Архитектура ЭВМ. Учебное пособие (лабораторный практикум)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

АРХИТЕКТУРА ЭВМ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

(ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ)

Направление подготовки 230400.62 –

Информационные системы и технологии

Профиль подготовки «Безопасность информационных систем»

Бакалавриат

Ставрополь

2015

А87 Архитектура ЭВМ: учебное пособие (лабораторный практикум) / авт.-сост.: Е. В. Крахоткина, В. И. Терехин. – Ставрополь: Изд-во СКФУ, 2015. – 80 с.

Пособие составлено в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и про- граммой дисциплины, состоит из 10 лабораторных работ, каждая из кото- рых включает цель, формируемые компетенции, теоретический материал, задания для самостоятельного выполнения, контрольные вопросы и форму отчета о выполненной лабораторной работы. В приложения к учебному пособию вынесены задачи, для проверки уровня усвоения компетенций.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подго- товки 230400 – Информационные системы и технологии профиля подго- товки «Безопасность информационных систем».

УДК 004.272 (075.8) ББК 32.81 я73

Авторы-составители:

канд. физ.-мат. наук, доцент Е. В. Крахоткина, ст. преподаватель В. И. Терехин

Рецензенты:

канд. физ.-мат. наук, доцент И. В. Зайцева, д-р техн. наук, профессор Н. В. Кандаурова

(Северо-Кавказский гуманитарно-технический институт)

© ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», 2015

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Целями лабораторного практикума является формирование набора профессиональных компетенций бакалавров, подготовка их

к самостоятельному выполнению работ с помощью современных аппаратных средств.

Задачи:

–изучение архитектуры классических компьютерных систем, элементов и узлов ЭВМ, их основных характеристик ЭВМ;

–усвоение номенклатуры используемых компьютерных систем, классов ЭВМ, целевого назначения и особенностей различных классов ЭВМ;

–овладение основами кодирования информации в компьютер- ных системах;

–знакомство с информационно-логическими основами компью- терных систем, машинного языка и низкоуровневого программиро- вания ЭВМ;

–изучение архитектурных особенностей современных компью- терных систем;

–знакомство с тенденциями и перспективами развития компью- терных систем, основами межмашинного взаимодействия и постро- ения систем телекоммуникации и компьютерных сетей.

При изучении дисциплины «Архитектура ЭВМ» необходимо уделить внимание следующим вопросам:

1) устройство и использование ЭВМ младших классов;

2) специфика использования ЭВМ в решении экономических и организационно-управленческих задач;

3) компьютерные вопросы комплексирования систем с примене- нием стандартных компонентов.

Дисциплина «Архитектура ЭВМ» относится к профессиональ- ному циклу вариативная часть, обязательные дисциплины Б3.В.ОД.5. Освоение дисциплины происходит в 5 семестре.

При изучении дисциплины студенты должны опираться на зна- ния, полученные при освоении следующих дисциплин учебного плана подготовки бакалавров: «Математика», «Информатика», «Физика», «Инструментальные средства в инженерных расчетах», «Введение в специальность», «Операционные системы».

3

Знания, полученные в ходе изучения дисциплины «Архитектура ЭВМ», могут применяться при освоении дисциплин «Плановая НИРС», «Архитектура информационных систем», «Инструменталь- ные средства информационных систем», «Инфокоммуникационные системы и сети», «Методы и средства проектирования информаци- онных систем и технологий», «Корпоративные информационные системы», «Управление данными в сетях», «Управление ресурсами ЭВМ», «Введение в технологии высокопроизводительных вычисле- ний», «Проектный практикум», «Локальные компьютерные сети», «Мировые информационные ресурсы и сети», «Технологии постро- ения защищенных информационных систем», а также при выполне- нии выпускной квалификационной работы.

В результате освоения дисциплины должны быть сформированы следующие профессиональные компетенции:

проектно-конструкторская деятельность:

-ПК-1 – способность проводить предпроектное обследование объекта проектирования, системный анализ предметной области, их взаимосвязей;

проектно-технологическая деятельность:

-ПК-12 – способность разрабатывать средства реализации ин- формационных технологий (методические, информационные, мате- матические, алгоритмические, технические и программные);

производственно-технологическая деятельность:

-ПК-18 – способность использовать технологии разработки объ- ектов профессиональной деятельности в таких областях, как: маши- ностроение, приборостроение, наука, техника, образование, меди- цина, административное управление, юриспруденция, бизнес, пред- принимательство, коммерция, менеджмент, банковские системы, безопасность информационных систем, управление технологиче- скими процессами, механика, техническая физика, энергетика, ядерная энергетика, силовая электроника, металлургия, строитель- ство, транспорт, железнодорожный транспорт, связь, телекоммуни- кации, управление инфокоммуникациями, почтовая связь, химиче- ская промышленность, сельское хозяйство, текстильная и легкая промышленность, пищевая промышленность, медицинские и био- технологии, горное дело, обеспечение безопасности подземных предприятий и производств, геология, нефтегазовая отрасль, геоде- зия и картография, геоинформационные системы, лесной комплекс,

4

химико-лесной комплекс, экология, сфера сервиса, системы массо- вой информации, дизайн, медиаиндустрия, а также предприятия

различного профиля и все виды деятельности в условиях экономики информационного общества;

организационно-управленческая деятельность:

-ПК-19 – способность осуществлять организацию рабочих мест, их техническое оснащение, размещение компьютерного оборудова- ния;

монтажно-наладочная деятельность:

-ПК-29 – способность к инсталляции, отладке программных и

настройке технических средств для ввода информационных систем

вопытную эксплуатацию.

Студенты, также должны, приобрести первоначальные профес- сиональные навыки, в решении таких задач, как:

-двоичное кодирование информации с использованием специ- альных методов кодирования, применяемых в компьютерных си- стемах и сетях;

-определение необходимых характеристик и свойств компью- терной системы, требуемых при решении поставленных задач;

-выбор компонентов системы и инженерных решений, необхо- димых для получения заданных свойств компьютерной системы.

Представленные в учебном пособии лабораторные работы отра- жают основные характеристики, области применения ЭВМ различ- ных классов; функциональную и структурную организацию процес- сора; организацию памяти ЭВМ; основные стадии выполнения ко- манды; организацию прерываний в ЭВМ; организацию ввода- вывода; переферийные устройства; архитектурные особенности ЭВМ различных классов; параллельные системы; понятие о много- машинных и многопроцессорных вычислительных системах; мат- ричные и ассоциативные вычислительные сети; сети ЭВМ; инфор- мационно-вычислительные системы и сети.

5

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

1. ИЗУЧЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СООБЩЕНИЙ

Цели работы: освоить основные понятия теории информации; изучить применение методов вычисления информационных харак- теристик сообщений и тем; получить начальные знания и навыки, необходимые при изучении в дальнейшем методов сжатия инфор- мационных сообщений.

Формируемые компетенции:

проектно-технологическая деятельность – ПК-12; производственно-технологическая деятельность – ПК-18.

Теоретическая часть

Энтропия сообщения

Энтропия (J) сообщения, или «полная информация в сообще- нии» – количество информации, которое может содержать сообще- ние, но не обязательно содержит.

Энтропия сообщения может быть вычислена с помощью фор-

мулы

J = log2N

где N – число возможных состояний сообщения.

Пусть передается сообщение длиной в n двоичных разрядов. То- гда максимальное число информационных состояний сигнала рав- няется N = 2n, тогда энтропия J = log2 2n = n. Если код сообщения не

двоичный, а предполагает M возможных состояний каждого разря-

да, то N = Mn.

M – число возможных состояний разряда, принято также назы- вать «алфавитом источника сообщения». Именно этот термин при- нято использовать, когда речь идёт о текстовых сообщениях. Для текстового сообщения «алфавитом источника сообщения» является число символов в алфавите, использованном для составления сооб- щения.

6

Если сообщение состоит из отдельных элементов (отдельных символов), энтропию сообщения удобнее вычислять через энтро- пию одного элемента (символа) в сообщении:

J = J1 × m,

где J1 – энтропия одного элемента (одного символа) сообщения; m – число элементов в сообщении.

Энтропия одного элемента (одного символа) в сообщении: J1 = log2 M.

Полезная информация в сообщении

Полезная информация (I) в сообщении, или просто «информа- ция» – та часть энтропии, которая действительно информативна для получателя сообщения.

Согласно теории информации полезная информация в сообще- нии может оказаться меньше, чем энтропия сообщения, по следую- щим причинам:

-неравновероятность символов (появление одних символов в со- общении более вероятно, чем появление других);

-взаимозависимость символов (появление одних символов в со- общении означает изменение вероятности появления других).

Если в сообщении использованы все символы исходного алфа- вита и символы в сообщении равновероятны и взаимонезависимы, то количество информации в сообщении равно энтропии сообще- ния, и количество информации в символе (элементе) сообщения равно энтропии символа (элемента сообщения):

I = J, I1 = J1

Если символы взаимонезависимы, но неравновероятны, то I < J , I1<J1 полезная информация в одном символе:

где pi – вероятность появления i символа сообщения. Количество полезной информации в сообщении:

I = I1 × m.

Избыточность сообщений

Избыточность (R) сообщения, или «абсолютная избыточность», или «избыточная информация в сообщении» – это та часть энтропии, которая не является информативной для получателя сообщения.

7

Согласно определению, избыточность

R = J – I.

Избыточность одного символа

R1 = J1 – I1.

Относительная избыточность сообщения Относительная избыточность сообщения (r) – процент избы-

точной информации в сообщении, который может быть вычислен

по формуле

r = R/J = 1 – I/J = R1/J1 = 1 – I1/J1.

Оборудование и материалы

Для выполнения лабораторной работы необходим персональный компьютер со следующими характеристиками:

-процессор Intel Celeron G1850 OEMс,

-оперативная память не менее 512 Мбайт,

-свободное дисковое пространство не менее 320 Гбайт,

-устройство для чтения компакт-дисков,

-монитор типа Super VGA (число цветов 256) с диагональю не

менее 17².

Программное обеспечение – операционная система WINDOWS XP, пакет MathCAD, MicroSoft Office.

Указания по технике безопасности

Техника безопасности при выполнении лабораторной работы совпадает с общепринятой для пользователей персональных ком- пьютеров. В частности:

–самостоятельно не производить ремонт персонального компью- тера, установку и удаление программного обеспечения; в случае не- исправности персонального компьютера сообщить об этом обслужи- вающему персоналу лаборатории (оператору, администратору);

–соблюдать правила техники безопасности при работе с элек- трооборудованием; не касаться электрических розеток металличе- скими предметами;

–рабочее место пользователя персонального компьютера долж- но содержаться в чистоте; не разрешается возле персонального компьютера принимать пищу, напитки.

8

Задания к лабораторной работе

Задание 1. Подсчитайте энтропию в русском алфавите и при 16-разрядном двоичном кодировании.

Задание 2. Сообщение строится из символов A, B, C, D, причем вероятности их появления в сообщении соответственно равны 0.2, 0.6, 0.1 и 0.1. Сколько символов нужно послать, чтобы передать не менее 100 двоичных единиц полезной информации? Какова будет абсолютная и относительная избыточность сообщения?

Задание 3. Подсчитать количество информации в сообщении «Информация становится важнейшим ресурсом в современном ми- ре» при кодировании буквами русского алфавита и при иероглифи- ческом кодировании, в котором каждому понятию соответствует один символ. Считая, что во втором случае возможно использова- ние 200 000 иероглифов, подсчитать избыточность каждого сооб- щения.

Содержание отчета и его форма

Отчет по лабораторной работе должен включать:

1)название лабораторной работы;

2)ответы на контрольные задания;

3)формулировки индивидуального задания и порядка его вы- полнения.

Отчет о выполнении лабораторной работы в письменном виде сдается преподавателю.

Контрольные вопросы

1.Какие показатели описывают информационные характеристи- ки сообщений?

2.Что означает энтропия сообщения? Каким образом можно рас- считать энтропию сообщения?

3.Что понимается под «полезной информацией»?

4.Запишите формулы для расчета для полезной информации.

5.Сформулируйте определение избыточности сообщения.

6.Какие равенства используются для расчета избыточности?

7.Что понимается под относительной избыточностью?

Литература по данной теме

Основная: 2. Дополнительная: 4, 7.

9

2. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО СЖАТИЯ ИНФОРМАЦИИ. ПРОСТЕЙШИЕ МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО СЖАТИЯ

Цели работы: уточнить постановку задачи и классификацию методов неразрушающего сжатия информации; изучить простейшие методы неразрушающего сжатия.

Формируемые компетенции

проектно-технологическая деятельность – ПК-12; производственно-технологическая деятельность – ПК-18.

Теоретическая часть

Введение и классификация

Сжатие информации – перевод информации в такую форму за- писи, при которой размер файла сокращается.

Сжатие бывает:

а) неразрушающее (состоит в удалении из информации избыточ- ной информации, полезная информация остается без изменений);

б) разрушающее (кроме избыточной информации, удаляется часть полезной, хотя может быть и не самая важная часть).

Применение: неразрушающее сжатие применяется к текстовым и программным файлам, разрушающее – к аудио и видео.

Далее в ходе данной работы будем рассматривать методы сжатия применительно исключительно к неразрушающему сжатию. Для

упрощения изложения рассмотрим сжатие на примере текстовых файлов. Но будем иметь в виду, что рассматриваемые методы при- менимы к любым файлам (сообщениям), содержимое которых мож- но представить как последовательность двоичных кодов.

Понятие кодовой таблицы

При кодировании каждому символу исходного сообщения, ста-

вится в однозначное соответствие некоторая битовая комбинация кода. Список, в котором указано соответствие кодов исходного со- общения кодам сжатого, называется «кодовой таблицей» или «таб- лицей соответствия», например:

10