3 Вайс Юрий Андреевич – занимаемая должность – старший преподаватель. Постоянное место работы – кафедра «Информационные системы» (аудитория Г – 3 – 113, рабочий телефон № 540 – 356). Проведение аудиторных занятий согласно графика учебного процесса и утверждённого расписания учебных занятий. ПРЕДИСЛОВИЕ Целью преподавания дисциплины «Архитектура компьютерных систем» является изучение основных принципов построения, логического проектирования, состава, комплексирования и функционирования компьютеров, компьютерных систем обработки данных, вычислительных комплексов и сетей. Одной из задач изучения данной дисциплины является подготовка студентов к освоению профилирующей дисциплины направления подготовки, а именно дисциплин с аспектами знаний аппаратных средств, предусмотренных учебным планом специальности и представленных как постреквизиты. По окончании изучения дисциплины студенты должны приобрести следующие знания: – основных принципов построения современных дискретных устройств и систем – основ логического проектирования элементов и узлов дискретных устройств; – номенклатуры элементов и функциональных узлов компьютеров; – организации системы памяти компьютеров, вычислительных систем и комплексов; – архитектуры современных процессоров компьютеров и вычислительных систем; – организации ввода – вывода информации в компьютерах и системах; – принципов структурной организации компьютерных систем и комплексов. В результате освоения практического курса дисциплины студенты должны овладеть умениями: – практического применения основных процедур логического проектирования элементов и узлов дискретных устройств; – интерпретации функциональных и технических характеристик основных узлов и конструктивных компонентов компьютеров и систем на их основе; – использования арифметико-логических процедур в процессе эксплуатации компьютеров, вычислительных систем и сетей; – анализа содержания информационных материалов по вопросам практического применения вычислительных систем. В результате изучения дисциплины студенты должны иметь представление о тенденциях совершенствования, проектирования и расширения сферы применения компьютерной техники, вычислительных систем, комплексов и сетей. 4 Пререквизитами дисциплины являются: «Математический анализ», «Информатика», «Физика», «Теория информации», «Физические основы ЭВМ», «Дискретная математика». Постреквизитами дисциплины являются: «Интернет технологии», «Надёжность информации», «Надёжность вычислительных комплексов и систем». 1 РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСОВ ПО ВИДАМ ЗАНЯТИЙ № 1 2 Название модуля (тема и изучаемые вопросы по теме) Лекции МОДУЛЬ 1. Введение. Лекция 1. Предмет и задачи дисциплины. Классификация компьютеров. Показатели производительности и эффективности компьютеров. Лекция 2. Понятие комбинационного 2 устройства и конечного автомата. Синхронизация работы цифровых устройств. Общие принципы построения современных компьютеров. МОДУЛЬ 2. Лекция 3. Основы теории логического проектирования цифровых устройств. Основные положения алгебры логики (булевой алгебры). Законы, аксиомы, теоремы, тождества и операции алгебры логики. Минимизация логических функций. Виды дискретных электрических сигналов. Виды входного и выходного интерфейсов цифровых устройств. Виды входного и выходного интерфейсов цифровых устройств. Лекция 4. Функциональные узлы компьютеров. Триггеры. Счётчики и делители частоты на их основе. Лекция 5. Функциональные узлы Часы Практика СРСП СРС 6= 3+3 6= 3+3 12 = 4+2+ +4+2 12 = 4+2+ +4+2 2 Лаб. раб. 1 2 Лаб. раб. 2 2 Лаб. раб. 3 4 4 Лаб. раб. 4 5 компьютеров (продолжение). Дешифраторы. Шифраторы. Мультиплексоры. Распределители. Лекция 6. Функциональные узлы компьютеров (продолжение). Регистры. Сумматоры. Автоматические генераторы непрерывной последовательности прямоугольных импульсов. № 3 4 5 6 2 Лаб. раб. 5 Название модуля (тема и изучаемые вопросы по теме) Лекции МОДУЛЬ 3. Арифметические основы вычислительной техники. Лекция 7. Позиционные системы счисления. Правила перевода чисел из одной системы счисления в другую. Двоичная арифметика. Формы представления 1 чисел в позиционной системе счисления. Кодирование числовой информации (прямой, обратный и дополнительный коды чисел). Арифметические операции с применением дополнительных кодов. МОДУЛЬ 4. Лекция 8. Процессоры компьютеров. Основные понятия. Развитие моделей процессоров и их характеристик. Функциональная и структурная организация процессора. Лекция 9. Процессоры компьютеров (продолжение). Основные принципы и режимы работы современных процессоров. Система команд процессора. RISC и CISC архитектуры. Лекция 10. Процессоры компьютеров (продолжение). Формат команды. Типы команд. Основные стадии выполнения команд. МОДУЛЬ 5. Характеристика материнских плат. Лекция 11. Определение, основные компоненты материнской платы. Понятие чипсета материнской платы. Типы чипсета. Параметры, определяемые чипсетом. Шины и магистрали. МОДУЛЬ 6. Запоминающие устройства средств вычислительной техники. Лекция 12. Определение, классификация, основные характеристики. Адресная, ассоциативная и стековая организация памяти. Типы внутренних запомина- Часы Практика 1 Лаб. раб. 6 1 Аттестация СРСП СРС 3= 1+2 3= 1+2 9= 3+2+ +4 9= 3+2+ +4 3= 1+2 3= 1+2 3= 1+2 3= 1+2 4 Лаб. раб. 7 3 2 Лаб. раб. 8 1 1 2 Лаб. раб. 9 6 ющих устройств. Внешняя память компьютеров. МОДУЛЬ 7. Ввод-вывод информации в компьютерах. Лекция 13. Основные понятия. Базо7 вая система ввода-вывода. Принципы ор1 ганизации обмена данными. Способы организации передачи данных. Порты ввода-вывода. Организация прерываний. Название модуля (тема и изучаемые № вопросы по теме) Лекции МОДУЛЬ 8. Лекция 14. Системы обработки данных. Обоснование необходимости создания систем обработки данных. Классификация систем обработки данных. 8 2 Лекция 15. Системы обработки данных (продолжение). Многомашинные системы (ММС). Кластерные структуры. Многопроцессорные системы (МПС). Разделение и распределение памяти в МПС. Всего часов: 15 2 Лаб. раб. 10 3= 1+2 3= 1+2 Часы Практика СРСП СРС 6= 3+3 6= 3+3 45 45 3 Лаб. раб. 14 1 Аттестация 30 2 СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ МОДУЛЬ 1. Введение. ТЕМА 1. Введение (1 (лек.) + 2 (лаб. раб.) + 3 (СРС) + 3 (СРСП) = 9 часов). План лекции а) предмет и задачи дисциплины; б) классификация компьютеров; в) показатели производительности и эффективности компьютеров. План лабораторного занятия 1 (2 часа): а) получить у преподавателя задания; б) получить минимальные функции проектируемых устройств как для случая раздельной, так и совместной минимизации; в) оформить отчет и сделать выводы по работе. Контрольные задания для СРС (3 часа): а) изучить лекционный материал; б) изучить теоретические сведения по лабораторной работе; б) повторить основные положения алгебры логики (булевой алгебры); в) сделать заготовку отчета, начертив проектируемые устройства и не- 7 заполненные таблицы. Контрольные задания для СРСП (3 часа): а) подготовиться к защите лабораторной работы по контрольным вопросам; б) подготовиться к вопросам преподавателя по содержанию отчёта и другим вопросам тематики лабораторной работы. ТЕМА 2. Введение (1 (лек.) + 2 (лаб. раб.) + 3 (СРС) + 3 (СРСП) = 9 часов). План лекции: а) понятие комбинационного устройства и конечного автомата; б) синхронизация работы цифровых устройств; в) общие принципы построения современных компьютеров. План лабораторного занятия 2 (2 часа): а) получить задание у преподавателя; б) построить схемы комбинационных устройств; в) оформить отчет. Контрольные задания для СРС (3 часа): а) изучить лекционный материал; б) изучить теоретические сведения по лабораторной работе. Контрольные задания для СРСП (3 часа): а) подготовиться к защите лабораторной работы; б) подготовиться к вопросам преподавателя по содержанию отчёта и другим вопросам тематики лабораторной работы. МОДУЛЬ 2. Основы теории логического проектирования цифровых устройств. Функциональные узлы компьютеров. ТЕМА 3. Основы теории логического проектирования цифровых устройств (1 (лек.) + 2 (лаб. раб.) + 4 (СРС) + 4 (СРСП) = 11 часов). План лекции: а) основные положения алгебры логики (булевой алгебры); б) законы, аксиомы, теоремы, тождества и операции алгебры логики; в) минимизация логических функций; г) виды дискретных электрических сигналов; д) виды входного и выходного интерфейсов цифровых устройств; е) логические элементы цифровой техники. План лабораторного занятия 3 (2 часа): а) получить от преподавателя задание.; б) выполнить поэтапный синтез устройства; 8 в) оформить отчет. Контрольные задания для СРС: а) изучить лекционный материал; б) изучить теоретические сведения лабораторной работы и повторить соответствующий раздел лекционного курса; в) сделать заготовку отчета по работе. Контрольные задания для СРСП: а) подготовиться к защите лабораторной работы; б) подготовиться к вопросам преподавателя по содержанию отчёта и другим вопросам тематики лабораторной работы. ТЕМА 4. Функциональные узлы компьютеров (1 (лек.) + 4 (лаб. раб.) +2 (СРС) + 2 (СРСП) =9 часов). План лекции: а) триггеры: – определение, назначение, типы; – алгоритм логического синтеза универсального асинхронного JK – триггера; б) счётчики и делители частоты на их основе: – определение, назначение, классификация; – суммирующий счётчик с последовательным переносом; – счётчики с параллельным переносом. План лабораторного занятия 4 (4 часа): а) получить у преподавателя задание; б) в соответствии с заданным вариантом составить таблицу переходов счетчика и определить число входящих в него триггеров; в) по таблице переходов для каждого триггера счетчика составить карту переходов; г) с помощью карты переходов и матрицы переходов триггера для каждого его входа составить карту Карно; д) по каждому входу триггера (для JK - триггера по входам J и K, для D триггера по входу D) выполнить минимизацию логических функций и записать их в виде функций возбуждения; е) в соответствии с полученными функциями возбуждения составить схему счетчика. Контрольные задания для СРС: а) изучить лекционный материал; б) изучить теоретические сведения к лабораторной работе и повторить материал лекционного курса, относящийся к счётчикам; в) сделать заготовку отчета по работе. 9 Контрольные задания для СРСП: а) подготовиться к ответам на вопросы теоретического курса; б) подготовиться к вопросам преподавателя по содержанию первой части лабораторной работы. ТЕМА 5. Функциональные узлы компьютеров – продолжение (1 (лек.) + 2 (лаб. раб.) + 4 (СРС) + 4 (СРСП) = 11 часов). План лекции: а) дешифраторы и шифраторы (определение, назначение, алгоритм логического синтеза); б) мультиплексоры и распределители (определение, назначение, синтез). План лабораторного занятия 5: а) выполнить синтез дешифратора.; б) оформить отчет, куда поместить: вариант задания, все промежуточные и окончательные результаты синтеза счетчика и дешифратора, выводы по работе. Контрольные задания для СРС: а) изучить лекционный материал; б) повторить теоретические сведения к лабораторной работе и повторить материал лекционного курса, относящийся к дешифраторам. Контрольные задания для СРСП: а) подготовиться к защите лабораторной работы; б) подготовиться к вопросам преподавателя по содержанию первой и второй частям лабораторной работы. ТЕМА 6. Функциональные узлы компьютеров – продолжение (1 (лек.) + 2 (СРС) + 2 (СРСП) = 5 часов). План лекции: а) регистры (определение, назначение, классификация, синтез); б) сумматоры (определение, назначение, алгоритм логического синтеза); в) автоматические генераторы непрерывной последовательности прямоугольных импульсов. Контрольные задания для СРС: а) повторить материал; б) изучить теоретические сведения лабораторной работы. Контрольные задания для СРСП – подготовиться к защите лабораторной работы по вопросам преподавателя. МОДУЛЬ 3. Арифметические основы вычислительной техники. 10 ТЕМА 7. Арифметические основы вычислительной техники (1 (лек.) + 2 (лаб. раб.) + 3 (СРС) + 3 (СРСП) = 9 часов). План лекции: а) позиционные системы счисления; б) правила перевода чисел из одной системы счисления в другую; в) двоичная арифметика; г) формы представления чисел в позиционной системе счисления; д) кодирование числовой информации (прямой, обратный и дополнительный коды чисел). Арифметические операции с применением дополнительных кодов. План лабораторного занятия 6 (2 часа): а) получить от преподавателя задание; б) решить задачи в любой последовательности; в) оформить отчёт и сделать выводы по работе; г) проведение рубежного контроля в рамках первого аттестационного периода в соответствии с календарным графиком учебного процесса. Контрольные задания для СРС: а) повторить материал; б) изучить теоретические сведения лабораторной работы. Контрольные задания для СРСП (3 часа) – подготовиться к защите лабораторной работы по вопросам преподавателя. МОДУЛЬ 4. Процессоры компьютеров. ТЕМА 8. Процессоры компьютеров (1 (лек.) + 2 (лаб. раб.) + 3 (СРС) + 3 (СРСП) = 9 часов). План лекции: а) основные понятия; б) развитие моделей процессоров и их характеристик: в) функциональная и структурная организация процессора. План лабораторного занятия 7 (2 часа): а) произвести отбор программных продуктов, которые будут применены для практического выполнения работы. При решении этой задачи студенты должны проявить инициативу и определённую самостоятельность, опираясь на уже приобретённые ими практические навыки и умения; б) при необходимости произвести инсталляцию программных продуктов и их апробирование; в) выполнить отдельные пункты задания (как позволит оставшийся лимит времени) в соответствии с перечнем: – определить набор аппаратных средств (функциональных устройств), их типы, имена, идентификаторы; 11 – определить набор установленных системных программных средств. Их имена, типы, идентификаторы; – дать краткую характеристику (определение, назначение, функции и др.) аппаратным и системным средствам. Контрольные задания для СРС: а) повторить материал; б) изучить теоретические сведения лабораторной работы. Контрольные задания для СРСП (3 часа) – подготовиться к защите лабораторной работы по вопросам преподавателя. ТЕМА 9. Процессоры компьютеров – продолжение (1 (лек.) + 2 (СРС) + 2 (СРСП) = 5 часов). План лекции: а) основные принципы и режимы работы современных процессоров: б) система команд процессора. RISC и CISC архитектуры. Контрольные задания для СРС: а) повторить материал; б) изучить теоретические сведения лабораторной работы. Контрольные задания для СРСП (2 часа) – подготовиться к защите лабораторной работы по вопросам преподавателя. ТЕМА 10. Процессоры компьютеров – продолжение (1 (лек.) + 2 (лаб. раб.) +4 (СРС) + 4 (СРСП) = 11 часов). План лекции: а) формат команды. Типы команд; б) основные стадии выполнения команд. План лабораторного занятия 8 (2 часа): а) определить набор аппаратных средств (функциональных устройств), их типы, имена, идентификаторы; б) определить набор установленных системных программных средств. Их имена, типы, идентификаторы; в) дать краткую характеристику (определение, назначение, функции и др.) аппаратным и системным средствам; г) оформить отчёт в виде аналитического обзора протокольных данных. Контрольные задания для СРС: а) изучить лекционный материал; б) повторить теоретические сведения к лабораторной работе; в) сделать аналитический обзор протокольных данных, полученных при выполнении первой части работы. 12 Контрольные задания для СРСП: а) подготовиться к ответам на вопросы теоретического курса; б) подготовиться к защите лабораторной работы по контрольным вопросам и другим вопросам преподавателя по тематике работы. МОДУЛЬ 5. Характеристика материнских плат. ТЕМА 11. Характеристика материнских плат (1 (лек.) + 3 (СРС) + 3 (СРСП) = 9 часов). План лекции: а) определение, основные компоненты материнской платы; б) понятие чипсета материнской платы. Типы чипсета. Параметры, определяемые чипсетом; в) шины и магистрали. Контрольные задания для СРС (3 часа): а) изучить лекционный материал и подготовиться к ответу на любой вопрос преподавателя по изученному материалу. Контрольные задания для СРСП (3 часа): а) подготовиться к ответам на вопросы теоретического курса; б) подготовиться к защите лабораторной работы по вопросам преподавателя по тематике работы. МОДУЛЬ 6. Запоминающие устройства средств вычислительной техники. ТЕМА 12. Запоминающие устройства средств вычислительной техники (1 (лек.) + 2 (лаб. раб.) + 3 (СРС) + 3 (СРСП) = 9 часов). План лекции [1, с. 94 – 103]: а) определение, классификация, основные характеристики; б) адресная, ассоциативная и стековая организация памяти; в) типы внутренних запоминающих устройств; г) внешняя память компьютеров. План лабораторного занятия 9 (2 часа): а) провести анализ всех автономных и встроенных в операционную систему диагностических программ и отобрать те из них, которые предполагается использовать при выполнении задания; б) выполнить задание в порядке, который студент может установить самостоятельно, не нарушая при этом логику проведения эксперимента; в) оформить отчет в виде аналитического обзора, к которому приложить распечатки протоколов. Контрольные задания для СРС (3 часа): 13 а) изучить лекционный материал и подготовиться к ответу на любой вопрос преподавателя по изученному материалу; б) вывести алгоритм перевода логического адреса из формата [сегмент : смещение] в физический адрес ячеек памяти; г) подготовить отформатированный гибкий магнитный диск; д) подобрать комплект диагностических программ, которые могут быть использованы при выполнении задания. Контрольные задания для СРСП (3 часа): а) подготовиться к ответам на вопросы теоретического курса; б) подготовиться к защите лабораторной работы. МОДУЛЬ 7. Ввод-вывод информации в компьютерах. ТЕМА 13. Ввод-вывод информации в компьютерах (1 (лек.) + 2 (лаб. раб.) + 3 (СРС) + 3 (СРСП) = 9 часов). План лекции [1, с. 104 – 114]: а) основные понятия; б) базовая система ввода-вывода; в) принципы организации обмена данными; г) способы организации передачи данных; д) порты ввода-вывода; е) организация прерываний. План лабораторного занятия 10 (2 часа): а) провести комплексное исследование всех программных и аппаратных средств системы ввода – вывода; б) оформить отчет в виде аналитического обзора полученных результатов, приложив распечатки протоколов. Контрольные задания для СРС (3 часа): а) изучить лекционный материал; б) сделать выборку необходимой информации из материалов лабораторных работ № 8 и № 9. г) подобрать комплект диагностических программ (по усмотрению студента), которые могут быть использованы при выполнении задания. Контрольные задания для СРСП (3 часа): а) подготовиться к ответам на вопросы теоретического курса; б) подготовиться к защите лабораторной работы. МОДУЛЬ 8. Системы обработки данных. ТЕМА 14. Системы обработки данных (1 (лек.) + 3 (лаб. раб.) + 3 (СРС) + 3 (СРСП) = 10 часов). 14 План лекции: а) обоснование необходимости создания систем обработки данных; б) классификация систем обработки данных. План лабораторного занятия 11 (3 часа): а) составление математической модели задачи и перечня операций с группировкой их по этапам решения в многопроцессорных системах. Контрольные задания для СРС (3 часа): а) изучить лекционный материал; б) по учебной литературе математического профиля повторить материал, относящийся к задаче, выданной преподавателем для выполнения лабораторной работы. Контрольные задания для СРСП (3 часа): а) подготовиться к ответам на вопросы теоретического курса; б) подготовиться к защите лабораторной работы. ТЕМА 15. Системы обработки данных – продолжение (1 (лек.) + 1 (лаб. раб.) + 3 (СРС) + 3 (СРСП) = 9 часов). План лекции: а) многомашинные системы (ММС); б) кластерные структуры; в) многопроцессорные системы (МПС); г) разделение и распределение памяти в МПС. Проведение рубежного контроля в рамках второго аттестационного периода в соответствии с календарным графиком учебного процесса. Контрольные задания для СРС: а) повторить материал. Контрольные задания для СРСП – подготовиться к рубежному контролю. 3 УЧЕБНО – МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 3.1 Список рекомендуемой литературы 3.1.1 Основная литература 1. Смирнов А.Д. Архитектура вычислительных систем: Учеб. пособие для вузов. - М.: Наука, 1990. 15 2. Андреева Е., Фалина И.М. Системы счисления и компьютерная арифметика. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 1999. 3. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы: Учеб. пособие для вузов. – 3 – е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1991. 4. Айден К., Фибельман Х., Крамер М. Аппаратные средства РС. – СПб.: BHV – С-Петрбург, 1997. 3.1.2 Дополнительная литература 5. Гук М. Аппаратные средства IBM PC: Энциклопедия. – СПб.: Издательство «Питер», 2001. 6. Фигурнов В.В. ЭВМ РС для пользователя. - 7-е изд., испр. и доп.- М.: Финансы и статистика, 1997 (любые другие издания этого же автора). 3.2 Вопросы для проведения контроля по модулям, промежуточной и итоговой аттестации 3.2.1 Ряд вопросов, выносимых на защиту лабораторных работ, приводится в описаниях соответствующих работ. В процессе защиты преподаватель может задать любой другой вопрос, в том числе и тестового формата, по изученной теме. 3.2.2 Индивидуальные задания для промежуточных и итоговой аттестаций формируются накануне аттестаций и являются конфиденциальными документами. Источником для составления индивидуальных заданий является банк тестовых вопросов, разрабатываемый ведущим преподавателем дисциплины, утверждаемый деканом ФИТЭ и являющийся компонентом учебно – методического комплекса дисциплины. 4 СИСТЕМА ОЦЕНКИ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ Контроль и оценка знаний осуществляются по балльно-рейтинговой системе (БРС), которая предполагает такие виды контроля: – текущий; – рубежный (аттестация); – итоговый (экзамен). В течение семестра студент проходит два рубежных контроля согласно графику учебного процесса. Оценка по каждому рубежному контролю складывается из текущих оценок студента, полученных им в оцениваемом периоде, и 16 оценки за рубежный тест. Видами текущего контроля являются: – выполнение и защита (письменная или устная) лабораторных работ; – индивидуальные домашние задания; – письменные или устные ответы на экспресс – опросы; – ответы на вопросы тестового формата на лабораторных занятиях; – посещаемость занятий. Студент за оцениваемый период может получить максимум 100 баллов. «Веса» текущего и рубежного контроля приведены в таблице 1. Таблица 1 – «Веса» текущего и рубежного контроля Первый аттестационный период Оцениваемые компоненты Баллы Посещаемость 10 Выполнение и защита лабора50 торных работ Рубежный тест 40 Второй аттестационный период Оцениваемые компоненты Баллы Посещаемость 10 Выполнение и защита лабора50 торных работ Рубежный тест 40 Примечание – посещаемость оценивается начислением премиальных баллов (0,5 балла за один академический час аудиторных занятий – лекционных и лабораторных) при условии соблюдения политики академиче6ского поведения и этики. Нарушение сроков выполнения всех видов плановых работ без уважительной причины снижает их «вес» на 20 % , то есть номинальное количество баллов умножается на коэффициент 0,8. Календарные графики учебного процесса для первого и второго аттестационных периодов приведены соответственно в таблицах 2 и 3, где введены обозначения: Лi – i – я лабораторная работа; РК – рубежный контроль. Таблица 2 – График учебного процесса для первого аттестационного периода Неделя Вид контроля Максимальный балл 1 2 3 4 5 6 7 Л1 Л2 Л3 Л4 Л5 Л6 РК 6 8 8 10 10 6 40 Таблица 3 – График учебного процесса для второго аттестационного периода Неделя Вид контроля Максимальный балл 8 Л7 9 10 Л8 12 6 11 12 Л9 13 Л10 14 Л11 10 12 10 15 РК 40