного профессионального модуля (ВМ4).
Для её успешного усвоения необходимы знания основных понятий информатики и вычислительной техники, роли и значения информатики в современном обществе, форм представления и преобразования информации в компьютере; умения
применять вычислительную технику для решения практических задач, оперировать
элементами алгебры логики; владеть навыками работы на персональном компьютере.
Дисциплине «Организация ЭВМ» предшествует освоение дисциплин (ПРЕРЕКВИЗИТЫ):
 «Информатика 1, 2» (Б1.БМ2.4).
 «Введение в информационные технологии» (Б1.ВМ4.5).
 «Дискретная математика» (Б1.ВМ4.8).
 «Математическая логика и теория алгоритмов» (Б1.ВМ4.6).
Содержание разделов дисциплины «Организация ЭВМ» согласовано с содержанием дисциплин, изучаемых параллельно (КОРРЕКВИЗИТЫ):
 «Основы теории передачи информации» (Б1.ВМ5.1.1).
 «Теория автоматов» (Б1.ВМ5.1.2).
3. Результаты освоения дисциплины
В соответствии с требованием ООП освоение дисциплины направлено на
формирование у студентов следующих компетенций (результатов обучения), в т. ч.
в соответствии с ФГОС (табл. 1).
2
Таблица 1
Составляющие результатов обучения, которые будут получены
при изучении данной дисциплины
Результаты
обучения
(компетенции
из
ФГОС)
Р2 (ОК-7,
ОПК-2, 5,
ПК-1, 3)
Код
З.2.2
Знания
Составляющие результатов обучения
Код
Умения
Код
У.2.2
основы построения и архитектуры
ЭВМ технические
и эксплуатационные характеристики компьютеров классификации ЭВМ современное состояние и тенденции
развития ЭВМ
выбирать, комВ.2.2
плексировать и
тестировать аппаратные средства
вычислительных
систем выбирать
базовую конфигурацию компьютера использовать сеть Internet
для работы с Web
- серверами ведущих фирм
производителей
средств вычисл
и-тельной техники
Владение
навыками конфигурирования
компьютеров
различного
назначения.
В результате освоения дисциплины «Организация ЭВМ» студентами должны
быть достигнуты следующие результаты (табл. 2):
Таблица 2
Планируемые результаты освоения дисциплины
№ п/п
РД1
РД2
РД3
РД4
РД5
Результат
Знать архитектуру, характеристики, классификацию, современное состояние и тенденции
развития ЭВМ. Уметь проводить анализ различных типов ЭВМ с целью выбора наиболее
приемлемого варианта для конкретного использования.
Знать способы функциональной и структурной организации ЭВМ различных платформ
(типы данных, форматы команд, способы адресации информации). Уметь выбирать, комплексировать и тестировать аппаратные средства вычислительных систем.
Знать принципы функциональной и структурной организации центрального процессора
ЭВМ различных платформ. Уметь проводить сравнительный анализ параметров технических средств центрального процессора для различных ЭВМ.
Знать принципы организации подсистемы памяти ЭВМ. Уметь проводить сравнительный
анализ характеристик устройств памяти.
Знать способы организации системного интерфейса и ввода/вывода информации в ЭВМ.
Уметь выбирать базовую конфигурацию компьютера, использовать сеть Internet для работы с Web-серверами ведущих фирм - производителей средств вычислительной техники.
4. Структура и содержание модуля
Раздел 1. Архитектуры, характеристики, классификация ЭВМ
Основные понятия и определения (ЭВМ, вычислительная система, архитектура компьютера). Компоненты архитектуры компьютера. Развитие и классификация
однопроцессорных архитектур (SISD, SIMD, многопотоковые технологии и многоядерные структуры). Конвейерная и суперскалярная обработка команд. Классифи-
3
кация архитектур SISD (CISC, RISC, VLIW, EPIC-концепция). Способы реализации
архитектур SIMD. Технология ММХ и потоковые SIMD-расширения. Переход на
многоядерные структуры процессоров и многопотоковую обработку команд. Технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ. Энергоэффективность компьютеров. Классификация компьютеров (мэйнфреймы, супер компьютеры, микроЭВМ). Классификация микро-ЭВМ (персональные компьютеры, серверы, рабочие
станции, встраиваемые микро-ЭВМ). Особенности организации, классификация,
используемые платформы серверов, рабочих станций, персональных компьютеров.
Особенности организации, классификация, используемые платформы ноутбуков,
карманных персональных компьютеров.
Перечень лабораторных работ по разделу:
1. Изучение и анализ архитектуры персонального компьютера
2. Изучение и анализ технических и эксплуатационных характеристик ПК
3. Выбор конфигурации ПК по заданным характеристикам
4. Тестирование ПК на системных пакетах
Раздел 2. Функциональная и структурная организация ЭВМ
Обобщенная структура ЭВМ и пути ее развития. Типы данных (IA-32, MMX,
SSE, SSE-2, IA-64). Теги и дескрипторы. Структура и форматы команд ЭВМ. Способы адресации информации в ЭВМ (абсолютные, относительные). Непосредственная, прямая и косвенная адресация. Базирование способом суммирования и совмещения составляющих адреса. Индексная адресация. Форматы и способы адресации
в CISC-процессоров. Развитие системы команд х86. Обобщенный формат команд
IA-32. Основные принципы х86-64 архитектуры. Форматы команд RISC-процессора.
Особенности системы команд IA-64. Принципы организации системы прерывания
программ.
Перечень лабораторных работ по разделу:
5. Изучение форматов команд CISC и RISC процессоров
Раздел 3. Функциональная и структурная организация центрального процессора ЭВМ
Назначение и структура центрального процессора. Назначение, классификация
и организация центрального устройства управления. Регистровые структуры центрального процессора (IA-32, х86-64, IA-64).Особенности многоядерной микроструктуры процессоров Intel Core. Микроархитектура Intel Nehalem. Структурная
организация современных универсальных микропроцессоров Intel Westmere. Микроархитектура AMD K10. Микроархитектуры процессоров Intel Sandy Bridge и
Haswell.
Перечень лабораторных работ по разделу:
6. Изучение и анализ регистровых структур процессоров
7. Изучение и анализ микроархитектур процессоров Intel Core, Nehalem
8. Изучение и анализ микроархитектуры процессоров АМD K10
Раздел 4. Принципы организации подсистемы памяти ЭВМ и ВС
Иерархическая структура памяти компьютера. Организация стека регистров.
Способы организации кэш-памяти. Типовая структура кэш-памяти. Способы размещения данных в кэш-памяти. Методы обновления строк основной памяти. Методы замещения строк кэш-памяти. Принципы организации оперативной памяти (ОП).
4
Методы управления памятью. Организация виртуальной памяти. Методы повышения пропускной способности оперативной памяти. Методы ускорения процессов
обмена между ОП и внешними запоминающими устройствами.
Перечень лабораторных работ по разделу:
9. Изучение и анализ способов организации кэш-памяти
10. Изучение принципов организации оперативной и виртуальной памятей
Раздел 5. Организация системного интерфейса и ввода-вывода информации
Общая характеристика и классификация интерфейсов. Способы организации
передачи данных (программно-управляемая передача и прямой доступ к памяти).
Системная организация компьютеров на базе современных микропроцессоров Intel
Core i3/i5/i7 c использованием наборов системной логики (чипсетов).
Перечень лабораторных работ по разделу:
11. Изучение и анализ способов организации интерфейсов ЭВМ и ввода/вывода информации
5. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы
студентов
5.1 Виды и формы самостоятельной работы
Самостоятельная работа студентов включает текущую и творческую проблемно-ориентированную самостоятельную работу (ТСР).
Текущая СРС направлена на углубление и закрепление знаний студента,
развитие практических умений и включает:
 работу с лекционным материалом;
 подготовку к практическим (семинарским занятиям);
 опережающую самостоятельную работу;
 изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку;
 выполнение домашних заданий;
 подготовку к экзамену.
Творческая самостоятельная работа включает:
 поиск, анализ научных публикаций,
 структурирование, составление реферата;
 доклад по заранее определенной преподавателем теме.
5.2 Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется следующим образом:
 входной контроль;
 контроль за освоением теоретического материала, вынесенного на самостоятельную проработку (выступления на семинарских занятиях), тестирование;
 выполнение и защита лабораторных работ;
 рубежный контроль в виде одного коллоквиума по теоретической части;
 выполнение индивидуального задания (реферат по выданной теме) и его
защита (выступление с докладом на конференции).
5
6. Средства текущей и промежуточной оценки качества освоения дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины производится по результатам следующих контролирующих мероприятий:
Контролирующие мероприятия
Входной контроль
Выполнение и защита 4 лабораторных работ
Контроль за освоением теоретического материала,
вынесенного на самостоятельную проработку
Коллоквиум
Тестирование (11 тестов)
Реферат
Экзамен
Результаты обучения по
дисциплине
РД1 – РД5
РД1 – РД4
РД1 – РД2
РД1 – РД5
РД1 – РД5
РД1 – РД5
Для оценки качества освоения дисциплины при проведении контролирующих мероприятий предусмотрены следующие средства:
 перечень вопросов для входного контроля (табл. 3);
 вопросы для коллоквиума (табл. 4);
 перечень вопросов для тестирования (табл. 5);
 примеры экзаменационных билетов.
Вопросы входного контроля
1. Кодирование информации. Единицы измерения информации и их количественные соотношения.
2. Представление целых чисел со знаком и без знака. Прямой, обратный, дополнительный код числа.
3. Представление чисел в формате с плавающей запятой.
4. Принципы фон Неймана. Определение архитектуры ЭВМ.
5. Определение команды, системы команд, машинной программы. Состав машинных команд.
6. Основные компоненты ЭВМ. Назначение основных устройств процессора.
7. Организация памяти ЭВМ. Внутренняя и внешняя память.
8. Основные группы периферийных устройств.
9. Классификация ЭВМ по назначению и функциональным возможностям.
10. Программное обеспечение ЭВМ. Операционная система и ее назначение.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Вопросы для коллоквиума
Основные понятия и определения (ЭВМ, вычислительная система, архитектура ЭВМ). Группы характеристик, определяющих архитектуру ЭВМ.
Развитие и классификация однопроцессорных архитектур.
Конвейерная обработка команд.
Суперскалярная обработка.
Классификация архитектур SISD.
Особенности и примеры компьютеров с CISC – архитектурой.
Особенности и примеры компьютеров с RISC – архитектурой.
VLIW-архитектура.
EPIC-концепция.
6
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
Способы реализации архитектур SIMD (матричная и векторноконвейерная).
Технология ММХ и потоковые SIMD – расширения.
Многоядерные структуры процессора и многопотоковая обработка команд.
Технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ.
Энергоэффективность процессора.
Классификация ЭВМ по назначению и функциональным возможностям.
Особенности организации больших ЭВМ (мейнфреймы). История развития, современные разработки.
Особенности организации супер ЭВМ. Направления развития, современные разработки.
Классификация микро ЭВМ. Назначение, классификация, платформы
серверов.
Особенности организации ПЭВМ. Классификация, примеры современных ПЭВМ различных платформ.
Особенности организации рабочих станций (Work Station). История развития, платформы, современные разработки.
Особенности организации ноутбуков. Классификация, платформы, современные разработки.
Особенности организации карманных ПК. Классификация, платформы,
современные разработки.
Обобщенная структура ЭВМ и пути ее развития.
Типы данных.
Выбор структуры и формата команд.
Непосредственная, прямая и косвенная адресация.
Относительная адресация. Базирование способом суммирования.
Относительная адресация с совмещением (конкатенация) составляющих
исполнительного адреса.
Индексная адресация.
Перечень тестов
Тест 1. Однопроцессорные архитектуры компьютеров
Тест 2. Характеристики и классификация компьютеров.
Тест 3. Типы и форматы данных.
Тест 4. Структура команд и способы адресации.
Тест 5. Форматы команд в CISC и RISC-процессорах.
Тест 6. Регистровые структуры центрального процессора.
Тест 7. Микроархитектуры процессоров Intel Core, Nehalem.
Тест 8. Процессоры с микроархитектурой AMD K10 и др.
Тест 9. Способы организации кэш-памяти.
Тест 10. Принципы организации оперативной и виртуальной памяти.
Тест 11. Интерфейсы и ввод/вывод информации.
7
Примеры экзаменационных билетов
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 3
1. Классификация архитектуры SISD с краткой характеристикой классов.
(10 баллов)
2. Типы данных ММХ-технологии. (5 баллов)
3. Регистровые структуры процессоров х86-64 архитектуры (AMD64, Intel64).
(15 баллов)
4. Методы обновления строк в основной памяти и кэш-памяти. (10 баллов)
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 5
1. Основные характерные черты CISC-архитектуры. (5 баллов)
2. Типы данных IA-64. (10 баллов)
3. Центральное устройство управления микропрограммного типа.
(10 баллов)
4. Типовая структура кэш-памяти. (15 баллов)
7. Рейтинг качества освоения дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины в ходе текущей и промежуточной аттестации обучающихся осуществляется в соответствии с «Руководящими материалами по текущему контролю успеваемости, промежуточной и итоговой аттестации
студентов Томского политехнического университета», утвержденными приказом
ректора № 77/од от 29.11.2011 г.
В соответствии с «Календарным планом изучения дисциплины»:
 текущая аттестация, направленная на оценку качества усвоения теоретического материала (ответы на вопросы коллоквиума, доклады на семинарах, тестирование) и результатов практической деятельности (выполнение и защита отчетов по
лабораторным работам и индивидуальных заданий), производится в течение семестра и оценивается в баллах (максимально 60 баллов), к моменту завершения семестра
студент должен набрать не менее 33 баллов;
 промежуточная аттестация (экзамен) производится в конце семестра и так
же оценивается в баллах (максимально 40 баллов), на экзамене студент должен
набрать не менее 22 баллов.
Итоговый рейтинг по дисциплине определяется суммированием баллов, полученных в ходе текущей и промежуточной аттестаций. Максимальный итоговый рейтинг соответствует 100 баллам.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Основная литература:
1. Чередов А.Д. Организация ЭВМ и систем: учебное пособие / А.Д. Чередов;
Томский политехнический университет. – 3-е изд., перераб. и доп. – Томск:
Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 200 с.
2. Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем: учебник для вузов / С.А. Орлов, Б.Я.
Цилькер. – 3-е изд. – СПб.: Питер, 2014. – 688 с.
8
Дополнительная литература:
3. Новожилов О.П. Архитектура ЭВМ и системы. Учебное пособие для бакалавров. – М.: Изд-во Юрайт, 2015. – 527 с.
4. Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учебное
пособие для вузов / В.Л. Брайдо, О.П. Ильина. – 4-е изд. – СПб.: Питер, 2011.
– 555 с.
5. Еженедельник PCWEER RUSSIAN EDITION.
Internet-ресурсы:
1. Официальные сайты компаний Intel, AMD, HP, IBM.
http://www.intel.ru
http://www.amd.ru
http://www.hp.ru
http://www.ibm.ru
2. Сайт информационных технологий http://www.ixbt.ru
3. Сайт высоких технологий IT-индустрии http://www.citforum.ru
4. Лабораторный практикум на кафедральном сервере ftp://ftp.vt.tpu.ru/stady/
malchukov/public/org_evm/
Используемое программное обеспечение:
1. Диагностическая утилита CPU-Z.
2. Программа EVEREST 4.6 ().
3. Программа PC Wizard.
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Лекционные и практические занятия проводятся в аудиториях с мультимедийным оборудованием. Лабораторные занятия проводятся в компьютерном классе на
персональных компьютерах (12 рабочих мест).
№ п/п
1.
1.
Наименование оборудования
Мультимедийное оборудование (компьютер,
проектор, экран)
Компьютерный класс, Intel Core i3-2100,
3.10GHz, 12 ПК
Корпус, ауд., количество
установок
10 корпус ТПУ, 412, 410 ауд.
10 корпус ТПУ, 402 ауд., 12рабочих мест)
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС по направлению 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника» и профилям подготовки «Вычислительные машины, комплексы, системы и
сети», «Информационно-коммуникационные технологии».
Программа одобрена на заседании кафедры вычислительной техники
(протокол № 54 от « 22 » 06 2015 г.).
Автор – доцент кафедры вычислительной техники Чередов Андрей Дмитриевич
Рецензент – профессор, зав. кафедрой вычислительной техники
Марков Николай Григорьевич
9