методические указания по контрольной работе / Программа, методические указания и контрольные задания

ВВЕДЕНИЕ Курс вычислительные машины системы и сети является одним из ба-

зовых в системе подготовки инженеров по специальности 210100: «Управление и информатика в технических системах». Основная задача курса состоит в изучении и освоении основных понятий и терминов вычислительной техники, способов представления информации в ЭВМ, математических основ построения вычислительных машин (ВМ), принципов построения арифметико-логических устройств и управляющих автоматов, принципов построения устройств памяти, архитектуры процессоров и микропроцессоров, принципов организации систем ввода-вывода. Стандартных и интерфейсовых ЭВМ, принципов построения систем автоматического контроля и диагностирования ЭВМ, принципов построения мультипрограммных ЭВМ, принципов организации многоуровневой системы памяти в мультипрограммных ЭВМ, принципов организации многопроцессорных

имного машинных вычислительных систем (комплексов) и суперЭВМ, а также принципов организации вычислительных сетей.

Для освоения содержания курса необходимо знание материалов, излагаемых в курсах «Информатика», «Электроника и микросхемотехника».

Настоящие методические указания составлены в соответствии с государственным стандартом и программой курса «Вычислительные машины, системы и сети» для студентов специальности 210100 «Управление

иинформатика в технических системах». Согласно учебному плану студентам заочной формы обучения для изучения данного курса отводится 24 часа аудиторных занятий, из которых 14 часов – лекционных и 10 часов лабораторных занятий, 146 часов на самостоятельную работу.

По курсу «Вычислительные машины, системы и сети» студенты должны выполнить контрольную и курсовую работы и сдать 2 экзамена. В 5 и 6 семестрах номер варианта задания на контрольную работу совпадает с последней цифрой номера зачетной книжки студента.

2

ПРОГРАММА И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ТЕМАМ КУРСА

Цели и задачи курса «Вычислительные машины, системы и сети»: возникновение, виды, принципы действия, основные характеристики области применения и классификации вычислительных машин. Понятие архитектуры ЭВМ и её эволюция. Поколения ЭВМ, их отличительные особенности.

ТЕМА 1. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ В ЭВМ Позиционные системы счисления. Двоичная арифметика. Прямой,

обратный и дополнительные коды. Формы представления чисел в ЭВМ. Кодирование десятичных чисел и алфавитно-цифровой информации. Представление информации физическими сигналами [1,с.42-75].

В процессе работы над темой необходимо уяснить основные формы представлении информации в ЭВМ, почему и как форма представления чисел связана с точностью вычислений, как кодируется алфавитноцифровая информация в ЭВМ, какие электрические сигналы исполняются в ЭВМ.

Вопросы для самопроверки к теме 1.

1.В чем сущность позиционных и непозиционных систем счисления?

2.Как в ЭВМ складываются, вычитаются, умножаются и делятся числа?

3.Чем обусловлено появление прямого, обратного и дополнительного кодов и каким образом осуществляются преобразования между ними?

4.Какие формы представления чисел в ЭВМ существуют и как они связаны диапазонами представления чисел?

5.Как кодируется цифровая и алфавитно-цифровая информация в ЭВМ?

6.Какими физическими сигналами представляется информация в ЭВМ?

3

ТЕМА 2. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЦИФРОВЫХ АВТОМАТОВ И АРИФМЕТИКО-ЛОГИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ.

Понятия о комбинационных и последовательных схемах (цифровых автоматов). Декомпозиция вычислительного устройства на операционный и управляющие блоки. Структура и микропрограмма АЛУ для сложения и вычитания чисел с фиксированной точкой. Структура и микропрограмма АЛУ для умножения чисел с фиксированной точкой. Методы ускорения умножения. Структура и микропрограмма АЛУ для деления чисел с фиксированной точкой. Особенности операций десятичной арифметики. Операции нал числами с плавающей точкой. Управляющие автоматы с «жесткой» и хранимой в памяти логикой. Программируемые логические матри-

цы [1,с.69-75, 163-164, 172-227].

Методические указания

В процессе работы над темой необходимо усвоить, что любое устройство по переработке информации можно условно разбить на операционный и управляющий блоки, что заметно упрощает анализ и синтез таких устройств. Следует понять, что от типов используемых кодов (прямой, обратный. дополнительный), существенно зависит сложность алгоритмов двоичной арифметики и аппаратная реализация блоков АЛУ. Необходимо изучить основные алгоритмы сложения, вычитания, умножения и деления двоичных чисел и четко представлять, как эти операции выполняются над числами с плавающей точкой и десятичными числами. Важно усвоить, что для управления операционными блоками могут использоваться управляющие автоматы, как с «жесткой», так и хранимой в памяти логикой. Для изучения темы необходимо знание основных правил булевой алгебры и двоичной арифметики (курс «Электроника и мокросхемотехника»).

Вопросы для самопроверки к теме 2.

4

1.Что такое цифровой автомат? Каковы их виды? Что у них общего и в чем их отличие?

2.Что дает декомпозиция вычислительного устройства на операционный и управляющий блоки?

3.Приведите и поясните структуру АЛУ дня сложения и вычитания чисел с фиксированной точкой.

4.Приведите и поясните структуру АЛУ для умножения чисел с фиксированной точкой.

5.Приведите и поясните структуру АЛУ для деления чисел с фиксированной точкой.

6.Как выполняются операции над числами с плавающей точкой?

7.В чем заключаются особенности операций десятичной арифметики?

8.Что такое автомат с «жесткой» логикой, и каковы его особенности?

9.Что такое автомат с хранимой в памяти логикой и в чем его отличие от автомата с «жесткой» логикой?

ТЕМА 3. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ УСТРОЙСТВ ПАМЯТИ

Общие сведения и классификация устройств памяти. Адресная ассоциативная и стековая организация памяти. Структуры адресных запоминающих устройств. Запоминающие устройства с произвольным обращением. Постоянные запоминающие устройства. Для изучения темы необходимо знание физических основ электроники, схемотехники и основ цифровой техники (курсы "Физические основы электроники", "Электроника и микросхемотехника").

Методические указания

В процессе работы над темой необходимо уяснить, что память вычислительных систем может иметь различную организацию. Необходимо знать особенности разных видов с точки зрения реализации и использова-

5

ния в вычислительных системах. Необходимо иметь представление об основных структурах адресных запоминающих устройств. Требуется знать особенности реализации и функционирования оперативной и постоянной памяти ЭВМ [1, с.99-124].

Вопросы для самопроверки к теме 3.

1.Что общего и в чем отличие запоминающих устройств с адресной, ассоциативной и стековой памятью?

2.Какие структуры памяти с адресной организацией вы знаете и в чем их отличие?

3.В чем заключаются особенности аппаратной реализации устройств памяти с произвольным обращением?

4.В чем заключаются особенности аппаратной реализации постоянных запоминающих устройств.

ТЕМА 4. ЭЛЕМЕНТЫ АРХИТЕКТУРЫ ПРОЦЕССОРОВ

Назначение и структура процессора. Адресные структуры основных памятей. Проблема выбора структуры и команд. Кодирование команд. Способы адресации. Стековая адресация. Команды, процедуры и микропрограммы передачи управления в программах. Индексация. Теги и дескрипторы. Самоопределяющиеся данные. Сопоставление программистских моделей машин общего назначения, малых и микроЭВМ и микропроцессоров. Особенности RISC архитектуры. Понятие о состоянии процессора (программы), вектор (слово) состояния. Принципы организации системы прерывания программ. Процедура выполнения команд. Рабочий цикл процессора. Конвейер операций. Организация однокристальных 16разрядных микропроцессоров на примере (Intel 8086). Особенности микро-

процессоров Intel 80286, Intel 80386 и Pentium [1.с.227-343].

6

Методические указания

В процессе работы над темой необходимо уяснить, назначение и структуру процессора. Необходимо представлять основные проблемы, которые возникают при выборе структуры и формата команд, и знать, как кодируются команды. Требуется знание способов адресации. Необходимо представлять, как описываются данные в машине. Надо знать особенности RISC архитектур процессоров. Понятие о состоянии процессора, вектор состояния. Принципы организации системы прерывания программ. Требуется представлять рабочий цикл процессора и знать, что такое конвейер операций. Необходимо знать основные сведения об особенностях построе-

ния процессоров Intel 80x86 и Pentium.

Вопросы для самопроверки к теме 4.

1.Для чего предназначен и какова структура процессора?

2.В чем заключается проблема выбора структуры и формата команд? Как осуществляется кодирование команд?

3.Какие способы переадресации вы знаете, и почему стековая адресация позволяет использовать безадресные команды?

4.Что такое индексная арифметика?

5.Что такое теги, дескрипторы и самоопределяющиеся данные?

6.Сопоставьте программистские модели машин общего назначения, малых и микроЭВМ и микропроцессоров.

7.В чем состоят основные особенности процессором с RISC архитектурой?

8.Что такое вектор состояния процессор?

9.Каковы основные принципы организации системы прерывания программ и что такое вектор прерывания?

10.Из чего состоит рабочий цикл процессора?

11.Что такое синхронный и асинхронный конвейер команд и арифметический конвейер?

7

12.Каковы основные характеристики и особенности организации микро-

процессоров Intel 80х86 и Pentium?

ТЕМА 5. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМ ВВОДАВЫВОДА ИНТЕРФЕЙСЫ ЭВМ И МИКРОПРОЦЕССОРОВ.

Проблемы организации систем ввода-вывода. Прямой доступ к памяти. Основные принципы построения и структуры систем ввода-вывода. Основные функции каналов ввода-вывода. Управляющая информация для операций ввода-вывода. Буферы данных в системах ввода-вывода. Структура и временные диаграммы интерфейса «Q-шина», «мультишина»(И41)

и «мультишина-II» (Multibas-II) [1,с.345-407].

Методические указания

При работе над темой следует уяснить основные функции каналов ввода-вывода и обратить внимание на проблемы, с которыми сталкиваются разработчики интерфейсов. Необходимо знать, как осуществляется передача данных между оперативной памятью и периферийны ми устройствами (способы организации прямого доступа к памяти). Требуется разобрать основные принципы построения и структуры интерфейсов. Необходимо знать основные типы и структуры каналов ввода-вывода, используемые в ЭВМ. Требуется знать структурные схемы и временные диаграммы интерфейсов" "О-шина", "мультишина" (И41), "мультишина-П" (Multibas-II).

Вопросы для самопроверки к теме 5.

1.В чем заключаются проблемы организации систем ввода-вывода ЭВМ и каковы пути их решения? Какое значение при этом имеет унификация

команд ввода-вывода, форматов данных, интерфейсов?

2 Что такое прямой доступ к памяти? Какие функции возлагаются на контроллер прямого доступа к памяти?

3. Какие основные функции выполняют каналы ввода-вывода?

8

4.Какие основные типы и структуры каналов ввода-вывода используются

вЭВМ и каковы их сравнительные характеристики?

5.Для чего используется буферизация данных в каналах ввода-вывода?

6.Какова структура и временные диаграммы интерфейса "О-шина"?

7.Какова структура и временные диаграммы интерфейса "мультишина" (И41)?

8.Каковы особенности построения интерфейса "мультишина-П" (Multibas-

II)?

ТЕМА 6. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЭВМ

Основные характеристики надежности ЭВМ. Функции систем автоматического контроля и диагностирования ЭВМ. Контроль передачи информации. Контроль арифметических операций. Взаимодействие систем автоматического контроля, восстановления вычислительного процесса и диагностирования. Основные принципы построения систем автоматического диагностирования ЭВМ.

Методические указания

При работе над темой необходимо запомнить основные характеристики надежности ЭВМ и уяснить отличие между отказом и сбоем в работе ЭВМ. Необходимо знать основные функции систем автоматического контроля и диагностирования. Требуется знать способы контроля арифметических операций и операций передачи информации и иметь представление о кодах, обнаруживающих и исправляющих ошибки передачи. Необходимо представлять, как в процессе взаимодействия систем контроля, восстановление вычислительного процесса и диагностирования определяется, что произошло: сбой или отказ [1,с.407-431].

9

Вопрос для самопроверки к теме 6.

1.Перечислите основные характеристики надежности ЭВМ. Какие из этих характеристик являются типичными для ЭВМ, как универсального преобразователя информации? В чем разница между отказом и сбоем в работе ЭВМ?

2.Какие основные функции выполняют системы автоматического контроля и диагностирования ЭВМ? Как осуществляется контроль арифметических операций и операций передачи информации? Что такое помехоустойчивое кодирование информации?

3.Как осуществляется в случае сбоя или отказа взаимодействие систем автоматического контроля, восстановления вычислительного процесса

идиагностирования?

4.Какие основные принципы используются при построении систем автоматического диагностирования ЭВМ?

ТЕМА 7. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ МУЛЬТИПРОГРАММНЫХ ЭВМ

Организация мультипрограммного режима ЭВМ. Структура и принципы действия вычислительных систем с разделением времени. Принцип виртуального ресурса. Система виртуальных машин. Динамическое микропрограммирования, как средство динамической модификации архитектуры ЭВМ. Проблемы организации памяти мультипрограммных систем. Согласование пропускной способности процессора и памяти ЭВМ. КЭШ память. Защита памяти. Организация работы памяти в режиме многоабонентного обслуживания. Динамическое распределение памяти. Организация виртуальной памяти. Алгоритмы управления многоуровневой памятью.

10