Заместителя Председателя Госкомвуза России от 27. 03. 2000. Программу составил Хмелевский Игорь Васильевич, доцент, канд техн наук каф. Аит программа
| Вид материала | Программа |
- Гост 17623-87, 138.94kb.
- Надійності та безпеки в будівництві, 692.13kb.
- Б. В. Баркалов ), Государственным проектным конструкторским и научно-исследовательским, 2674.7kb.
- Гост 5382-91, 1729.88kb.
- Рекомендации разработаны сотрудниками фгу вниипо мчс россии канд техн наук A. M. Рыжовым,, 427.02kb.
- Д. М. Лаковский (руководитель темы); И. В. Колечицкая; С. А. Резник, канд техн наук;, 203.82kb.
- Гост 14637-89: Прокат толстолистовой из углеродистой стали обыкновенного качества Технические, 310.23kb.
- Государственный стандарт союза сср здания и сооружения Методы измерения яркости, 278.78kb.
- Гост 26824-86, 248.28kb.
- Строительные нормы и правила отопление, вентиляция и кондиционирование, 2477.63kb.
Министерство образования Российской федерации
ГОУ Уральский государственный технический университет – УПИ
Утверждаю
Проректор по учебной работе
______________В.И. Лобанов
«____»_____________2002г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
Организация ЭВМ и систем
Рекомендована методическим советом УГТУ-УПИ
для направления 654600 «Информатика и вычислительная техника» специальности 220100 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети»
Екатеринбург 2002
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования и учебным планом по специальности 220100 – Вычислительные машины, комплексы, системы и сети, утвержденному приказом Заместителя Председателя Госкомвуза России от 27.03.2000.
Программу составил Хмелевский Игорь Васильевич,
доцент, канд. техн. наук каф. АИТ
Программа одобрена на заседании кафедры «Автоматика и информационные технологии» (АИТ) 14.03.2002г., протокол №7.
Заведующий кафедрой доцент, канд. техн. наук Цветков А.В.
Программа одобрена Методической комиссией радиотехнического факультета 15 марта 2002г. протокол №79
Председатель методкомиссии доцент, канд. техн. наук Дружинина О.Г.
АННОТАЦИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Дисциплина посвящена изучению основ организации и функционирования ЭВМ в целом и её отдельных узлов, взаимодействия ЭВМ и периферийных устройств, в том числе многопроцессорных систем, перспективных направлений в развитии вычислительной техники, приобретению опыта разработки простейших микропроцессорных устройств.
1.Цели и задачи дисциплины.
Целью преподавания дисциплины является формирование у студентов знаний по принципам организации аппаратных средств вычислительных машин и систем, предназначенных для обработки информации в цифровой форме, перспективным направлениям развития данных машин и систем, а также системного мышления.
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
Задачами дисциплины являются изучение основ вычислительной техники (ВТ), принципов построения устройств ВТ и особенностей различных классов ЭВМ, архитектуры и принципов работы ПЭВМ, основных принципов построения и функционирования многопроцессорных вычислительных систем, ознакомление с перспективными направлениями развития ВТ.
В результате изучения данной дисциплины студент должен знать:
- историю, состояние и тенденции развития вычислительной техники;
- 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 на базе микропроцессорных комплектов и устройства сопряжения для подключения различных типов внешних устройств;
- оценивать необходимые характеристики вычислительного устройства при решении задач заданной предметной области.
3. Объем дисциплины и виды учебной работы.
| Вид учебной работы | Всего часов | Семестр | |
| 5 | 6 | ||
| Общая трудоемкость дисциплины | 148 | 114 | 34 |
| Аудиторные занятия | 85 | 85 | -- |
| Лекции | 51 | 51 | -- |
| Лабораторные работы | 17 | 17 | -- |
| Практические занятия | 17 | 17 | -- |
| Самостоятельная работа | 63 | 29 | 34 |
| Подготовка к лекциям | 15 | 15 | -- |
| Подготовка к лабораторным работам | 5 | 5 | -- |
| Подготовка к практическим занятиям | 5 | 5 | -- |
| Выполнение домашних работ | 4 | 4 | -- |
| Выполнение курсового проекта | 34 | -- | 34 |
| Итоговый контроль | -- | Экзамен | К.П. |
4. Содержание дисциплины.
4.1. Разделы дисциплины и виды занятий
| № п/п | Раздел дисциплины | Лекции, час. | Лаб.раб., час. | Практ. зан.,час |
| 1 | Общие вопросы истории развития и построения ЭВМ. | 2 | -- | -- |
| 2 | Представление информации в ЭВМ. | 6 | 4 | -- |
| 3 | Принципы построения элементарного процессора. | 4 | -- | -- |
| 4 | Принципы построения устройств внутренней памяти. | 4 | 4 | -- |
| 5 | Структура и форматы машинных команд, способы адресации. | 2 | -- | 4 |
| 6 | Принципы организации систем прерывания программ. | 4 | -- | -- |
| 7 | Принципы организации систем ПДП. | 4 | -- | -- |
| 8 | Простейшая микро-ЭВМ. | 4 | -- | -- |
| 9 | Принципы организации ввода/вывода информации в микро-ЭВМ. | 2 | -- | -- |
| 10 | Некоторые вопросы развития архитектуры ЭВМ. | 6 | 5 | 4 |
| 11 | Эволюция шинной архитектуры IBM PC | 2 | 4 | 4 |
| 12 | Вычислительные системы сверхвысо-кой производительности. | 11 | -- | 5 |
4.2. Содержание разделов дисциплины
Раздел 1. Общие вопросы истории развития и построения ЭВМ.
Общие сведения об ЭВМ, как устройстве переработки информации. Представление информации в аналоговой и дискретной формах. Понятие об аналоговых и цифровых вычислительных машинах, области их применения. Основные моменты в истории развития цифровых вычислительных устройств. Принципы функционирования ЭВМ в целом и её основных узлов. Понятие о системе программного обеспечения ЭВМ. Обобщенная структура первых мини- и микро-ЭВМ, понятие магистрально-модульной архитектуры.
Раздел 2. Представление информации в ЭВМ.
Системы счисления, используемые в ЭВМ. Перевод чисел из одной системы счисления в другую. Прямой, обратный и дополнительные коды. Арифметические действия над целыми числами. Признаки переполнения разрядной сетки. Модифицированные коды. Арифметика повышенной точности. Представление дробных чисел в ЭВМ. Числа с фиксированной и плавающей точкой, арифметические действия над ними. Методы ускорения арифметических операций. Арифметические действия на числами в двоично-десятичной системе счисления. Представление буквенно-цифровой информации в ЭВМ.
Раздел 3. Принципы построения элементарного процессора.
Процессор, как сложный цифровой автомат, состоящий из цифрового и управляющего устройств. Принципы микропрограммного управления. Принцип многоуровневости процессора и ЭВМ в целом. Блочные и многофункциональные операционные устройства. Управляющие устройства с жесткой логикой и хранимой в памяти микропрограммой. Выборка и выполнение микрокоманд. Принудительная и естественная адресация. Способы кодирования микрокоманд. Синхронизация выполнения потока микрокоманд.
Раздел 4. Принципы построения устройств внутренней памяти.
Иерархическая структура памяти ЭВМ. Классификация, основные параметры и характеристики запоминающих устройств. Способы организации памяти. Адресная, ассоциативная, стековая память и их упрощенные структурные схемы. Структуры адресных запоминающих устройств различных типов. Элементы запоминающих устройств с произвольным обращением. Запоминающие элементы на полупроводниковых приборах и ферритах. Постоянные запоминающие устройства. Запоминающие элементы программируемых интегральных полупроводниковых запоминающих устройств.
Раздел 5. Структура и форматы машинных команд, способы адресации.
Основные определения. Возможные структуры машинных команд и назначения полей команды. Способы адресации, основные преимущества и недостатки. Подразумеваемый адрес. Непосредственная адресация. Прямая адресация. Относительная адресация и основные методы её реализации. Регистровая адресация. Косвенная адресация. Автоинкрементная и автодекрементная адресация. Стековая адресация. Возможные структуры команд передачи управления. Команды перехода на подпрограмму. Способы организации циклических вычислений. Индексация, команды индексной арифметики.
Раздел 6. Принципы организации систем прерывания программ.
Назначение и основные характеристики систем прерывания. Радиальная и цепочечная структуры систем прерывания. Возможные алгоритмы организации перехода к прерывающей программе для радиальной и цепочечной структур. Фиксированные и программно-управляемые приоритеты. Возможные способы реализации.
Раздел 7. Принципы организации систем ПДП.
Назначение и основные характеристики систем прямого доступа к памяти. Радиальная и цепочечная структуры систем прямого доступа к памяти. Возможные алгоритмы организации прямого доступа к памяти для радиальной и цепочечной структур. Системы приоритетов и возможные способы их реализации. Системы прямого доступа к памяти, как средства реализации многопроцессорных магистрально-модульных систем.
Раздел 8. Простейшая микро-ЭВМ.
Возможная структура и состав простейшей микро-ЭВМ. Понятие системного интерфейса и его возможные структуры. Понятие промежуточного стандартного интерфейса для подключения внешних устройств. Адаптеры промежуточного стандартного интерфейса. Понятие контроллера внешнего устройства. Микропроцессоры с фиксированной системой команд на примере простейшего микропроцессора КР580ВМ80. структурная схема микропроцессора и назначение её отдельных элементов. Входные и выходные сигналы управляющего устройства микропроцессора. Простейшая микро-ЭВМ на базе микропроцессорного комплекта КР580. Последовательность выполнения машинных команд. Машинный цикл и его временная структура. Управляющее слово микропроцессора. Системный контроллер. Типы обрабатываемых процессором данных, способы адресации. Общие сведения и системе команд.
Раздел 9. Принципы организации ввода/вывода информации в микро-ЭВМ.
Общие принципы организации ввода/вывода информации в микро-ЭВМ. Программный ввод/вывод. Ввод/вывод по прерыванию в микро-ЭВМ на базе микропроцессорного комплекта КР580. Ввод/вывод в режиме прямого доступа к памяти. Адаптер последовательного интерфейса КР580ВВ51, его структура, режимы работы, способы программирования. Адаптер параллельного интерфейса КР580ВВ55, его структура, режимы работы, способы программирования.
Раздел 10. Некоторые вопросы развития архитектуры ЭВМ.
Элементы архитектуры современных однопроцессорных ЭВМ, выходящие за рамки классической структуры Неймана. Теги и дескрипторы, самоопределяемые данные. ЭВМ RISC архитектуры. Методы оптимизации обмена процессор-память. Конвейер команд. Расслоение памяти. Буферизация памяти. Динамическое расслоение памяти. Основные принципы построения виртуальной памяти с сегментно-страничной организацией. Некоторые методы организации защиты памяти. Сопроцессоры, основные принципы их включения в вычислительную систему.
Раздел 11. Эволюция шинной архитектуры IBM PC.
Локальная системная шина и причины её появления, шина расширения. Основные типы шины расширения, используемые в IBM PC – ISA, EISA, MCA. Локальные шины расширения и причины их появления. Основные типы шин расширения, используемые в IBM PC – VLB, PCI, их достоинства и недостатки. Мосты и чипсеты, как средство комплексирования всех устройств PC.
Раздел 12 Вычислительные системы сверхвысокой производительности
Общие сведения о структуре и методах построения мультипроцессорных систем обработки данных (СОД). Основные моменты в истории развития СОД высокой производительности и надежности. Многомашинные и многопроцессорные СОД. Вычислительные комплексы и вычислительные системы. Классификация СОД. Состав и функционирование СОД. Понятие процесса и ресурса. Архитектура вычислительных комплексов и систем. Средства комплексирования в многомашинных и многопроцессорных СОД. Типовые структуры вычислительных комплексов и систем. Организация функционирования вычислительных комплексов и систем.
5. Лабораторный практикум.
| № п/п | № раздела дисциплины | Наименование лабораторных работ |
| 1 | 2 | Арифметические действия с числами в прямом, обратном и дополнительном кодах с использованием программы «Двоичный калькулятор». |
| 2 | 4 | Изучение структуры и принципов функционирования контроллеров динамической памяти IBM PC. |
| 3 | 6,7,8,9,10 | Изучение элементов архитектуры открытых магистрально-модульных систем на примере промышленного контроллера фирмы “PEP Modular Computers”. |
| 4 | 11 | Изучение архитектуры материнских плат IBM PC для процессоров серий i286, i386, i486 и их аналогов. |
6. Практические занятия.
| № п/п | № раздела дисциплины | Темы практических занятий |
| 1 | 5 | Организация виртуальной памяти и формирование исполнительных адресов в процессорах i286 и i386. |
| 2 | 10 | Изучение организации КЭШ памяти в компьютерах IBM РС разных поколений. |
| 3 | 11 | Изучение организации системы прерывания в IBM PC для шин расширения ISA и PCI. |
| 4 | 12 | Представление алгоритма в ярусно-параллельной форме. |
| 5 | 12 | Конструктивно-технологические особенности высокопроизводительных и отказоустойчивых СОД. |
7. Самостоятельная работа.
Самостоятельная работа позволяет закрепить теоретические знания и практические навыки, полученные студентами на лекциях и лабораторных работах. Время, отпущенное на самостоятельную работу, должно быть использовано на освоение теоретического материала по дисциплине, на подготовку к лабораторным и практическим работам, на выполнение курсового проекта и подготовку к экзамену по всему курсу.
7.1.Темы для выполнения курсового проекта.
Темой курсового проекта является разработка специализированного микропроцессорного устройства в следующих вариантах:
- программируемый генератор звуковой последовательности;
- система контроля срабатывания аварийных датчиков;
- многоканальная система сбора аналоговой информации;
- многоканальная система формирования аналоговых сигналов;
- система отображения информации типа «бегущая строка».
7.2. Темы для самостоятельного изучения
7.2.1. Методы распараллеливания алгоритмов.
7.2.2. Платы-ускорители персональных компьютеров.
8. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
8.1. Рекомендуемая литература.
8.1.1. Основная литература.
1. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы: учебное пособие для вузов. 3-е издание. М.: Энергоатомиздат, 1991, 592с.
2. Калабеков Б.А. Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов: учебное пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1988, 368с.
3. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: учебное пособие для вузов. СПб.: БХВ-Петербург, 2001, 528с.
4. Водяхо А.И., Горнец Н.Н., Пузанков Д.В. Высокопроизводительные системы обработки данных: учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1997, 304с.
8.1.2. Дополнительная литература.
5. Гук М. Аппаратные средства IBM PC: энциклопедия. СПб.: Питер, 2000, 816с.
6. Корнеев В.В., Киселев А.В. Современные микропроцессоры. М.: Нолидж, 1998, 240с.
7. Шевкопляс Б.В. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения: справочник. 2-е издание. М.: Радио и связь, 1990, 512с.
8. Балашов Е.П., Григорьев В.Л., Петров Г.А. Микро- и мини-ЭВМ: учебное пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат, 1984, 376с.
8.1.3. Методические указания
9. Операции с двоичными числами. Методические указания к лабораторным занятиям по дисциплине «Организация ЭВМ». Хмелевский И.В. Екатеринбург, УГТУ, 2002, 11с.
10. Программируемый логический контроллер SMART I/O. Методические указания к лабораторным занятиям по дисциплине «Организация ЭВМ». Хмелевский И.В. Екатеринбург, УГТУ, 2002, 12с.
11. Разработка специализированного микропроцессорного устройства. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Организация ЭВМ». Хмелевский И.В. Екатеринбург, УГТУ, 2002, 12с.
8.2. Средства обеспечения освоения дисциплины.
8.2.1. Электронный учебник (ЭУ) по дисциплине «Организация ЭВМ».
8.2.2. ЭУ по дисциплине «Организация комплексов и систем».
8.2.3. ЭУ по дисциплине «Интерфейсы и периферийные устройства».
8.2.4. Программа «Двоичный калькулятор».
8.2.5. Электронное учебное пособие «Программируемый логический контроллер SMART I/O. Аппаратные средства».
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины.
8.1. Лаборатории вычислительной техники.
8.2. Локальная сеть персональных компьютеров.
8.3. Промышленные контроллеры SMART фирмы PEP Modular Computer.
Редактор
_____________________________________________________________
Подписано в печать Формат 60х84 1/16
Бумага типографская Офсетная печать Усл.п.л. 0,3
Уч.-изд.л. 0,15 Тираж Заказ Цена “C”
_____________________________________________________________
Редакционно-издательский отдел УГТУ-УПИ
620002, Екатеринбург, Мира 19
Ротапринт УГТУ-УПИ, 620002, Екатеринбург, Мира 19