1966
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
Платов А.Ю.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭВМ
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекциям, практическим занятиям
(включая рекомендации по организации самостоятельной работы)
для обучающихся по дисциплине «Физические основы построения ЭВМ» по направлению подготовки 09.03.03 Прикладная информатика профиль Прикладная информатика в экономике
Нижний Новгород
2016
УДК 004.9
Платов А.Ю. / Физические основы построения ЭВМ [Электронный ресурс]: учеб.-метод. пос. / А.Ю. Платов; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун-т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 11 с.– 1 электрон. опт. диск (CD-RW).
В настоящем учебно-методическом пособии по дисциплине «Физические основы построения ЭВМ» даются конкретные рекомендации учащимся для освоения как основного, так и дополнительного материала дисциплины и тем самым способствующие достижению целей, обозначенных в учебной программе дисциплины. Цель учебно-методического пособия — это помощь в усвоении лекций.
Учебно-методическое пособие предназначено для обучающихся в ННГАСУ по дисциплине «Физические основы построения ЭВМ» по направлению подготовки 09.03.03 Прикладная информатика, профиль Прикладная информатика в экономике.
Учебно-методическое пособие ориентировано на обучение в соответствии с календарным учебным графиком и учебным планом по основной профессиональной образовательной программе направления 09.03.03 Прикладная информатика, профиль Прикладная информатика в экономике, утверждённым решением учёного совета ННГАСУ от 02.09.2016 г. (протокол № 1).
© А.Ю. Платов, 2016 © ННГАСУ, 2016
2
Оглавление
1. |
Общие положения .......................................................................................................................... |
4 |
|
|
1.1 |
Цели изучения дисциплины и результаты обучения ........................................................... |
4 |
|
1.2 |
Содержание дисциплины........................................................................................................ |
4 |
|
1.3 |
Порядок освоения материала.................................................................................................. |
5 |
2. |
Методические указания по подготовке к лекциям...................................................................... |
6 |
|
|
2.1 |
Общие рекомендации по работе на лекциях......................................................................... |
6 |
|
2.2 |
Общие рекомендации при работе с конспектом лекций...................................................... |
6 |
|
2.3 |
Контрольные вопросы............................................................................................................. |
6 |
3. |
Методические указания по организации самостоятельной работы .......................................... |
8 |
|
|
3.1 |
Общие рекомендации для самостоятельной работы............................................................ |
8 |
|
3.2 |
Темы для самостоятельного изучения................................................................................... |
9 |
|
3.3 |
Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы ............................................ |
9 |
|
3.4 |
Задания для самостоятельной работы ................................................................................. |
10 |
3
1. Общие положения
1.1 Цели изучения дисциплины и результаты обучения
Основной целью освоения учебной дисциплины «Физические основы построения ЭВМ» является изучение основных принципов работы главных устройств современных ЭВМ и выработка навыков оценивания возможностей современных ЭВМ с точки зрения их элементной базы.
В процессе освоения дисциплины студент должен Знать принципы работы логических элементов ЭВМ, а также устройств памяти. Уметь оценивать технические возможности ЭВМ.
Владеть данными о характеристиках текущих микропроцессоров и элементов памяти.
Данная дисциплина позволит студентам не только систематизировать полученные теоретические знания, укрепить исследовательские навыки, но и даст возможность ориентироваться в новом предметном поле экономической информатики.
1.2 Содержание дисциплины
Материал дисциплины сгруппирован по следующим разделам:
1. Развитие элементной базы.
Механическая элементная база. Первые вычислительные машины. Электро-механическая элементная база. Релейные машины. Электронные лампы. ЭВМ на ламповой базе.
2. Развитие полупроводниковой базы.
Кремниевые, арсенид-галлиевые полупроводники. Интегральные схемы. Закон Мура. Экспериментальные основания закона Мура. Основные характеристики современных полупроводниковых элементов.
3. Физические основы электропроводимости металлов и полупроводников.
Основы квантовой механики. Электроны, волны де Бройля, соотношение неопределенностей, волновая функция. Частица в одномерной потенциальной яме. Разделения веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики. Электропроводность твердых тел. Модель электронного газа. Электроны и дырки. Полупроводники n- и p-типа.
4. Транзисторы.
Биполярные и полевые транзисторы. Усиление тока и напряжения. Усилитель мощности. Многоэмитерные транзисторы.
5. Элементная база ЭВМ.
Аналоговое и цифровое представление информации. Физическое представление информации в компьютере. Двоичный код. Реализация элементарных логических функций. Основные характеристики
4
логических элементов.
6. Элементы современной ЭВМ.
Архитектура фон Неймана. Современные микропроцессоры и их характеристики. Шины и их характеристики.
7. Запоминающие устройства.
Полупроводниковые запоминающие устройства. Конденсатор. Триггер. Статическая и динамическая память. Постоянное запоминающее устройство. Магнитная память. Диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики. Плотность записи. Оптические запоминающие устройства.
8. Перспективы развития ЭВМ.
Перспективная элементная база. Новые принципы для устройств памяти.
1.3 Порядок освоения материала
Материал дисциплины изучается в соответствии с порядком, определённым в следующей таблице:
|
|
Таблица 1 |
|
Порядок освоения дисциплины |
|
|
|
|
№ |
Раздел дисциплины |
№№ предшествующих разделов |
|
|
|
1 |
Развитие элементной базы |
- |
|
|
|
2 |
Развитие полупроводниковой бызы. |
1 |
|
|
|
3 |
Физические основы электропроводимости металлов и полупроводников. |
1,2 |
|
|
|
4 |
Транзисторы. |
1,2,3 |
|
|
|
5 |
Элементная база ЭВМ. |
1-4 |
6 |
Элементы современной ЭВМ. |
1-5 |
7 |
Запоминающие устройства. |
1-3 |
8 |
Перспективы развития ЭВМ. |
5 |
|
|
|
5
2. Методические указания по подготовке к лекциям
2.1 Общие рекомендации по работе на лекциях
Лекция является главным звеном дидактического цикла обучения. Ее цель — формирование основы для последующего усвоения учебного материала. В ходе лекции преподаватель в устной форме, а также с помощью презентаций передает обучаемым знания по основным, фундаментальным вопросам изучаемой дисциплины.
Назначение лекции состоит в том, чтобы доходчиво изложить основные положения изучаемой дисциплины, ориентировать на наиболее важные вопросы учебной дисциплины и оказать помощь в овладении необходимых знаний и применения их на практике.
Личное общение на лекции преподавателя со студентами предоставляет большие возможности для реализации образовательных и воспитательных целей.
При подготовке к лекционным занятиям студенты должны ознакомиться с презентаций, предлагаемой преподавателем, отметить непонятные термины и положения, подготовить вопросы с целью уточнения правильности понимания. Рекомендуется приходить на лекцию подготовленным, так как в этом случае лекция может быть проведена в интерактивном режиме, что способствует повышению эффективности лекционных занятий.
2.2Общие рекомендации при работе с конспектом лекций
Входе лекционных занятий необходимо вести конспектирование учебного материала. Конспект помогает внимательно слушать, лучше запоминать в процессе осмысленного записывания, обеспечивает наличие опорных материалов при подготовке к семинару, зачету, экзамену.
Полезно оставить в рабочих конспектах поля, на которых делать пометки из рекомендованной литературы, дополняющие материал прослушанной лекции, а также подчеркивающие особую важность тех или иных теоретических положений.
Вслучае неясности по тем или иным вопросам необходимо задавать преподавателю уточняющие вопросы. Следует ясно понимать, что отсутствие вопросов без обсуждения означает в большинстве случаев неусвоенность материала дисциплины.
2.3Контрольные вопросы
1.Поколения ЭВМ и их элементная база
2.Закон Мура.
3.Волны де Бройля, соотношение неопределенностей и волновая функция.
4.Принципы разделения веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики.
5.Полупроводники n- и p-типа.
6.Электронно-дырочные переходы.
7.Аналоговая и цифровая обработка информации.
8.Физическое представление информации в ЭВМ. Двоичный код.
9.Архитектура фон Неймана.
10.Характеристики микропроцессора
11.Конденсатор и триггер как простейшие ячейки памяти.
12.Характеристики памяти.
13.Постоянное запоминающее устройство.
6
14.Оптическая память.
15.Магнитная память.
7
3. Методические указания по организации самостоятельной работы
3.1 Общие рекомендации для самостоятельной работы
Самостоятельная работа студентов является основным способом овладения учебным материалом в свободное от обязательных учебных занятий время.
Целями самостоятельной работы студентов являются:
-систематизация и закрепление полученных теоретических знаний и практических умений студентов;
-углубление и расширение теоретических знаний;
-формирование умений использовать нормативную, правовую, справочную документацию и специальную литературу;
-развитие познавательных способностей и активности студентов:
-формирования самостоятельности мышления, способностей к саморазвитию, самосовершенствованию и самореализации.
Запланированная в учебном плане самостоятельная работа студента рассматривается как связанная либо с конкретной темой изучаемой дисциплины, либо с подготовкой к курсовой, дипломной работе, а также к защите ВКР. В данном разделе рассматривается только самостоятельная работа первого вида.
Самостоятельная работа выполняется в два этапа: планирование и реализация. Планирование самостоятельной работы включает:
-уяснение задания на самостоятельную работу;
-подбор рекомендованной литературы;
-составление плана работы, в котором определяются основные пункты предстоящей подготовки. Составление плана дисциплинирует и повышает организованность в работе.
На втором этапе реализуется составленный план. Реализация включает в себя:
-изучение рекомендованной литературы;
-составление плана (конспекта) по изучаемому материалу (вопросу);
-взаимное обсуждение материала.
Необходимо помнить, что на лекции обычно рассматривается не весь материал. Оставшаяся восполняется в процессе самостоятельной работы. В связи с этим работа с рекомендованной литературой обязательна.
Работа с литературой и иными источниками информации включает в себя две группы приемов: техническую, имеющую библиографическую направленность, и содержательную. Первая группа – уяснение потребностей в литературе; получение литературы; просмотр литературы на уровне общей, первичной оценки; анализ надежности публикаций как источника информации, их относимости и степени полезности. Вторая – подробное изучение и извлечение необходимой информации.
Для поиска необходимой литературы можно использовать следующие способы:
-поиск через систематический каталог в библиотеке;
-просмотр специальных периодических изданий;
-использование материалов, размещенных в сети Интернет.
Для того, чтобы не возникало трудностей понимания текстов учебника, монографий, научных статей, следует учитывать, что учебник и учебное пособие предназначены для студентов и магистрантов, а монографии и статьи ориентированы на исследователя. Монографии дают обширное описание проблемы, содержат в себе справочную информацию и отражают полемику по тем или иным дискуссионным вопросам. Статья в журнале кратко излагает позицию автора или его конкретные достижении в исследовании какой-либо научной проблемы.
8
В процессе взаимного обсуждения материала закрепляются знания, а также приобретается практика в изложении и разъяснении полученных знаний, развивается речь.
При необходимости студенту следует обращаться за консультацией к преподавателю.
Составление записей или конспектов позволяет составить сжатое представление по изучаемым вопросам. Записи имеют первостепенное значение для самостоятельной работы студентов. Они помогают понять построение изучаемого материала, выделить основные положения, проследить их логику.
Ведение записей способствует превращению чтения в активный процесс. У студента, систематически ведущего записи, создается свой индивидуальный фонд подсобных материалов для быстрого повторения прочитанного. Особенно важны и полезны записи тогда, когда в них находят отражение мысли, возникшие при самостоятельной работе.
Можно рекомендовать следующие основные формы записи: план, конспект, тезисы, презентация. План – это схема прочитанного материала, краткий (или подробный) перечень вопросов,
отражающих структуру и последовательность материала. Подробно составленный план вполне заменяет конспект.
Конспект – это систематизированное, логичное изложение материала источника. Объем конспекта не должен превышать 10 страниц. Шрифт Times New Roman, кегль 14, интервал 1,5. Список литературы должен состоять из 5-8 источников, по возможности следует использовать последние издания учебных пособий и исследований.
Тезисы — это последовательность ключевых положений из некоторой темы без доказательств или с неполными доказательствами. По объему тезисы занимают одну страницу формата А4 или одну – две страницы в ученической тетради. В конце тезисов студент должен сделать собственные выводы.
Презентации по предложенной теме составляются в программе Power Point или Impress. Количество слайдов должно быть не менее 15 и не превышать 20 слайдов. Кроме текста на слайдах можно создавать схемы и таблицы. Шрифт должен быть читаемым, например, шрифт черного цвета на светлом фоне или светлый шрифт на темном фоне. Также шрифт не должен быть слишком мелким. В слайдах указываются только основные тезисы, понятия и нормы.
3.2 Темы для самостоятельного изучения
1.Преимущества интегральных схем перед дискретными элементами.
2.Волны де Бройля, соотношение неопределенностей.
3.Конденсатор и триггер как простейшие ячейки памяти.
3.3 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы
1.Физические основы оптоэлектроники : учебное пособиеДавыдов В. Н. Томск : Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2010.
2.Физические основы получения информации : учебное пособие. Ахмеджанов Р. А., Чередов А. ИМосква : Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2013.
3.Физические основы информатики быстропротекающих процессов : Учебное издание Огородников В. А.Саров : Российский федеральный ядерный центр – ВНИИЭФ, 2010.
4.История вычислительных машин (http://edu.mccme.ru/School/INet/sch1685/history.htm)
5.Закон Мура Сорокалетие закона Мура (http://www.ferra.ru/online/market/25856/)
6.Учебное пособие «Изучаем компьютер и программы» ( http://web-local.rudn.ru/web-
9
local/uem/autor/06_05/16.pdf )
3.4 Задания для самостоятельной работы Раздел 1. Развитие элементной базы.
Написать реферат по согласованной теме.
Раздел 2. Транзисторы
Анализ ограничений транзисторов.
Раздел 6. Элементы современной ЭВМ.
Характеристики элементов современных ЭВМ.
10