Программа Архитектура ЭВМx

УДК 004(073)
ББК
Кононов О.А. Рабочая программа дисциплины «Архитектура ЭВМ» по специальности
230101.65 Вычислительные машины, комплексы, системы и сети – СПб.: СУРАО,
2013. - _____ с.
Рабочая программа составлена в соответствии с содержанием и требованиями
Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования
(Регистрационный номер N 224 тех / дс от 27 марта 2000г.).).
Рабочая программа утверждена в рамках ООП по специальности 230101.65
«Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» на заседании ученого
ученого совета института Протокол № _09-12_ от «_26_»_июня_2013 г.
Председатель ученого совета АНО ВПО «Смольный институт Российской академии
образования»
Б.Я. Советов
Рабочая программа рассмотрена и одобрена на заседании учебно-методического совета
института. Протокол № _6_ от «_13_»_июня_2013 г.
Председатель УМС
А.П. Шарухин
Рабочая программа рассмотрена и одобрена на заседании совета
Информационных технологий. Протокол № _9-12 от «_23_»___мая___2013 г.
Председатель ученого совета факультета
факультета
О.А.Кононов
Рабочая программа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры информационных
систем. Протокол № 9 от «_23_»___мая___2013 г.
Заведующий кафедрой
О.А.Кононов
Цели и задачи дисциплины
Целью изучения данной учебной дисциплины является обеспечение
подготовки студентов в области организации средств вычислительной
техники с учетом как схемотехнических, так и системотехнических
аспектов разработки в их неразрывном единстве. Последнее обстоятельство
приобретает особое значение в условиях быстрого роста возможностей
интегральной технологии, а также постоянного усиления требований к
производительности,
надежности
и
другим
характеристикам
вычислительных систем.
Поэтому в рамках данного курса необходим обзор современных
принципов организации управления, обработки, хранения и ввода-вывода
информации в вычислительных системах с оценкой их возможностей,
особенностей применения, преимуществ и недостатков при реализации с
использованием интегральной технологии.
Особое место должно быть отведено вопросам организации
параллельной обработки информации, которые оказывают значительное
влияние не только на производительность, но и на надежность
вычислительных систем.
В результате изучения данной учебной дисциплины студенты должны:
- знать принципы организации и функционирования ЭВМ различных
классов, вычислительных систем, их компоненты, характеристики,
архитектуру, возможные области применения;
- владеть основами проектирования вычислительных средств.
Задачами дисциплины являются изучение основ ЭВМ, принципов
построения устройств и особенностей различных классов ЭВМ, архитектуры
и принципов работы ПЭВМ, основных принципов построения и
функционирования
многопроцессорных
вычислительных
систем,
ознакомление с перспективными направлениями развития архитектуры.
Перечень дисциплин учебного плана, усвоение которых студентами
необходимо для изучения данной дисциплины:
1. Математика.
2. Информатика.
3. Технология программирования.
4. Электротехника и электроника.
Перечень дисциплин учебного плана, базирующихся на материале
данной учебной дисциплины:
Операционные системы.
Информационные сети.
Проектирование информационных систем.
Выпускная квалификационная работа.
1. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ
ДИСЦИПЛИНЫ
В соответствии с требованиями, предъявляемыми к дисциплине, после
ее изучения студент должен знать:
 историю, состояние и тенденции развития ЭВМ;
 структуры и принципы функционирования цифровых вычислительных
устройств различного назначения;
 классификацию вычислительных машин и основные характеристики
различных классов ЭВМ и вычислительных систем;
 архитектуру и принципы построения ЭВМ и систем в целом;
 принципы функционирования и построения основных компонент
современной ЭВМ – операционных и запоминающих устройств, систем
прерывания и прямого доступа к памяти, подсистем ввода/вывода;
Студент должен уметь:
 разрабатывать простейшие устройства вычислительной техники и
устройства сопряжения для подключения различных типов внешних
устройств;
 оценивать необходимые характеристики вычислительного устройства
при решении задач заданной предметной области
2. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
для очной формы обучения
ЧАСОВ
ВИД УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
ВСЕГО
Общая трудоёмкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Самостоятельная работа
Вид итогового контроля (зачёт, экзамен)
210
120
80
40
90
ПО
СЕМЕСТРАМ
8
9
102
60
40
20
42
зачет
108
60
40
20
48
экзамен
для заочной формы обучения
ЧАСОВ
ВИД УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
ВСЕГО
Общая трудоёмкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Самостоятельная работа
Вид итогового контроля (зачёт, экзамен)
210
22
16
6
188
ПО
СЕМЕСТРАМ
10
11
94
14
10
4
80
зачет
116
8
6
2
108
экзамен
4.СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
4.1.Разделы дисциплины и виды занятий
ОБЪЕМ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСОВ ДИСЦИПЛИНЫ ПО ВИДАМ
УЧЕБНОЙ РАБОТЫ, ПО РАЗДЕЛАМ, ТЕМАМ И ВИДАМ ЗАНЯТИЙ
для очной формы обучения
№
п/п
Раздел дисциплины
Трудоемкость (в часах)
Аудиторные занятия
Самостоя
Практические тельная
Лекции
работа
работы
1
Введение
2
2
Функциональная организация ЭВМ
4
3
Структурная организация ЭВМ
8
4
4
Организация процессоров
8
10
5
Организация памяти
8
10
6
Организация ввода-вывода
10
10
7
Элементы и узлы ЭВМ
20
8
Организация программного обеспечения
20
Итого
80
4
20
4
20
20
28
40
90
Практические занятия
№
1
2
3
4
5
6
7
8
Содержание работы
Знакомство со средствами моделирования работы
цифровых устройств. Исследование простейших
комбинационных схем
Исследование мультиплексоров, демультиплексоров,
сумматоров.
Исследование триггеров, регистров, счетчиков.
Знакомство со средствами поддержки разработчика ПО.
Исследование способов адресации данных на примере
команд пересылки данных.
Исследование команд арифметических и логических
операций.
Исследование команд передачи управления и специальных
команд.
Использование механизма прерываний .
Работа с циклическим буфером и стеком.
Количество
часов
20
20
9
Работа с портами ввода-вывода.
Итого
40
для заочной формы обучения
№
п/п
Раздел дисциплины
Трудоемкость (в часах)
Аудиторные занятия
Самостоя
Практические тельная
Лекции
работа
работы
1
Введение
1
2
Функциональная организация ЭВМ
1
3
Структурная организация ЭВМ
2
10
4
Организация процессоров
2
20
5
Организация памяти
2
20
6
Организация ввода-вывода
2
20
7
Элементы и узлы ЭВМ
2
8
Организация программного обеспечения
4
Итого
16
4
4
6
2
50
58
6
188
Практические занятия
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Содержание работы
Знакомство со средствами моделирования работы
цифровых устройств. Исследование простейших
комбинационных схем
Исследование мультиплексоров, демультиплексоров,
сумматоров.
Исследование триггеров, регистров, счетчиков.
Знакомство со средствами поддержки разработчика ПО.
Исследование способов адресации данных на примере
команд пересылки данных.
Исследование команд арифметических и логических
операций.
Исследование команд передачи управления и специальных
команд.
Использование механизма прерываний .
Работа с циклическим буфером и стеком.
Работа с портами ввода-вывода.
Итого
Количество
часов
4
2
4
4.2.Содержание разделов и тем дисциплины
Введение
Основные понятия. История развития ВТ. Основные характеристики.
Классификация ВС. Тенденции развития ВС. Многоуровневая модель ЭВМ.
Функциональная организация ЭВМ
Основные понятия. Представление информации. Представление данных.
Представление команд. Машинные операции. Способы адресации.
Организация ЭВМ, управляемых потоком команд. Основные стадии
выполнения команд. Конвейер команд. Параллельные процессы.
Прерывания. Защита памяти. Параллельные вычисления.
Организация ЭВМ, управляемых потоком данных. Основные стадии
выполнения команд. Структура команд. Командные пакеты. Способы
повышения быстродействия.
Организация ЭВМ, управляемых потоком запросов. Командные пакеты.
Способы повышения быстродействия
Структурная организация ЭВМ
Основные понятия. Классы устройств. Процессоры. Запоминающие
устройства. Устройства ввода-вывода. Концепция интерфейса. Магистрально
– модульный принцип структурной организации ЭВМ. Распределение
адресного пространства. Буферизация.
Классификация ВС. Тенденции развития. Структура ВС общего
назначения. Структура ВС реального времени. Многомашинные ВС.
Компьютерные кластеры. Локальные сети. Корпоративные сети. Глобальные
сети.
Организация процессоров
Общая характеристика процессоров. Классификация процессоров.
Организация процессоров ОКОД (Скалярные. Суперскалярные. С длинным
командным словом. Мультискалярные).
Организация процессоров ОКМД (векторные и ассоциативные).
Организация процессоров МКОД (конвейеры данных).
Организация процессоров МКМД (матричные).
Организация памяти
Общая характеристика и классификация устройств памяти.
Многоуровневая организация памяти. Управление. Защита.
Виртуальная
память.
Адресация.
Страничная
организация.
Сегментация. Управление. Защита.
Объектно - ориентированная память. Управление. Защита. Проблемно –
ориентированная память. Управление. Защита.
Области использования устройств памяти различного типа (с
произвольным доступом, с последовательным доступом, с ассоциативным
доступом).
Организация ввода-вывода
Общие сведения об организации ввода-вывода.
Способы передачи данных (параллельный, последовательный,
использованием аппаратуры передачи данных).
Способы организации обмена (программно управляемый,
прерываниями, внепрограммный).
Периферийные устройства.
с
с
Элементы и узлы ЭВМ
Цифровые ИС. История развития. Классификация. Технологии.
Характеристики (статические и динамические). Области применения.
Способы описания схем. Тенденции развития.
Комбинационные схемы (простейшие логические схемы, дешифраторы,
демультиплексоры,
мультиплексоры,
сумматоры,
АЛУ).
Синтез
комбинационных схем. Области применения.
Последовательностные схемы (триггеры, регистры, счетчики). Области
применения. Управляющие автоматы. Классификация. Модель Мили.
Модель Мура. Синтез управляющих автоматов.
Операционные автоматы. Классификация. Синтез.
Микропроцессоры. История. Классификация. Области применения.
Тенденции развития. Области применения.
Особенности организации
универсальных
микропроцессоров (на
примере изделий фирмы Intel от i8080 до Core 2 Duo)
Микросхемы памяти. История развития. Классификация. Области
применения. Тенденции развития
Программируемые логические интегральные схемы. История.
Классификация. Тенденции развития. Области применения.
Назначение и основные функции табличного процессора.
Организация программного обеспечения
Классификация ПО согласно POSIX. ПО микроконтроллеров. ПО
встраиваемых микро-ЭВМ. ПО персональных ЭВМ. Сетевое ПО.
4.3.Рекомендуемые информационные источники
4.3.1. Рекомендуемая литература:
а) основная литература:
1. Таненбаум Э.С. Архитектура компьютера. – 5-е изд. - СПб: Питер,
2007 г, 844 с.;
2. Е. П. Угрюмов. Цифровая схемотехника: Учебное пособие для вузов. –
3-е изд., перераб. И доп. - СПб: БХВ-Петербург, 2010. - 798 с.
б) дополнительная литература:
1. В.В. Корнеев, А.В. Киселев. - Современные микропроцессоры. – 3-е
изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ – Петербург, 2003. – 448 с.
2. Майоров С.А. Структура электронных вычислительных машин. – Л.:
Машиностроение, 1979.- 384 с.
3. Компьютеры на СБИС: В 2-х кн.: Пер. с япон. /Мотоока Т., Томита С.,
Танака Х. И др. – М.:Мир, 1988.
4. П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. – М.: Мир, 1998.
5. Г.И. Пухальский, Т.Я. Новосельцева. - Цифровые устройства: Учебное
пособие для втузов. - СПб.: Политехник, 1996 г.
6. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях:
7. Практикум на Electronics Workbench: в 2 т./ Под общей ред.
Д.И.Панфилова – Т.2: Электроника. - М.: ДОДЕКА, 2000. – 288с.
8. А.П. Антонов, В.Ф. Милехин, А.С. Филиппов. – Обзор элементной
базы фирмы Altera. – СПб.: Изд. Дом Файнстрит, 1997. – 143с.
9. Стешенко В.Б. – Школа разработки аппаратуры цифровой обработки
сигналов на ПЛИС. //Chip News, 1999, N 8-10, 2000, N 1-3.
10.
Таненбаум Э.С. Современные операционные системы. – 2-е изд. СПб: Питер, 2005 г, 1040 с.
11.
Грушвицкий Р., Мурсаев А., Угрюмов Е. Проектирование систем
на микросхемах программируемой логики. – СПб.: БХВ-Петербург,
2002. -608 с.
4.3.2 Периодическая литература (журналы)
1. Открытые системы (http://www.osp.ru/os)
2. Сервер Информационных Технологий (http://www.citforum.ru/)
3. Информационные технологии в образовании (http://www.rusedu.info/)
4. Русско-английский
глоссарий
по
(http://www.iis.ru/glossary/)
5. Мир ПК (http://www.osp.ru/pcworld/)
информационному
обществу
1.3.3 Адреса сайтов в сети Интернет, где находится информация по
содержанию дисциплины и необходимая литература.
http://www.edu.ru/
http://window.edu.ru/window/library
http://www.intuit.ru/catalog/informatics/
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным
стандартом высшего профессионального образования по специальности
230201.65 «Информационные системы и технологии»
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ (МАТЕРИАЛЫ)
ПРЕПОДАВАТЕЛЯМ
Преподавание дисциплины «Архитектура ЭВМ» предусматривает:
- лекции;
- проведение лабораторных работ;
- использование компьютерных программ;
- опрос;
- консультации преподавателей;
- самостоятельная работа студентов.
Необходимо предусмотреть развитие форм самостоятельной работы,
выводя студентов к завершению изучения учебной дисциплины на её
высший уровень.
Содержание лекции должно отвечать следующим дидактическим
требованиям:
- изложение материала от простого к сложному, от известного к
неизвестному;
- логичность, четкость и ясность в изложении материала;
Преподаватель, читающий лекционные курсы в вузе, должен знать
существующие в педагогической науке и используемые на практике
варианты лекций, их дидактические и воспитывающие возможности, а также
их методическое место в структуре процесса обучения.
Изучение дисциплины начинается с установочных лекций, в которых
раскрываются важнейшие фундаментальные закономерности курса, затем
выдаются варианты контрольных работ. Теоретическая подготовка к
контрольным работам и выполнение их является самостоятельной работой
студентов.
Семинары и практические занятия всегда идут за лекциями и
проводятся в сессию. При проведении их, так же как и при чтении лекций,
рекомендуется пользоваться не только аналитическим методом связей между
явлениями, но и графическим (диаграммами, графиками, схемами ,
рисунками).
Лабораторные занятия «венчают» проработку важнейших тем курса,
поэтому включают и теорию, и приобретение навыков экспериментального
исследования и освоения современных приборов, и умение обрабатывать
результаты, и делать соответствующие выводы и заключения. Лабораторная
работа оформляется письменным отчетом с включением математической
обработки результатов эксперимента.
Заканчивается лабораторная работа защитой в форме диалога студента
с преподавателем. Такая форма повышает коммуникативные навыки
обучающегося.
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОДГОТОВКЕ И
ПРОВЕДЕНИЮ ЛЕКЦИИ
Лекции
составляют
основу
теоретического
обучения
и
дают
систематизированные основы научных знаний по дисциплине, раскрывают
состояние и перспективы развития соответствующей области науки,
концентрируют внимание обучающихся на наиболее сложных и узловых
вопросах, стимулируют их активную познавательную деятельность и
способствуют формированию творческого мышления.
Ведущим методом в лекции выступает устное изложение учебного
материала,
сопровождающееся
демонстрацией
видеофильмов,
схем,
плакатов, показом моделей, приборов, макетов, использование мультимедиа
аппаратуры.
Лекции читаются заведующими кафедрой, профессорами, доцентами и
старшими преподавателями, как правило, для лекционных потоков. В
порядке исключения к чтению лекций допускаются наиболее опытные
преподаватели и ассистенты, имеющие учёную степень или педагогический
стаж не менее пяти лет.
Лекция является исходной формой всего учебного процесса, играет
направляющую и организующую роль в самостоятельном изучении
предмета. Важнейшая роль лекции заключается в личном воздействии
лектора на аудиторию.
Подготовка
лекции
непосредственно
начинается
с
разработки
преподавателем структуры рабочего лекционного курса по конкретной
дисциплине. Руководством здесь должна служить рабочая программа.
Учебный план и рабочая программа служат основой разработки рабочего
лекционного курса.
Количество лекций определяется с учетом общего количества часов,
отведенных для лекционной работы.
Основные требования к лекции
 Глубокое научное содержание;
 Творческий характер;
 Информационная насыщенность;
 Единство содержания и формы;
 Логически стройное и последовательное изложение;
 Яркость изложения;
 Учёт характера и состава аудитории.
Типы лекций
1.
Учебно-программная лекция освещает главные, узловые вопросы
темы.
2.
Установочная лекция своей задачей ставит организационную работу
слушателей по изучению предмета.
3.
Обзорная лекция читается на заключительном этапе изучения или
курса.
Основное внимание в лекции сосредотачивается на глубоком,
всестороннем раскрытии главных, узловых, наиболее трудных вопросов
темы. Уже на начальном этапе подготовки лекции преподаватель решает
вопрос о соотношении материалов учебника и лекции. Он выделяет из
учебника ведущие проблемы для более глубокого и всестороннего раскрытия
их в лекции.
Важным этапом является определение организационной структуры
лекции, распределение времени на каждый вопрос, вводную часть и
заключение.
В ходе подготовки лекции необходимо:
– Определить основное содержание и расположение материала;
– Продумать: где, как, в какой мере использовать
методологические положения ведущих учёных; как использовать
документы и другие материалы;
– Продумать: где и в какой степени расположить материал
воспитательного характера;
–
Продумать: какие предложить методические советы по
самостоятельной работе студентов;
– Продумать: как лучше использовать мультимедиа, наглядные
пособия, поясняющие какие-то основные, принципиальные
положения лекции.
Педагогическая деятельность преподавателя
В круг задач лектора входят:
1. Установление и поддержание контакта с аудиторией;
2. Создание у слушателей интереса к предмету лекции;
3. Достижение убедительности речи;
4. Эмоциональное воздействие на слушателей;
5. Применение наглядных пособий (мультимедиа, фантомов, приборов
и т.п.).
Начало лекции
Лектор должен сообщить чётко, ясно, не торопясь, название темы
лекции, дать возможность слушателям записать его.
Затем изложить вводную часть, в которой сказать:
– О роли и месте данной темы в курсе;
– Дать краткую характеристику литературы;
– Сообщить о распределении времени на тему;
– Если не первая лекция по теме, то провести связь с
предшествующей лекцией.
Далее сообщить план лекции, также дав возможность студентам
записать вопросы. Перед изложением каждого вопроса его надо называть.
Завершается рассмотрение вопроса небольшим выводом. Большую помощь в
обобщении
и
фиксировании
материала
оказывает
сопровождение
объяснен6ия демонстрацией материала с помощью мультимедиа аппаратуры.
Начало лекции имеет большое значение для установления контакта с
аудиторией, для возбуждения у слушателей интереса к теме. В этих целях
можно использовать яркий пример или остро поставленный вопрос,
подчеркнуть теоретическое и практическое значение данной темы в
тематическом плане курса и в практической деятельности.
Поддержание внимания слушателей на протяжении всей лекции
достигается:
– Логикой изложения материала;
– Глубиной содержания материала;
– Чётким формулированием положений;
– Использованием в лекции новых интересных данных;
– Использование мультимедиа;
– Включение в лекцию материалов из практической деятельности.
Созданию
непринужденной,
творческой
обстановки
на
лекции
способствует тактичное обращение преподавателя к опыту аудитории, когда
он ставит студентов в определённую ситуацию, дающую им возможность
самим прийти к необходимым выводам.
Лектору следует избегать слов-сорняков и в то же время канцеляризмов
в ходе чтения лекции.
Одним из сложных вопросов методики чтения лекции является
обращение с текстом. Привязанность к тексту вследствие плохой подготовки,
недостаточного владения материалом приводит к ослаблению связи с
аудиторией. В то же время не следует, не владея соответствующими
навыками, пытаться проводить лекцию без текста, по памяти. При этом
допускаются ошибки, повторения, ослабление логической нити рассуждения,
пропуски отдельных важных положений темы и т.п.
Важное условие успеха – интонация и выразительность речи,
оптимальность её ритма и темпа, включение элементов юмора и т.п.
Определяя ритм и темп речи, преподаватель учитывает, что слушатели
записывают основные положения, поэтому изменением голоса, паузами,
ударениями он облегчает слушателям усвоение логики лекции, даёт
возможность записать основные тезисы.
Заключительная часть лекции
В ней обобщаются наиболее важные, существенные вопросы лекции;
делаются выводы, ставятся задачи для самостоятельной работы.
Существует твёрдый порядок, требующий, чтобы в конце лекции
преподаватель оставил несколько минут для ответов на вопросы.