Тема 4. Канальная и шинная системотехника.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Факультет компьютерных наук и информационных технологий
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по УМР
__________профессор Е.Г. Елина
_______________________20__ г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
дисциплины
"АРХИТЕКТУРА КОМПЬЮТЕРА"
Направление подготовки
050100 Педагогическое образование
Профиль подготовки
«Информатика»
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Нормативный срок освоения программы 4 года
Форма обучения
Очная
Саратов
2014
2
1. Цели освоения дисциплины
Цель дисциплины: формирование систематизированных знаний в области архитектуры компьютера, организации компьютерных систем.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина «Архитектура компьютера» входит в раздел «Профессиональный цикл.
Вариативная часть» ФГОС (Б3.В.3).
При освоении дисциплины «архитектура компьютера» студенты используют знания,
умения, навыки, сформированные в процессе изучения математики и физики в общеобразовательной школе, а также курса «Введение в информатику». Освоение дисциплины «Архитектура компьютера» является необходимой основой для последующего изучения таких дисциплин как «Теоретические основы информатики», «Методы и средства защиты информации».
3. Компетенции студентов, формируемые в результате освоения дисциплины
Процесс изучения дисциплины «Архитектура компьютера» направлен на формирование следующих компетенций:
общекультурные компетенции:
владеет культурой мышления, способен к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения (ОК-1);
профессиональные компетенции:
в области педагогической деятельности:
способность реализовывать учебные программы базовых и элективных курсов в различных образовательных учреждениях (ПК-1);
Специальные компетенции
готов к обеспечению компьютерной и технологической поддержки деятельности
обучающихся в учебно-воспитательном процессе и внеурочной работе (СК-5);
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
знать:
– классификацию компьютеров по различным признакам, характеристики и особенности различных классов ЭВМ, тенденции развития вычислительных систем;
– структурную и функциональную схему персонального компьютера, назначение, виды и характеристики центральных и внешних устройств ПЭВМ;
– формы представление информации в ЭВМ;
– принципы фон Неймана и классическую архитектуру современного компьютера,
структуру микропроцессора, понятие о языке ассемблера (макроассемблера) и основных методах программирования с его использованием;
уметь:
- использовать знания архитектуры компьютера, организации компьютерных систем.
владеть:
навыками поддержки функционирования информационных систем
3
4. Структура и содержание дисциплины (модуля)
Раздел дисциплины
Семест
р
Лекции
лабораторные
Практические
Самостоятельная
работа
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы, 72 часа.
№
п/п
Тема 1. История развития компьютерной техники, поколения ЭВМ
и их классификация.
Тема 2. Центральные и
внешние
устройства
ЭВМ, их характеристики
Тема 3. Функционирование ЭВМ с шинной
организацией.
2
1
1
0
0
2
2
1-2
1
0
1
2
Текущий
контроль: доклад
2
2
1
0
1
2
Текущий
контроль: доклад
Тема 4. Канальная и
шинная системотехника.
Тема 5. Основные циклы работы ЭВМ.
2
3
1
1
2
Текущий
контроль: реферат
2
4
6
Тема 6. История развития процессоров.
2
5
7
Тема 7. Микропроцессор и память компьютера.
Тема 8. Память. Виды
памяти. Виды организации основной памяти.
Тема 9. Внешние запоминающие устройства.
2
Тема 10. Система прерываний, регистры и
модель доступа к памяти
Тема 11. Защищенный
режим работы процессора как средство реа-
1
2
3
4
5
8
9
10
11
Неделя семестра
Виды учебной работы,
включая самостоятельную работу студентов и
трудоемкость (в часах)
1
Формы текущего
контроля успеваемости (по неделям семестра)
Формы промежуточной аттестации (по семестрам)
Текущий
контроль: тест
Текущий
контроль: реферат
0
1
2
1
0
1
2
Текущий
контроль: контрольная работа
6
1
0
1
2
Текущий
контроль: опрос
2
7
1
0
1
2
Текущий
контроль: опрос
2
8
1
0
1
2
Текущий
контроль: опрос
2
9
1
0
1
2
Текущий
троль: тест
кон-
2
10
1
0
1
2
Текущий
троль: тест
кон-
4
12
13
14
15
16
лизации многозадачности.
Тема 12 Принципы
управления внешними
устройствами
персонального компьютера.
Тема 13. Базовая система ввода/вывода.
Тема 14. Ассемблер как
машинно - ориентированный язык программирования.
Тема 15. Понятие о
макропрограммировании
Тема 16. Современные
тенденции
развития
структуры ЭВМ.
Промежуточная аттестация
ИТОГО
2
11
1
0
1
2
Текущий
контроль: доклад
2
12
1
0
1
2
2
13
1
0
1
8
Текущий
контроль: опрос
Текущий
контроль: опрос
2
14-15
0
0
1
2
Текущий
контроль: реферат
2
16
1
0
1
2
Текущий
троль: тест
кон-
зачёт
16
16
40
Содержание учебной дисциплины
Тема 1. История развития компьютерной техники, поколения ЭВМ и их классификация.
Краткие исторические сведения о развитии вычислительной техники. Различные
подходы к классификации ЭВМ. Понятие архитектуры микропроцессора. Архитектура фон Неймана. Архитектура компьютера. Принципы работы микропроцессора и микроЭВМ. Особенности ЭВМ различных поколений. Структура ЭВМ.
Тема 2. Центральные и внешние устройства ЭВМ, их характеристики. Видеосистемы.
Устройство и принцип действия черно-белого и цветного мониторов, частота кадровой развертки, частота строчной развертки, разрешающая способность (число
пикселов на экране). Жидкокристаллические экраны. Видеоадаптеры, видеорежимы, видеопамять. Связь между видеопамятью и разрешающей способностью
экрана для черно-белого и цветного режимов. Аналого-цифровые АЦП и цифроаналоговые ЦАП преобразователи. Принцип получения стереозвука. Принцип получения стереоизображения.
Тема 3 Функционирование ЭВМ с шиной организацией. Упрощенная схема ЭВМ с шиной
организацией. Система шин: шины данных, шины адреса, шины управления.
Тема 4. Канальная и шинная системотехника. Функционирование ЭВМ с канальной организацией. Упрощенная схем ЭВМ с канальной организацией.
Тема 5. Основной цикл работы ЭВМ. Система команд ЭВМ и способы обращения к данным
Классификация команд ЭВМ.
Тема 6. История развития процессов. Процессоры типа CISC, RISC. Микропроцессоры INTEL. Сопроцессоры. Процессоры Pentium. Технология ММХ. Микропроцессор,
память, устройства ввода и вывода информации. Архитектура CISC (Complex
Instruction Set Computer). Архитектура RISC (Reduced Instruction Set Computer).
Сравнение основных характеристик процессоров i8088, i8086, i80286, i80386,
i486, Pentium, Pentium 2, Pentium 3, Pentium 4. Сопроцессоры.
Тема 7. Микропроцессор и память компьютера. Внутренняя организация микропроцессора,
его принцип действия. Тактовая частота Конвейерная обработка информации. Су-
5
перскалярная архитектура. Кэш-память/для команд и данных. Блок вычислений с
плавающей точкой. Поддержка многопроцессорного режима работы. Средства
обнаружения ошибок. Работа микропроцессора с памятью. Методы адресации.
Прямая адресация, сегментный способ адресации. Стек.
Тема 8. Память. Виды памяти. Виды организации основной памяти. RAM, SRAM, DRAM
Время добора. Длительность цикла FPM DRAM, EDO, SORAM. Логическая организация основной памяти.
Тема 9. Внешние запоминающие устройства. НГМД, НГЖД, НОД. Принципы записи, считывания. Zip. Стример. Оптические диски. Магнитооптические накопители. DVD
накопители.
Тема 10. Система прерываний, регистры и модель доступа к памяти. Последовательные и параллельные регистры, счетчики. Шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры,
демультиплексоры и их применение в ЭВМ. Арифметико-логическое устройство.
Операционный блок ЭВМ. Регистры и модель доступа к памяти. Основные функциональные регистры микропроцессоров: регистры общего назначения; указатель
команд; регистр флагов; регистр сегментов. Форматы команд. Безадресные, одно-,
двух- и трёхадресные команды. Способы адресации. Работа процессора в режиме
реальных адресов и в режиме защищенной памяти.
Тема 11. Защищенный режим работы процессора как средство реализации многозадачности.
Сегментация памяти в защищённом режиме, дескрипторы, селекторы, страничная
организация памяти. Уровни привилегий и защиты, правила доступа для сегментов программ и данных.
Тема 12. Принципы управления внешними устройствами персонального компьютера. Виды
внешних устройств. Зависимость эффективности работы мультипрограммных вычислительных систем от работы внешних устройств. Параллельный и последовательный интерфейсы. Внешние запоминающие устройства. Устройства ввода и
вывода информации: видеокарты и мониторы; принтеры; манипуляторы; накопители на гибких и жестких магнитных дисках; оптические диски; сканирующие
устройства. Контроллеры внешних устройств. Драйверы устройств. Техническое
обслуживание компьютера.
Тема 13. Базовая система ввода/вывода. "ROM BIOS", "Флеш-BIOS", CMOS RAM". Прерывания BIOS.
Тема 14. Ассемблер как машинно-ориентированный язык программирования. Система команд. Команды и данные. Форматы данных. Мнемоническое кодирование. Прерывания базовой системы ввода-вывода (BIOS) и операционной системы (ОС).
Ассемблирование и дизассемблирование. Отладка и трассировка программ.
Тема 15. Понятие о макропрограммировании. Понятие о макроподстановке. Макрокоманда.
Параметры макрокоманды. Библиотека макрокоманд. Макроассемблер. Реализация управляющих конструкций (if-then-else, while-do и т.д.) языков высокого
уровня средствами макропрограммирования.
Тема 16. Современные тенденции развития ЭВМ. Суперскалярная архитектура, суперспекулятивная архитектура, трассирующая архитектура. Оптическая(фотонная) архитектура. Квантовая архитектура
План практических занятий
Практическая работа 1. Структурная схема персонального компьютера (ПК). Структурная
схема аналоговой вычислительной машины (АВМ). Структурная схема гибридной вычислительной машины (ГВМ)
Практическая работа 2. Представление чисел в ЭВМ
6
Практическая работа 3. Представление информации ЭВМ
Практическая работа 4. Цифровые устройства ЭВМ
Практическая работа 5. Структурная схема центрального процессора. структурная схема
оперативного запоминающего устройства(ОЗУ)
Практическая работа 6. Тестирование системной платы. С помощью программы тестирования EasyTune определить у вашего компьютера частоту шины FSB, коэффициент умножения
частоты процессора, частоту процессора, частоту шины памяти, частоту шин AGP и PCI
Express и частоту шины PCI. Вычислить пропускную способность шины памяти
Практическая работа 7. Определение объемов кэш-памяти процессора. С помощью программы тестирования CPU-Z определить объемы кэш-памяти 1-го и 2-го уровней вашего
процессора.
Практическая работа 8. Организация функционирования ЭВМ с магистральной архитектурой
Практическая работа 9. Устройство накопителя на гибком магнитном диске
Практическая работа 10. Устройство накопителя на жёстком магнитном диске
Практическая работа 11. Структурная схема системной платы ПЭВМ
Практическая работа 12. Структурная схема миниЭВМ
Практическая работа 13. Алгоритм загрузки ДОС ПК
Практическая работа 14. Структурная схема отечественной суперЭВМ
Практическая работа 15. Структурная схема параллельной суперЭВМ MPP
5. Образовательные технологии
Для успешного освоения дисциплины в ходе изложения материала используются
групповые дискуссиям.
Для развития самостоятельной активности в изучении материала студентам предлагается использование интернет-ресурсов (электронных каталогов, специализированных порталов и сайтов), подготовка к участию в дискуссиях по предлагаемым темам курса, выступление с докладами. По всем практическим и самостоятельным работам студентам предлагается
индивидуальное задание.
6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Основная литература
1. Таненбаум Эндрю С. Архитектура компьютера [Текст] / Э. С. Таненбаум ; пер. с англ.
Ю. Гороховский, Д. Шинтяков. - 5-е изд. - Москва ; Санкт-Петербург [и др.] : Питер, 2012. 844 с. : ил., табл. + 1 эл. опт. диск (CD-ROM). - (Классика computer science).
2. Паттерсон Дэвид. Архитектура компьютера и проектирование компьютерных систем
[Текст] = Computer Organization and Design / Д. Паттерсон, Дж. Хеннесси ; пер. с англ. Н.
Вильчинский. - 4-е изд. - Москва ; Санкт-Петербург [и др.] : Питер, 2012. - 783 с. : ил. (Классика computer science).
Дополнительная литература
3. Жмакин Анатолий Петрович. Архитектура ЭВМ [Текст] / А. П. Жмакин. - СанктПетербург : БХВ-Петербург, 2010. - 344 с. : рис. + 1 эл. опт. диск (CD-ROM). - Библиогр.: с.
339 (10 назв.)-. - Предм. указ.: с. 341-344. - ISBN 978-5-9775-0550-5 (в пер.) : 259.00 р.
4. Информатика. Задачник-практикум в 2 т. /Под редакцией И.Г. Семакина, Е.К. Хеннера:
том 1 – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. – 304 с.
5. Информатика. Задачник-практикум в 2 т. /Под редакцией И.Г. Семакина Е.К. Хеннера: том
2 – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. – 280 с.
7
Интернет-ресурсы:
1. Поколения компьютеров - история развития вычислительной
http://www.inf1.info/book/export/html/44
2.Архитектура компьютера
http://www.iworld.ru/attachment.php?barcode=978531800298&at=exc&n=0
3. Архитектура ПК http://imcs.dvgu.ru/lib/eastprog/architecture.html
4. Архитектура ЭВМ http://www.lessons-tva.info/edu/e-inf1/e-inf1-2-2.html
техники
7. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Для проведения практических занятий требуются компьютерные классы с программным обеспечением (Visual Assembler, Microsoft Office), рассчитанные на обучение
группы студентов из 10–15 человек, удовлетворяющие санитарно-гигиеническим требованиям, работающие под управлением операционной системы Microsoft Windows XP или
Windows 2007 с подключением к Internet.
8
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению подготовки 050100 Педагогическое образование и профилю «Информатика» (квалификация (степень) «бакалавр»).
Программа одобрена на заседании кафедры информационных систем и технологий в
обучении от 14.01.2014 года, протокол № 6.
Автор
О.А.Феоктистова
Зав. кафедрой ИСиТО
Н.А. Александрова
Декан факультета компьютерных наук
и информационных технологий
А.Г. Федорова