Архитектура компьютеров
.pdf
|
Министерство образования и науки Российской Федерации |
|
|
|
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение |
||
|
высшего профессионального образования |
|
|
|
«Челябинский государственный университет»(ФГБОУ ВПО «ЧелГУ») |
||
|
Троицкий филиал |
|
|
|
Кафедра математики и информатики |
|
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Архитектура компьютеров»по направлению |
|||
подготовки 010400.62 “Прикладная математика и информатика» общемупрофилю ФГБОУ ВПО «ЧелГУ» |
|||
Версия документа - 1 |
стр. 2 из 35 |
Первый экземпляр __________ |
КОПИЯ № _____ |
|
Содержание |
|
|
1. Программа учебной дисциплины |
..................................................................... |
3 |
|
1.1. Вводная часть............................................................................................. |
|
3 |
|
1.1.1. Цели и задачи освоения учебной ..................................дисциплины |
3 |
||
1.1.2. Место учебной дисциплины ..................................в структуре ООП |
3 |
||
1.1.3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения |
|||
дисциплины................................................................................................... |
|
4 |
|
1.2. Структура и содержание учебной ........................................дисциплины |
5 |
||
1.3. Рабочая учебная программа...................................................................... |
|
10 |
|
1.3.1. Разделы дисциплины, виды учебной работы, объем занятий и |
|||
формы контроля........................................................................................... |
|
10 |
|
1.3.2. Лекции................................................................................................. |
|
11 |
|
1.3.3. Лабораторные занятия........................................................................ |
|
15 |
|
1.3.4. Самостоятельная работа ...................................................студентов |
20 |
||
1.4. Список литературы ................................................................................... |
|
21 |
|
1.5. Электронная коллекция ............................................................................ |
|
23 |
|
1.6. Интернет-ресурсы:.................................................................................... |
|
23 |
|
2. Методические рекомендации преподавателю................................................ |
24 |
||
3. Методические рекомендации студенту.......................................................... |
29 |
||
4. Требования (критериальные показатели ..) к уровням освоения программы 30 |
|||
5. Фонды оценочных средств.............................................................................. |
|
31 |
|
5.1. Задания для самостоятельные ......................................................работы |
31 |
||
5.2. Вопросы к зачету....................................................................................... |
|
32 |
|
ФГБОУ ВПО «ЧелГУ»
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Челябинский государственный университет»(ФГБОУ ВПО «ЧелГУ») Троицкий филиал Кафедра математики и информатики
Учебно-методический комплекс дисциплины «Архитектура компьютеров»по направлению подготовки 010400.62 “Прикладная математика и информатика» общемупрофилю ФГБОУ ВПО «ЧелГУ»
Версия документа - 1 |
стр. 3 из 35 |
Первый экземпляр __________ |
КОПИЯ № _____ |
|
|
|
|
1.Программа учебной дисциплины
1.1.Вводная часть
1.1.1. Цели и задачи освоения учебной дисциплины Дисциплина «Архитектура компьютеров» является основой для глубокого
изучения программного обеспечения компьютеров и алгоритмических языков, поэтому большая роль отводится анализу архитектурных особенностей построения компьютеров и вычислительных систем.
Целью данной дисциплины является изучение теоретических основ и принципов построения вычислительных машин и систем, их функциональной и структурной организации, характеристик основных устройств персональных компьютеров и вычислительных систем, режимов работы компьютеров и систем, организации вычислительного процесса, взаимодействия аппаратных и программных средств.
Задачами дисциплины «Архитектура компьютеров» являются:
-ознакомление с устройством, основными характеристиками, принципами функционирования компьютеров и систем;
-раскрытие роли программного обеспечения и его взаимосвязи с аппаратными средствами;
-анализ рынка аппаратных и пpогpаммных средств компьютеров, современного состояния и перспектив его развития;
-приобретение практических навыков работы на компьютерах с учетом особенностей организации, архитектурных и функциональных возможностей компьютеров различных классов и вычислительных систем.
1.1.2. Место учебной дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Архитектура компьютеров» входит в вариативную часть математического и естественнонаучного цикла дисциплин, определяемых вузом (Б2.В.2); она непосредственно связана с такими дисциплинами как «Практикум на ЭВМ», «Системное и прикладное обеспечение», «Операционные системы».
Изучение дисциплины «Архитектура компьютеров» опираться на знания в области физики, математики, информатики, программирования и других дисциплин. Содержание дисциплины носит интегративный характер, в котором используются достижения целого ряда дисциплин: «Информатика», «Практикум на ЭВМ», «Иностранный язык», «Языки и методы программирования».
Дисциплина «Архитектура компьютеров» является основой для изучения дисциплин профессионального цикла (Б3): «Базы данных», «Методы оптимизации», «Сети ЭВМ».
ФГБОУ ВПО «ЧелГУ»
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Челябинский государственный университет»(ФГБОУ ВПО «ЧелГУ») Троицкий филиал Кафедра математики и информатики
Учебно-методический комплекс дисциплины «Архитектура компьютеров»по направлению подготовки 010400.62 “Прикладная математика и информатика» общемупрофилю ФГБОУ ВПО «ЧелГУ»
Версия документа - 1 |
стр. 4 из 35 |
Первый экземпляр __________ |
КОПИЯ № _____ |
|
|
|
|
Изучение дисциплины позволяет дать студентам базу, необходимую для успешного усвоения материала учебных дисциплин, связанных с использованием современных информационных технологий, а также получить знания, необходимые им в дальнейшем для успешной практической работы.
1.1.3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины В результате освоения дисциплины студент должен:
знать:
современное состояние, тенденции и наиболее важные проблемы развития архитектуры компьютеров;
знать принципы построения, состав, назначение аппаратного и программного комплексов ЭВМ, особенности их функционирования и реализации различных режимов работы вычислительных систем;
краткую историю эволюции вычислительныхсистем;
знать основные возможностиоперационныхсистем;
уметь:
уметь оценивать технико-эксплуатационные возможности компьютеров и вычислительныхсистем;
уметь разбирать и собирать персональный компьютер, проводить установку
инастройкуоперационногои прикладногопрограммногообеспечения;
самостоятельно осуществлять поиск специальной информации по мировым информационным ресурсам;
самостоятельнообрабатывать получаемую информацию.
работать в локальной и глобальной информационныхсетях;
грамотно и ясно излагать свои мысли в письменной и устной форме.
владеть навыками:
эффективного использования аппаратных ипpогpаммных средств ЭВМ при решении прикладныхзадач.
поиска, сбора, систематизации и использования информации традиционными и электронными методами;
практического анализа логики различного рода рассуждений, аргументации, ведения дискуссий и полемики.
Данная дисциплина способствует формированию следующих компетенций, предусмотренных ООП ВПО по направлению подготовки «Прикладная математика и информатика»:
а) общекультурных (ОК и ОК*):
ФГБОУ ВПО «ЧелГУ»
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Челябинский государственный университет»(ФГБОУ ВПО «ЧелГУ») Троицкий филиал Кафедра математики и информатики
Учебно-методический комплекс дисциплины «Архитектура компьютеров»по направлению подготовки 010400.62 “Прикладная математика и информатика» общемупрофилю ФГБОУ ВПО «ЧелГУ»
Версия документа - 1 |
стр. 5 из 35 |
Первый экземпляр __________ |
КОПИЯ № _____ |
|
|
|
|
-владеть культурой системного и творческого мышления, способность критически подходить к восприятию, обобщению, анализу информации, постановке цели и выбору путей её достижения, владеть теорией и практикой решения интеллектуальных задач (ОК-1*)
-обладать навыками развития интеллекта и профессионализма, нравственного самосовершенствования (ОК-3*)
-обладать навыками управления информацией, владеть базовыми знаниями компьютерных технологий как средством (инструментом) управления информационными процессами (получения, хранения, передачи и обработки информации) (ОК-4*)
способность владеть навыками работы с компьютером как средством управления информацией (ОК-11);
способность работать с информацией в глобальных компьютерных сетях
(ОК-12);
б) профессиональных (ПК):
способность демонстрации общенаучных базовых знаний естественных наук, математики и информатики, понимание основных фактов, концепций, принципов теорий, связанных с прикладной математикой и информатикой (ПК- 1);
способность приобретать новые научные и профессиональные знания, используя современные образовательные и информационные технологии (ПК- 2);
способность решать задачи производственной и технологической деятельности на профессиональном уровне, включая: разработку алгоритмических и программных решений в области системного и прикладного программирования (ПК-9);
- способность приобретать и использовать организационно-управленческие навыки в профессиональной и социальной деятельности (ПК-11).
1.2. Структура и содержание учебной дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы, общий объем часов 72, в том числе:
лекции - 36 часов;
лабораторные занятия – 18 часов;
самостоятельная работа – 18 часов. Форма контроля – зачёт.
ФГБОУ ВПО «ЧелГУ»
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Челябинский государственный университет»(ФГБОУ ВПО «ЧелГУ») Троицкий филиал Кафедра математики и информатики
Учебно-методический комплекс дисциплины «Архитектура компьютеров»по направлению подготовки 010400.62 “Прикладная математика и информатика» общемупрофилю ФГБОУ ВПО «ЧелГУ»
Версия документа - 1 |
стр. 6 из 35 |
Первый экземпляр __________ |
КОПИЯ № _____ |
|
|
|
|
Семестр – 3.
Содержание дисциплины:
1. Развитие вычислительной техники и основные характеристики компьютеров
Предмет и содержание курса, взаимосвязь курса со смежными дисциплинами. Место и роль вычислительной техники и информатики на современном этапе. Краткий обзор истории развития вычислительной техники. Поколения ЭВМ. Эволюция ЭВМ и вычислительных систем (ВС). Основные характеристики семейств ЭВМ различных классов. Понятие о суперЭВМ, мини- и микроЭВМ. Основные области и формы применения ЭВМ.
2. Принципы построения компьютеров и вычислительных систем
Обобщенная структурная схема ЭВМ. Состав устройств, их назначение и взаимодействие. Принцип программного управления. Особенности фоннеймановской архитектуры ЭВМ. Последовательность прохождения информации при обработке на ЭВМ. Архитектура информационновычислительных систем. Понятие о программном обеспечении (ПО) ЭВМ.
3. Информационно-логические основы ЭВМ
Этапы подготовки информации для обработки на ЭВМ. Представление информации на различных этапах подготовки и обработки данных на ЭВМ. Системы счисления, применяемые в ЭВМ, их характеристика. Формы представления числовой и алфавитной информации в ЭВМ. Машинные коды. Алгоритмы выполнения арифметических операций над машинными кодами в различных формах их представления. Операции над десятичными числами. Форматы данных в современных ЭВМ и ВС. Роль и место алгебры логики в цифровой вычислительной технике. Функционально-полные наборы логических элементов. Комбинационные схемы, основные методы их построения.
4. Элементы и узлы ЭВМ
Классификация элементов ЭВМ. Техническая реализация запоминающих и логических элементов. Стандартизация системы элементов в ЭВМ и их обозначения. Регистры, счетчики, дешифраторы, сумматоры их назначение, принципы функционирования. Структура и состав основных модулей микропроцессорных комплектов БИС. Направление развития микропроцессорных комплектов.
ФГБОУ ВПО «ЧелГУ»
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Челябинский государственный университет»(ФГБОУ ВПО «ЧелГУ») Троицкий филиал Кафедра математики и информатики
Учебно-методический комплекс дисциплины «Архитектура компьютеров»по направлению подготовки 010400.62 “Прикладная математика и информатика» общемупрофилю ФГБОУ ВПО «ЧелГУ»
Версия документа - 1 |
стр. 7 из 35 |
Первый экземпляр __________ |
КОПИЯ № _____ |
|
|
|
|
5. Программное обеспечение ЭВМ и вычислительных систем
Назначение и состав программного обеспечения. Его роль в организации вычислительного процесса. Характеристика проблемно-ориентированного и прикладного ПО. Особенности ПО вычислительных систем. Операционные системы, их типы, состав и функции. Понятие о машинных языках современных ЭВМ и ВС. Структура и система команд ПЭВМ.
6. Функциональная и структурная организация ЭВМ и ВС
Общие принципы функциональной и структурной организации современных ЭВМ и ВС. Организация функционирования ЭВМ с магистральной архитектурой. Основные характеристики центральных и периферийных устройств, интерфейса системной шины. Классификация периферийных устройств. Взаимодействие центральных и периферийных устройств. Структурная организация и взаимодействие узлов и устройств ЭВМ при выполнении основных команд ЭВМ. Системы адресации. Технология выполнения основных команд ЭВМ и ее отображение в виде структурных схем.
7. Центральный процессор
Назначение и структура центрального процессора (ЦП). Состав устройств. Центральное устройство управления (ЦУУ). Классификация ЦУУ. Обобщенные структурные схемы ЦУУ. Микропрограммный и аппаратный способы управления ЭВМ. Арифметико-логические устройства (АЛУ): назначение, основные характеристики, обобщенная структурная схема. Взаимодействие блоков АЛУ при выполнении различных арифметических и логических операций. Структура базового микропроцессора (МП) современных моделей компьютеров фирмы Intel, взаимодействие его узлов и блоков. Скалярная и мультискалярная архитектура МП. Характеристика и архитектурные особенности семейства МП фирмы Intel. МП фирм Cyrex и AMD. Система команд МП фирмы Intel. Работа МП при выполнении команд. Конвейер команд, прогнозирование переходов.
Сопроцессоры, их назначение, классификация. RISC- и CISC-процессоры, их использование в ПЭВМ будущих поколений.
8. Внутренние запоминающие устройства
Запоминающие устройства (ЗУ), назначение, основные характеристики. Классификация ЗУ. Иерархическая структура ЗУ. Сверхоперативная память: регистровая память, стековая память, кэш-память. Оперативная память (ОП), ее назначение, способы записи и считывания информации. Размещение информации в ОП персонального компьютера. Адресуемая единица информации. Запись и чтение различных информационных единиц (полуслова, слова, двойного слова, расширенного слова). Реальный и защищенный режимы
ФГБОУ ВПО «ЧелГУ»
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Челябинский государственный университет»(ФГБОУ ВПО «ЧелГУ») Троицкий филиал Кафедра математики и информатики
Учебно-методический комплекс дисциплины «Архитектура компьютеров»по направлению подготовки 010400.62 “Прикладная математика и информатика» общемупрофилю ФГБОУ ВПО «ЧелГУ»
Версия документа - 1 |
стр. 8 из 35 |
Первый экземпляр __________ |
КОПИЯ № _____ |
|
|
|
|
работы ОП. Особенности адресации при линейной и сегментной организации ОП. Постоянная память, ее назначение, принципы перезаписи информации. Понятие ассоциативной памяти.
9. Внешние запоминающие устройства
Назначение и классификация внешних запоминающих устройств (ВЗУ), их основные параметры. Типы магнитных носителей информации. Способы кодирования, записи и считывания данных на магнитных носителях. Диски, их устройство, типы и характеристики.
Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД). Размещение информации на дисках: дорожки, сектора, кластеры. Логическая структура диска. Форматирование дисков: физическая разметка, логическое и системное форматирование. Характеристики НЖМД.
Оптические запоминающие устройства. Конструктивные особенности построения, принципы нанесения и считывания информации, основные характеристики.
10. Устройства ввода и вывода
Назначение, классификация и основные характеристики устройств вводавывода. Устройства общения оператора с ЭВМ. Клавиатуры. Дисплеи и дисплейные станции. Печатающие устройства и графопостроители. Читающие автоматы (сканеры). Манипуляторы. Сканеры. Принципы преобразования и распознавания информации.
11. Организация обмена информацией между ЦП, внутренней памятью и внешними устройствами
Средства организации параллельной работы ЦП и внешних устройств. Системы ввода-вывода. Интерфейсы ввода-вывода. Особенности программного управления вводом-выводом. Концепция виртуальных устройств. Физический
илогический уровень интерфейсов в ПК типа IBM PC. Синхронный и асинхронный обмен, прямой доступ к памяти (ПДП). Назначение ПДП, функции
ипринцип действия контроллера ПДП. Интерфейс системной шины. Способы организации совместной работы периферийных и центральных устройств в вычислительных системах. Система управления вводом-выводом в ВС на физическом уровне.
12.Аппаратно-программные средства для реализации
многопрограммных режимов работы
Организация многопрограммного (многозадачного) режима работы ВС и ПЭВМ. Система прерываний и приоритетов, их назначение. Виды прерываний. Алгоритм обработки прерываний. Функции операционной системы в
ФГБОУ ВПО «ЧелГУ»
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Челябинский государственный университет»(ФГБОУ ВПО «ЧелГУ») Троицкий филиал Кафедра математики и информатики
Учебно-методический комплекс дисциплины «Архитектура компьютеров»по направлению подготовки 010400.62 “Прикладная математика и информатика» общемупрофилю ФГБОУ ВПО «ЧелГУ»
Версия документа - 1 |
стр. 9 из 35 |
Первый экземпляр __________ |
КОПИЯ № _____ |
|
|
|
|
управлении прерыванием. Принцип действия прерывания в ПК типа IBM PC. Приоритеты и дисциплины обслуживания прерываний.
Динамическое распределение памяти. Понятие виртуальной памяти. Страничная и сегментная организация памяти. Системы защиты памяти,
их виды и назначение. Защита памяти по ключам. Проверка уровня привилегий.
13. Параллельные вычислительные системы
Классификация и особенности архитектуры вычислительных систем различных типов. Типовые структуры и характеристики ВС. Уровни и средства комплексирования средств вычислительной техники. Области применения и эффективность использования вычислительных комплексов. Техникоэксплуатационные характеристики многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем. Матричные, конвейерные, потоковые и ассоциативные ВС. Модель взаимодействия открытых систем и ее модификации в Локальных Вычислительных Сетях (7-ми уровневая модель). Использование ПЭВМ в вычислительных системах в качестве периферийного процессора, процессора ввода-вывода, удаленного интеллектуального терминала, концентратора сообщений в телекоммуникационных системах. Показатели эффективности различных режимов работы ВС.
14. Перспективы развития ЭВМ и вычислительных систем
Общие тенденции совершенствования средств вычислительной техники. Развитие элементной базы и логической структуры ЭВМ. Влияние микроэлектроники на развитие ПЭВМ. Характеристика последних моделей ЭВМ различных классов. Пути совершенствования конфигурации вычислительных машин, структур различных устройств ЭВМ. Примеры построения ЭВМ и ВС нетрадиционных архитектур. Повышение производительности ЭВМ за счет совершенствования алгоритмов обработки информации. Характеристика ЭВМ пятого поколения.
ФГБОУ ВПО «ЧелГУ»
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Челябинский государственный университет»(ФГБОУ ВПО «ЧелГУ») Троицкий филиал Кафедра математики и информатики
Учебно-методический комплекс дисциплины «Архитектура компьютеров»по направлению подготовки 010400.62 “Прикладная математика и информатика» общемупрофилю ФГБОУ ВПО «ЧелГУ»
Версия документа - 1 |
стр. 10 из 35 |
Первый экземпляр __________ |
КОПИЯ № _____ |
|
|
|
|
1.3. Рабочая учебная программа 1.3.1. Разделы дисциплины, виды учебной работы, объем занятий и формы
контроля Таблица 1 - Разделы дисциплины, виды, объем занятий и формы контроля
(очная форма обучения)
Номер |
|
|
Объем в часах по видам |
Формы контроля |
||||
Наименование тем дисциплины |
Семестр |
учебной работы |
||||||
темы |
успеваемости |
|||||||
|
|
Всего |
Л |
Л/р |
СРС |
|||
|
|
|
|
|||||
|
Развитие вычислительной |
|
|
|
|
|
|
|
1. |
техники и основные |
3 |
2 |
2 |
- |
- |
Проверка |
|
характеристики компьютеров |
домашнего задания |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. |
Принципы построения ЭВМ и |
3 |
5 |
2 |
2 |
1 |
Тестирование |
|
вычислительных систем |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. |
Информационно-логические |
3 |
5 |
2 |
2 |
1 |
Тестирование |
|
основы ЭВМ |
||||||||
4. |
Элементы и узлы ЭВМ |
3 |
7 |
4 |
2 |
1 |
Опрос |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5. |
Программное обеспечение ЭВМ |
3 |
5 |
2 |
2 |
1 |
Проверка |
|
и вычислительных систем |
домашнего задания |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6. |
Функциональная и структурная |
3 |
5 |
2 |
2 |
1 |
Интеллект-карта |
|
организация ЭВМ и ВС |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7. |
Центральный процессор |
3 |
7 |
4 |
2 |
1 |
Интерактивная |
|
интеллект-карта |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
8. |
Внутренние запоминающие |
3 |
6 |
1 |
1 |
1 |
Проверка |
|
устройства |
домашнего задания |
|||||||
9. |
Внешние запоминающие |
3 |
6 |
4 |
1 |
1 |
Интерактивное |
|
устройства |
тестирование |
|||||||
10. |
Устройства ввода и вывода |
3 |
5 |
2 |
1 |
2 |
Интеллект-карта |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Организация обмена |
|
|
|
|
|
|
|
11. |
информацией между ЦП, |
3 |
5 |
2 |
1 |
2 |
Интеллект-карта |
|
внутренней памятью и |
||||||||
|
внешними устройствами |
|
|
|
|
|
|
|
|
Аппаратно-программные |
|
|
|
|
|
|
|
12. |
средства для реализации |
3 |
4 |
2 |
- |
2 |
Опрос |
|
многопрограммных режимов |
||||||||
|
работы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
13. |
Параллельные вычислительные |
3 |
6 |
2 |
2 |
2 |
Интеллект-карта |
|
системы |
||||||||
ФГБОУ ВПО «ЧелГУ»