Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Б3.Б.2 ЭВМ и периферийные устройства

.pdf
Скачиваний:
23
Добавлен:
28.03.2016
Размер:
1.35 Mб
Скачать

Рабочая программа дисциплины составлена в 2011 году в соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению подготовки 230100 «Информатика и вычислительная техника» (квалификация (степень) «бакалавр») от 09.11.2009 г. № 553.

Пересмотрена в 2012 году на заседании методической комиссии факультета информационных технологий от 25.05.2012 № 48.

Пересмотрена в 2013 году на заседании методической комиссии факультета информационных технологий от 24.06.2013 № 53.

Изменена, дополнена и утверждена в 2014 году в соответствии с требованиями Порядка организации и осуществления образовательной деятельности по образовательным программам высшего образования – программам бакалавриата, программам специалитета, программам магистратуры (приказ Минобрнауки России от 19.12.2013 г. № 1367).

Разработчик(и):

Кафедра параллельных вычислений, Маркова Валентина Петровна, к.т.н., доцент,

Киреев Сергей Евгеньевич, старший преподаватель, Остапкевич Михаил Борисович, ассистент, Перепелкин Владислав Александрович, ассистент

(кафедра, ФИО, ученая степень, ученое звание)

Рабочая программа дисциплины одобрена на заседании Методической комиссии факультета информационных технологий от 03.02.2014 года, протокол № 55.

2

Аннотация рабочей программы дисциплины

Дисциплина «ЭВМ и периферийные устройства» входит в базовую часть профессионального цикла образовательной программы бакалавриата по направлению подготовки 230100 «Информатика и вычислительная техника».

Дисциплина реализуется на факультете информационных технологий НГУ кафедрой параллельных вычислений.

Содержание дисциплины охватывает круг вопросов, связанных с архитектурой и организацией компьютеров и периферийных устройств. Особое внимание уделяется вопросам, которые существенны с точки зрения написания эффективных программ.

Дисциплина нацелена на формирование следующих общекультурных и профессиональных компетенций студента. Общекультурные:

Владеет культурой мышления, способен к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения (ОК-1).

Умеет логически верно аргументированно и ясно строить устную

иписьменную речь (ОК-2).

Готов к кооперации с коллегами, работе в коллективе (ОК-3).

Имеет навыки работы с компьютером как средством управления информацией (ОК-12).

Профессиональные:

Осваивать методики использования программных средств для решения практических задач (ПК-2).

Готовить презентации, научно-технические отчеты по результатам выполненной работы, оформлять результаты исследований в виде статей и докладов на научно-технических конференциях (ПК-7).

Преподавание дисциплины предусматривает проведение следующих видов учебных занятий: лекции, лабораторные работы, самостоятельная работа обучающегося.

Рабочая программа дисциплины предусматривает проведение следующих видов контроля: текущий контроль успеваемости в форме защиты лабораторных работ и коллоквиумов; и промежуточный контроль в форме дифференцированного зачета.

Объем дисциплины: 4 зачетных единицы, в том числе в академических часах по видам учебных занятий: 144.

 

 

 

учебные занятия

 

 

форма про-

 

 

 

 

в том числе

 

 

 

 

 

 

 

 

межуточной

 

 

контактная работа обучающихся с преподавате-

 

 

 

 

аттестации

Се-

Общий

 

 

лем

 

 

 

 

 

 

(зачет, диф-

местр

объем

 

 

 

из них

 

СРС

 

 

 

 

ференциро-

 

 

Всего

 

Лабор-

Практи

 

Кон-

 

 

 

 

 

 

ванный зачет,

 

 

 

Лекции

ные

ческие

КСР

суль-

 

 

 

 

 

экзамен)

 

 

 

 

занятия

занятия

 

тации

 

 

 

 

 

 

 

 

3

144

64

32

32

 

 

 

80

Диф. зачет

3

1. Цели освоения дисциплины

Дисциплина «ЭВМ и периферийные устройства» имеет своими целями:

изучение принципов организации ЭВМ и периферийных устройств, в том числе на примере конкретных архитектур

формирование у студента регулярного взгляда на компьютерные архитектуры

изучение влияние архитектурных особенностей ЭВМ и периферийных устройств на эффективность выполнения программ

получение базовых навыков разработки программ с учётом архитектурных особенностей ЭВМ

получение базовых навыков разработки программ, взаимодействующих с периферийными устройствами

Для достижения поставленных целей решаются следующие задачи курса

знакомство с эволюцией архитектуры ЭВМ, направленной на преодоление узких мест архитектуры фон-Неймана по мере развития СБИСтехнологий и языков программирования;

систематизация теоретических знаний о системной организации классических ЭВМ и периферийных устройств;

изучение особенностей архитектур ЭВМ и их влияния на время выполнения на заданном классе задач;

формирование практических навыков оптимизации прикладных программ под заданную архитектуру и организация ЭВМ (навыки учета особенностей архитектуры целевой ЭВМ в прикладной программе);

изучение архитектур современных ЭВМ и спец. вычислителей;

знакомство с тенденциями развития ЭВМ и периферийных устройств.

Цели освоения дисциплины соответствуют общим целям образовательной программы, позволяющее выпускнику успешно проводить ориентированные на производство разработки и научные исследования в области информационных технологий, так как формируют у студента понимание организации ЭВМ и периферийных устройств, а также способствуют формированию навыков эффективного программирования и оптимизации программ с учетом архитектуры вычислителя.

2. Место дисциплины в структуре образовательной программы

Дисциплина входит в базовую часть профессионального цикла образовательной программы бакалавра. Изучение данной дисциплины базируется на курсах «Математическая логика и теория алгоритмов», «Математический анализ», «Информатика», «Программирование», «Цифровая схемoтехника». Дисциплина является предшествующей для итоговой государственной аттестации.

4

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины (перечень планируемых результатов обучения)

В результате освоения данной дисциплины обучающийся демонстрирует следующие общекультурные и профессиональные компетенции:

 

Формулировка компе-

Планируемые результаты обучения (показате-

-

тенции из ФГОС

ли достижения заданного уровня освоения

Код компе тенции

 

компетенций)

 

 

 

ОК-1

Владеет культурой

Уметь:

 

мышления, способен к

1.

усваивать лекционный материал,

 

обобщению, анализу,

2.

выполнять лабораторные работы,

 

восприятию информа-

3.

осуществлять обоснованный выбор спо-

 

ции, постановке цели и

соба решения поставленной задачи

 

выбору путей ее дости-

 

 

 

жения

 

 

ОК-2

Умеет логически верно

Уметь:

 

аргументированно и яс-

1.

обосновать правильность полученных,

 

но строить устную и

результатов при выполнении и защите лабора-

 

письменную речь

торной .работы,

 

 

2.

устно и письменно строить ответы на

 

 

вопросы по изученной теме

ОК-3

Готов к кооперации с

Уметь:

 

коллегами, работе в

1.

участвовать в коллективном обсуждении

 

коллективе

вопросов, связанных с выполнением лабора-

 

 

торных работ

ОК-

Имеет навыки работы с

Знать:

12

компьютером как сред-

1.

архитектуру и организацию современ-

 

ством управления ин-

ных ЭВМ;

 

формацией

2.

современные тенденции развития архи-

 

 

тектур микропроцессоров.

 

 

Уметь:

 

 

1.

разрабатывать программы с учетом ар-

 

 

хитектуры вычислителя

 

 

2.

разрабатывать программы взаимодей-

 

 

ствия с периферийными устройствами

ПК-2

Осваивать методики

Знать:

 

использования про-

1.

основы функционирования инструмен-

 

граммных средств для

тальных средств разработки программ

 

решения практических

Уметь:

 

задач

1.

пользоваться оптимизирующим компи-

 

 

лятором и отладчиком программ

 

 

2.

использовать библиотеки для работы с

5

 

 

периферийными устройствами

 

 

Владеть:

 

 

1.

методикой измерения времени приклад-

 

 

ной программы и её частей

ПК-7

Готовить презентации,

Знать:

 

научно-технические от-

1.

порядок оформления и представления

 

четы по результатам

отчетов о выполнении лабораторных работ

 

выполненной работы,

Уметь:

 

оформлять результаты

1.

подготавливать отчет о выполнении ла-

 

исследований в виде

бораторной работы с использованием стан-

 

статей и докладов на

дартного офисного ПО

 

научно-технических

2.

аргументированно защищать результа-

 

конференциях

ты, полученные в результате работы

4. Объем, структура и содержание дисциплины

4.1.Объем дисциплины составляет 4 зачетных единиц, 144 академических часа

4.2.Структура дисциплины

Раздел (тема)

п/п дисциплины

1Введение. Определение архитектуры

2Системная организация ЭВМ и ПУ

3Организация подсистемы памяти

4Функционирование

процессора

5Введение в параллельную обработку

6Специализированные вычислительные устройства

учебного плана)

(из учебного плана)

Семестр (из

Неделя семестра

3

1

3

2–3

3

4–7

3

8–11

3

11–14

3

15

 

 

Контактная работа обучающихся с преподавателем по видам учебных занятий (из учеб-

ного плана, в часах)

лекции

Лабораторные занятия

 

Контроль самостоятельной работы (КСР)

Консультации

2

 

2

 

 

4

 

4

 

 

8

 

8

 

 

7

 

8

 

 

7

 

6

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

Самостоятельная работа обучающихся (из учебного плана, в часах)

6

16

14

15

15

4

Формы текущего контроля успеваемости

(по неделям семестра)

Форма промежуточной аттестации

(по семестрам, из учебного плана)

З.Л.Р.*

З.Л.Р.

З.Л.Р.

Колл-м**(9 нед.)

З.Л.Р.

Колл-м (13 нед.) З.Л.Р.

З.Л.Р.

6

7

Заключение. Тен-

3

16

2

2

 

 

2

З.Л.Р.

 

денции развития

 

 

 

 

 

 

 

 

 

архитектур микро-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

процессоров

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Промежуточная ат-

3

17

 

 

 

 

8

Диф.зачет

 

тестация

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ИТОГО часов:

 

 

32

32

 

 

80

 

*З.Л.Р – Защита лабораторных работ (на каждом лабораторном занятии). **Колл-м – коллоквиум.

4.3. Содержание дисциплины, структурированное по темам (разделам)

Лекции – 32 часа

 

занятия

 

мую литературу

 

Кол-во часов

Раздел (тема),

 

 

всего

 

 

Содержание занятий и ссылки на рекомендуе-

 

В ин-

Код компетен-

 

 

терак-

 

 

 

 

 

ции

 

 

 

 

тивной

 

 

 

 

 

форме

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Цели и задачи курса. Определение архитектуры и

 

 

Определение

 

организации компьютера. Основные характери-

 

 

архитектуры

 

стики и принципы функционирования ЭВМ.

 

 

 

 

Рекомендуемая литература:

 

 

 

(ОК-2, ОК-12,

 

1)

Эффективное программирование совре-

 

 

ПК-2, ПК-7)

1

менных микропроцессоров: Учебное пособие.

1

0

 

 

Маркова В.П., Киреев С.Е., Остапкевич М.Б., Пе-

 

 

 

 

репелкин В.А. – Новосибирск: Изд-во НГТУ.

 

 

 

 

2014. – 148 с.

 

 

 

 

 

2)

Таненбаум Э. Остин Т.

Архитектура

 

 

 

 

компьютера. СПб.: Питер, 2013. – 816 с.

 

 

 

 

Компьютер фон Неймана, его узкие места и усо-

 

 

 

 

вершенствования. Основные компоненты совре-

 

 

 

2

менного компьютера.

 

1

0

 

Рекомендуемая литература:

 

 

 

 

 

 

 

 

1)

Таненбаум Э. Остин Т.

Архитектура

 

 

 

 

 

компьютера. СПб.: Питер, 2013. – 816 с.

 

 

Системная ор-

 

Шины. Обработка прерываний. Механизмы об-

 

 

ганизация

3

работки прерываний в процессоре.

Виды шин в

2

0

ЭВМ и пери-

 

ЭВМ, их назначение и основные характеристики.

 

 

ферийные

 

Периферийные устройства. Классифи-кация,

 

 

устройства.

 

принципы функционирования и

основы про-

 

 

 

 

граммирования, назначение и основные характе-

 

 

(ОК-1, ОК-2,

 

ристики каждого вида периферийных устройств.

 

 

ОК-12, ПК-2,

4

Уровни про-граммирования периферийных

2

0

ПК-7)

 

устройств. Примеры сред программирования.

 

 

 

 

Рекомендуемая литература:

 

 

 

 

 

1)

Таненбаум Э. Остин Т. Архитектура компью-

 

 

 

 

 

тера. СПб.: Питер, 2013. – 816 с.

 

 

 

7

Организация

 

Подсистема памяти. Представление дан-ных.

 

 

подсистемы

 

Иерархическая организация памяти.

 

 

 

 

памяти

 

Рекомендуемая литература:

 

 

 

 

 

 

 

1) Таненбаум

Э.

Остин

Т.

Архитектура

 

 

(ОК-1, ОК-2,

5

компьютера. СПб.: Питер, 2013. – 816 с.

 

2

0

ОК-12, ПК-2,

 

2) Ulrich Drepper, What Every Programmer Should

 

 

ПК-7)

 

Know

About

Memory,

2007.

 

 

 

 

(http://www.akkadia.org/drepper/cpumemory.pdf

 

 

 

 

) – P. 114.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Организация кэш-памяти. Способы отображения

 

 

 

 

информации из оперативной памяти в кэш-

 

 

 

 

память (прямой, частично-ассоциативный и ас-

 

 

 

6

социативный). Аппаратная и программная пред-

2

0

 

выборка данных в кэш-память.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рекомендуемая литература:

 

 

 

 

 

 

 

1) Таненбаум

Э.

Остин

Т.

Архитектура

 

 

 

 

компьютера. СПб.: Питер, 2013. – 816 с.

 

 

 

 

 

Виртуальная память.

 

 

 

 

 

 

 

7

Рекомендуемая литература:

 

 

 

2

0

 

1) Таненбаум

Э.

Остин

Т.

Архитектура

 

 

 

 

 

 

компьютера. СПб.: Питер, 2013. – 816 с.

 

 

 

Вопросы эффективного программирования с учетом организации памяти.

Рекомендуемая литература:

 

 

1)

Эффективное

программирование современ-

 

 

 

 

 

ных микропроцессоров: Учебное пособие.

 

 

 

 

 

Маркова В.П., Киреев С.Е., Остапкевич М.Б.,

 

 

 

8

 

Перепелкин

В.А. – Новосибирск: Изд-во

2

0

 

 

 

НГТУ. 2014. – 148 с.

 

 

 

 

2)

Касперски К. Техника оптимизации про-

 

 

 

 

 

грамм. Эффективное использование памяти. –

 

 

 

 

 

СПб.: БХВ-Петербург, 2003. – 464 с.

 

 

 

 

3)

Agner Fog. Software optimization resources.

 

 

 

 

 

http://www.agner.org/optimize/

 

 

Функциониро-

9

Процессор, его состав и функционирование.

 

 

вание процес-

 

Рекомендуемая литература:

2

0

сора

 

1)

Таненбаум Э. Остин Т. Архитектура компью-

 

 

 

 

 

 

тера. СПб.: Питер, 2013. – 816 с.

 

 

(ОК-1, ОК-2,

10

Набор команд. CISC и RISC-процессоры.

 

 

ОК-12, ПК-2,

 

Рекомендуемая литература:

2

0

ПК-7)

 

1)

Таненбаум Э. Остин Т. Архитектура компью-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тера. СПб.: Питер, 2013. – 816 с.

 

 

 

11

Конвейеры. Конфликты в конвейерах команд.

 

 

 

 

Рекомендуемая литература:

3

0

 

 

1)

Таненбаум Э. Остин Т. Архитектура компью-

 

 

 

 

 

 

 

тера. СПб.: Питер, 2013. – 816 с.

 

 

8

Введение в па-

12

Понятие последовательного и параллельного ис-

 

 

раллельную

 

полнения. Уровни параллелизма.

 

 

обработку

 

Рекомендуемая литература:

 

 

 

 

1)

Многоядерные процессоры: Учебное пособие.

 

 

(ОК-1, ОК-2,

 

 

Калачев А.В. – М.: Интернет-Университет

1

0

ОК-12, ПК-2,

 

 

Информационных Технологий: БИНОМ. Ла-

 

 

ПК-7)

 

 

боратория знаний, 2011. – 247 с.

 

 

 

 

2)

Корнеев В.В. Параллельные вычислительные

 

 

 

 

 

системы. – М.: Нолидж, 1999. – 311 c.

 

 

 

13

Параллелизм на уровне команд. Суперскалярные

 

 

 

 

и VLIW-архитектуры. Примеры процессоров

 

 

 

 

(x86/x86-64, Power, ARM).

 

 

 

 

Рекомендуемая литература:

2

0

 

 

1)

Таненбаум Э. Остин Т. Архитектура компью-

 

 

 

 

 

 

 

тера. СПб.: Питер, 2013. – 816 с.

 

 

 

 

2)

Intel®64 and IA-32 Architectures Software De-

 

 

 

 

 

veloper’s Manual, 2007.

 

 

 

14

Параллелизм на уровне данных. Векторно-

 

 

 

 

конвейерные архитектуры. SIMD-расширения

 

 

 

 

компьютеров общего назначения.

2

0

 

 

Рекомендуемая литература:

 

 

 

 

 

 

1)

Таненбаум Э. Остин Т. Архитектура компью-

 

 

 

 

 

тера. СПб.: Питер, 2013. – 816 с.

 

 

 

15

Параллелизм на уровне потоков. Многопоточные

 

 

 

 

архитектуры.

 

 

 

 

Рекомендуемая литература:

 

 

 

 

1)

Архитектура микропроцессоров: Учебное

 

 

 

 

 

пособие. Гуров В.В. – М.: Интернет-

 

 

 

 

 

Университет Информаци-онных Технологий:

1

0

 

 

 

БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. – 272 с.

 

 

 

 

2)

Гуров В.В. Архитектура микропроцессоров:

 

 

 

 

 

Учебное пособие. – М.: Интернет-

 

 

 

 

 

Университет Информа-ционных Технологий:

 

 

 

 

 

БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. – 272 с.

 

 

 

16

Многоядерные архитектуры. Проблема поддер-

 

 

 

 

жания когерентности данных.

 

 

 

 

Рекомендуемая литература:

 

 

 

 

1)

Многоядерные процессоры: Учебное пособие.

1

0

 

 

 

Калачев А.В. – М.: Интернет-Университет

 

 

 

 

 

Информационных Технологий: БИНОМ. Ла-

 

 

 

 

 

боратория знаний, 2011. – 247 с.

 

 

Специализиро-

17

Архитектура спец. вычислителей. Графические

 

 

ванные вычис-

 

ускорители и акселераторы.

 

 

лительные

 

Рекомендуемая литература:

1

0

устройства

 

1.

Материалы к курсу на сайте кафед-ры ПВ

 

 

 

 

 

ФИТ НГУ (http://ssd.sscc.ru/ru/chair/nsu/computer-

 

 

(ОК-1, ОК-2,

 

and-peripherals)

 

 

9

ОК-3, ОК-12,

18

Архитектура ПЛИС. Введение в програм-

 

 

ПК-2, ПК-7)

 

мирование на ПЛИС.

 

 

 

 

 

 

Рекомендуемая литература:

 

1

0

 

 

Материалы к курсу на сайте кафедры ПВ ФИТ

 

 

 

 

 

 

НГУ (http://ssd.sscc.ru/ru/chair/nsu/computer-and-

 

 

 

 

peripherals)

 

 

 

 

Заключение.

19

Обзор современных архитектур и организаций

 

 

Тенденции

 

ЭВМ. Проблемы и тенденции развития микро-

 

 

развития архи-

 

процессоров и вычислительных систем.

 

 

тектур микро-

 

Рекомендуемая литература:

 

 

 

процессоров

 

1)

Таненбаум Э.

Остин Т.

Архитектура

2

0

(ОК-1, ОК-2,

 

 

компьютера. СПб.: Питер, 2013. – 816 с.

 

 

ОК-3, ОК-12,

 

2.

В.В.Корнеев,

А.В.Киселев

Современные

 

 

ПК-2, ПК-7)

 

микропроцессоры, 3-е изд., перераб. и доп. –

 

 

 

 

СПб.: БХВ-Петербург, 2003. – 440 с.

 

 

Итого:

 

 

 

 

 

32

 

Темы лабораторных работ по разделам дисциплины

Студенты по плану выполняют 10 обязательных лабораторных работ. По желанию студента и на усмотрение преподавателя наиболее успешным студентам предлагаются две дополнительные лабораторные работы повышенной сложности (лабораторная работа 11 и лабораторная работа 12).

Лабораторные занятия – 32 часа

 

занятия

 

Кол-во часов

компетенции

литературу

 

 

всего

В ин-

Раздел (тема), Код

 

Содержание занятий и ссылки на рекомендуемую

 

терак-

 

 

 

 

 

 

 

тивной

 

 

 

форме

 

 

 

 

Введение. Опре-

1

Определение времени работы прикладных про-

2

1,8

деление архитек-

граммных программ

 

 

 

туры.

 

Изучение оптимизирующего компилятора

 

 

(ОК-1, ОК-2, ОК-

2

 

2

1,8

12, ПК-2, ПК-7)

 

 

 

 

Системная орга-

3

Высокоуровневая работа с периферийными

2

1,8

низация ЭВМ и

устройствами».

 

 

 

ПУ (ОК-1, ОК-2,

 

Низкоуровневая работа с периферийными устрой-

 

 

ОК-12, ПК-2, ПК-

4

ствами

2

1,8

7)

 

 

 

 

Организация под-

5

Влияние кэш-памяти на время обработки масси-

4

3,6

системы памяти

вов

 

 

 

(ОК-1, ОК-2, ОК-

6

Измерение степени ассоциативности кэш-памяти

4

3,6

12, ПК-2, ПК-7)

 

 

 

 

 

Функционирова-

7

Введение в архитектуру x86/x86-64

4

3,6

ние процессора

8

Введение в архитектуру ARM

 

 

(ОК-1, ОК-2, ОК-

 

 

4

3,6

12, ПК-2, ПК-7)

 

 

 

 

Введение в парал-

9

Векторизация вычислений

4

3,6

10