Организация ЭВМ - Томский политехнический университет
advertisement
УТВЕРЖДАЮ Директор ИК __________ А. А. Захарова «___»_____________2014 г. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА МОДУЛЯ Организация ЭВМ НАПРАВЛЕНИЕ ООП 09.03.01 Информатика и вычислительная техника ПРОФИЛИ ПОДГОТОВКИ Вычислительные машины, комплексы, системы и сети; Информационно-коммуникационные технологии. КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ) БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРИЕМА КУРС 2 СЕМЕСТР 4 КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ КОД ДИСЦИПЛИНЫ ПРЕРЕКВИЗИТЫ КОРЕКВИЗИТЫ бакалавр 2014 г. 4 кредита ECTS Б1.В13 Б1.Б15, Б1.Б16 Б1.В12 ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС: Лекции 32 час. Лабораторные занятия 24 час. Практические занятия 8 час. АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ 64 час. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА 80 час. ИТОГО 144 час. ФОРМА ОБУЧЕНИЯ очная ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ экзамен кафедра ВТ ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ ВТ ____________ Марков Н.Г., профессор РУКОВОДИТЕЛЬ ООП ____________ Рейзлин В.И., доцент ПРЕПОДАВАТЕЛЬ ____________ Чередов А.Д., доцент 2014г. 2 1. ЦЕЛИ ОСВОЕНИЯ МОДУЛЯ Целями преподавания дисциплины являются: предоставление обучаемым знаний по вопросам функциональной и структурной организации ЭВМ, ее составных частей с применением современных информационных технологий; усвоение этих знаний студентами, а также формирование у них мотивации к самообразованию за счет активизации самостоятельной познавательной деятельности. Поставленные цели полностью соответствуют целям (Ц1-Ц5) ООП. 2.МЕСТО МОДУЛЯ В СТРУКТУРЕ ООП Дисциплина «Организация ЭВМ) является базовой профессионального цикла. 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. Пререквизитами данной дисциплины являются дисциплины математического и естественнонаучного цикла: «Информатика», «Дискретная математика». Кореквизиты - «Технологии программирования» (Б1.В8). 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ МОДУЛЯ В результате освоения модуля студент должен: знать: - основы построения и архитектуры ЭВМ (З.2.3.1); - основные понятия и терминологию в области вычислительной техники (З.2.3.2); - технические и эксплуатационные характеристики компьютеров (З.2.3.3); - классификации ЭВМ (З.2.3.4); - особенности организации различных типов ЭВМ (З.2.3.5); - функциональную и структурную организацию центрального процессора, памяти компьютера (З.2.3.6); - организацию прерываний и ввода-вывода (З.2.3.7); - современное состояние и тенденции развития ЭВМ (З.2.3.8); уметь: - выбирать, комплексировать и тестировать аппаратные средства вычислительных систем (У.2.3.1); - проводить анализ всего многообразия типов ЭВМ с целью выбора наиболее приемлемого варианта для конкретного использования (У.2.3.2); - проводить сравнительный анализ параметров основных технических средств ЭВМ (процессора, памяти) (У.2.3.3); - уметь выбирать базовую конфигурацию компьютера(У.2.3.4); - использовать сеть Internet для работы с Web-серверами ведущих фирм производителей средств вычислительной техники (У.2.3.5); - использовать образовательные ресурсы по дисциплине, представленные в среде Moodle (У.2.3.6); владеть навыками конфигурирования компьютеров различного назначения (В.2.3). 3 В процессе освоения дисциплины у студентов развиваются следующие компетенции: 1.Универсальные (общекультурные): - владение основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации (ОК-11 ФГОС); - владение навыками работы с компьютером как средством управления информацией (ОК-12 ФГОС); - способность работать с информацией в глобальных компьютерных сетях (ОК-13 ФГОС). 2. Профессиональные: - способность разрабатывать технические задания на оснащение отделов, лабораторий, офисов компьютерным оборудованием (ПК-1 ФГОС); - инсталлировать программное обеспечение и подключать аппаратные средства информационных и автоматизированных систем (ПК-11 ФГОС). 4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ МОДУЛЯ 4.1. Аннотированное содержание разделов модуля: 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. Классификация 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. 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. 3. Функциональная и структурная организация центрального процессора ЭВМ Назначение и структура центрального процессора. Назначение, классификация и организация центрального устройства управления. Регистровые структуры цен- 4 трального 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. Микроархитектура процессоров Intel Sandy Bridge. 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). Методы управления памятью. Организация виртуальной памяти. Методы повышения пропускной способности оперативной памяти. Методы ускорения процессов обмена между ОП и внешними запоминающими устройствами. 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). 4.2 Содержание практического раздела дисциплины В рамках дисциплины «Организация ЭВМ» проводится цикл лабораторных работ и практические (семинарские) занятия, предназначенные для расширения теоретических знаний, полученных на лекциях, и приобретения новых навыков и умений, соответствующим требуемым результатам обучения по данной дисциплине. Лабораторные работы выполняются на ПК с использованием сетевых образовательных ресурсов по дисциплине, выполненных в среде Moodle. Тематика лабораторных работ 1. Изучение и анализ архитектуры персонального компьютера 2. Изучение и анализ технических и эксплуатационных характеристик ПК 3. Тестирование ПК на системных пакетах 4. Выбор конфигурации ПК по заданным характеристикам 5. Изучение форматов команд CISC и RISC процессоров 6. Изучение и анализ регистровых структур процессоров 7. Изучение и анализ микроархитектур процессоров Intel Core, Nehalem 8. Изучение и анализ микроархитектуры процессоров АМD K10 9. Изучение и анализ способов организации кэш-памяти 10. Изучение принципов организации оперативной и виртуальной памятей 11. Изучение и анализ способов ввода/вывода информации организации интерфейсов ЭВМ и 5 На практических занятиях осуществляется защита отчетов по лабораторным работам, проводится коллоквиум, организуются выступления студентов с докладами в виде семинаров по темам, вынесенным на самостоятельную проработку студентов, и по темам рефератов. Содержание практических занятий и темы семинаров Практическое занятие 1 – Входной контроль, выдача тем рефератов, выдача тем докладов на следующий семинар. Практическое занятие 2 (семинар) – Классификация ЭВМ. Практическое занятие 3 (семинар) – Классификация ПК. Практическое занятие 4 – Коллоквиум. Практическое занятие 5 (семинар) – Принципы организации системы прерывания программ. Практическое занятие 6 (семинар) – Структурно-функциональная организация процессоров Intel Atom, ARM. Практическое занятие 7 (семинар) – Микроархитектура Sandy Bridge. Практическое занятие 8 (семинар) – Методы повышения пропускной способности оперативной памяти. 4.3 Структура модуля по разделам и формам организации обучения приведена в таблице 1. Таблица 1 Структура дисциплины по разделам и формам организации обучения Название раздела/темы Аудиторная работа (час) Лекции 1.Архитектуры, характеристики, классификация ЭВМ 2.Функциональная и структурная организация ЭВМ 3.Функциональная и структурная организация центрального процессора ЭВМ 4.Принципы организации подсистемы памяти ЭВМ и ВС 5.Организация системного интерфейса и ввода-вывода информации Итого Лаб. зан. СРС (час) Колл, Контр.Р. Ито го 8 Практ./сем. занятия 8 8 14 6 2 2 12 8 4 6 18 36 8 2 6 18 34 6 2 5 10 36 18 27 72 38 Коллокв. Реферат 22 23 153 6 4.3 Распределение компетенций по разделам модуля представлено в таблице 2. Таблица 2 Распределение компетенций по разделам модуля № 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. Формируемые компетенции З.2.3.1 З.2.3.2 З.2.3.3 З.2.3.4 З.2.3.5 З.2.3.6 З.2.3.7 З.2.3.8 У.2.3.1 У.2.3.2 У.2.3.3 У.2.3.4 У.2.3.5 У.2.3.6 В.2.3. 1 + + + + Разделы дисциплины 2 3 4 5 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В таблице 3 приведено описание образовательных технологий, используемых в данном модуле. Таблица 3 Методы и формы организации обучения (ФОО) ФОО Лаб. Пр. зан./ Тр*, Лекц. СРС К. пр. раб. Сем., Мк** Методы IT-методы + + Работа в команде + Case-study + + Игра Методы проблемного обучения + Обучение на основе опыта + Опережающая самостоятельная + работа Проектный метод Поисковый метод + Исследовательский метод + Другие методы * - Тренинг, ** - Мастер-класс 7 6. ОРГАНИЗАЦИЯ И УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ 6.1. Самостоятельную работу студентов (СРС) можно разделить на текущую и творческую. Текущая СРС – работа с лекционным материалом, подготовка к лабораторным работам, практическим занятиям с использованием сетевого образовательного ресурса (Moodle); опережающая самостоятельная работа; выполнение домашних заданий; изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку; подготовка к коллоквиуму и экзамену. Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа (ТСР) – поиск, анализ, структурирование и презентация информации по теме реферата. 6.2. Содержание самостоятельной работы студентов по модулю Вариант № 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. Тема реферата Современное состояние, структурно – функциональная организация и перспективы развития супер ЭВМ. Современное состояние, структурно – функциональная организация и перспективы развития мэйнфреймов (IBM z10). Современное состояние, структурно – функциональная организация и перспективы развития настольных ПК. Особенности и структурно – функциональная организация ПК Macintosh фирмы Apple. Современное состояние, структурно – функциональная организация и перспективы развития компактных настольных ПК. Современное состояние, структурно – функциональная организация и перспективы развития ПК – блокнотов (NoteBook). Современное состояние, структурно – функциональная организация и перспективы развития планшетных ПК. Современное состояние, структурно – функциональная организация и перспективы развития нетбуков. Современное состояние, структурно – функциональная организация и перспективы развития рабочих станций (Work Station). Современное состояние, структурно – функциональная организация и перспективы развития серверов на платформе RISC. Современное состояние, структурно – функциональная организация и перспективы развития серверов на платформе x86. Современное состояние, структурно – функциональная организация и перспективы развития серверов на платформе IA-64. Современное состояние, структурно – функциональная организация и перспективы развития блейд-серверов. Современное состояние, структурно – функциональная организация и перспективы развития подсистемы памяти компьютеров. 8 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. Современное состояние, структурно – функциональная организация и перспективы развития шинных структур (системные шины, чипсеты фирм Intel, AMD) компьютеров. Структурно – функциональная организация двухъядерных и четырехъядерных процессоров Intel Xeon. Особенности и структурно – функциональная организация многоядерного процессора Ultra Sparc Т1, T2 (Niagara, Niagara 2) компании Sun Microsystems. Особенности микроархитектуры Intel Core. Структурно – функциональная организация двухъядерного и четырехъядерного процессоров Itanium фирмы Intel. Структурно – функциональная организация процессоров POWER 6, 7 фирмы IBM. Особенности микроархитектуры Intel Core Nehalem. Структурно – функциональная организация процессора Intel Atom. Структурно – функциональная организация процессоров семейства Intel West mere. Особенности и структурно – функциональная организация многоядерного процессора Cell альянса STI (Sony, Toshiba и IBM). Структурно – функциональная организация процессоров семейства «Эльбрус». Особенности и структурно – функциональная организация процессора Marvell ARMADA XP. Особенности микроархитектуры процессоров Intel Sandy Bridge. Микроархитектура процессоров AMD Bulldozer. Особенности и структурно – функциональная организация процессоров AMD Zambezi. Структурно – функциональная организация процессоров семейства Ivy Bridge. 6.3. Контроль самостоятельной работы Оценка результатов самостоятельной работы организуется как единство двух форм: самоконтроль и контроль со стороны преподавателя. Самоконтроль осуществляется с помощью пяти тестов, представленных в среде Moodle. Текущий контроль изучения дисциплины состоит из следующих видов: – защита отчетов по лабораторным работам; – сдача 11 контролирующих тестов; – выступление на семинарских занятиях по темам, вынесенным на самостоятельную проработку; – рубежный контроль в виде коллоквиума по теоретической части; – подготовка реферата по выданной теме и выступление с докладом. По результатам текущего и рубежного контроля формируется допуск студента к экзамену. Экзамен проводится в письменной форме и оценивается преподавателем. 9 6.4 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов Для самостоятельной работы студентов используются сетевые образовательные ресурсы, представленные в среде Moodle, сеть Internet для работы с Webсерверами ведущих компьютерных фирм-производителей. 7. СРЕДСТВА (ФОС) ТЕКУЩЕЙ И ИТОГОВОЙ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ОСВОЕНИЯ МОДУЛЯ Для организации текущего контроля полученных студентами знаний по данной дисциплине используются 11 тестов. Каждый тест имеет 2 или 3 варианта и содержит 10 вопросов. Для проведения коллоквиума предлагается перечень из 32-х вопросов, на 2 из которых студент должен ответить. Для проведения экзамена предлагаются 87 вопросов. Экзаменационный билет содержит 4 вопроса. 8. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОДУЛЯ 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. – 2-е изд. – СПб.: Питер, 2011. – 688 с. Дополнительная литература: 1. Асмаков С.В., Пахомов С.О. Железо 2008. Компьютер Пресс рекомендует. – СПб.: Питер, 2008. – 416 с. 2. 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. 3. Еженедельник PCWEER RUSSIAN EDITION. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Программное обеспечение и Internet-ресурсы: Сетевые образовательные ресурсы по дисциплине в среде Moodle. Официальные сайты компаний Intel, AMD, HP, IBM. http://www.intel.ru http://www.amd.ru http://www.hp.ru http://www.ibm.ru Сайт информационных технологий http://www.ixbt.ru Сайт высоких технологий IT-индустрии http://www.citforum.ru Лабораторный практикум на кафедральном сервере ftp://ftp.vt.tpu.ru/stady/ malchukov/public/org_evm/ Диагностическая утилита CPU-Z. 10 7. Программа EVEREST 4.6. 8. Программа PC Wizard. 9. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОДУЛЯ Лабораторные работы выполняются в компьютерном классе, оснащенном 9-ю компьютерами на базе процессоров Intel Core i3-2100, 3.10 GHz. 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», «Системы автоматизированного проектирования», «Технологии разработки программного обеспечения», «Программное обеспечение средств вычислительной техники и автоматизированных систем». Программа одобрена на заседании кафедры вычислительной техники (протокол № 16 от « 15_» 03 _ 2014 г.). Автор – доцент кафедры вычислительной техники Чередов Андрей Дмитриевич. Рецензент – профессор, зав. кафедрой ВТ Марков Николай Григорьевич