Rambler's Top100


Архитектура ЭВМ. Автор: Васильев Б.К., редактор: в авторской редакции

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Архитектура ЭВМ» относится к федеральному компоненту цикла общепрофессиональных дисциплин специальностей 220100 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», 071900 «Информационные системы и технологии», 351500 «Математическое обеспечение и администрирование информационных систем» и введена в учебные планы в соответствии с требованиями Государственных образовательных стандартов указанных специальностей.

Дисциплина «Архитектура ЭВМ» базируется в основном на знаниях информатики в объеме программы высшей школы, а также таких дисциплин, как «Дискретная математика», «Основы алгоритмизации», “Основы программирования”.

Знания, полученные при изучении дисциплины «Архитектура ЭВМ» используются в последующих дисциплинах: «Операционные системы», «Системное программное обеспечение», «Компьютерные сети» и в практической деятельности инженера (математика-програм­миста).

Данная программа составлена в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования специальностей 220100 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», 071900 «Информационные системы и технологии» и 351500 «Математическое обеспечение и администрирование информационных систем».

1. Организационно-методические указания
1.1. Цели и задачи изучения дисциплины

Целью изучения дисциплины «Архитектура ЭВМ» является теоретическая и практическая подготовка студентов в области информационных технологий в такой степени, чтобы они могли выбирать необходимые технические, алгоритмические, программные и технологические решения, уметь объяснить принципы их функционирования и  правильно их использовать.

Основные задачи изучения дисциплины:

– формирование у студентов знаний по дисциплине, достаточных для самостоятельного освоения вычислительных систем с новыми архитектурами;

– ознакомление с техническими (аппаратными), программными и технологическими решениями, используемыми для описания и разработки ЭВМ;

– выработка практических навыков написания низкоуровневых программ на языке ассемблера, в том числе для программирования аппаратных ресурсов ЭВМ.

1.2. Знания, умения и навыки, которые должен приобрести студент в результате изучения дисциплины

В результате теоретического изучения дисциплины студент должен знать: способы организации и типы вычислительных систем; параллельная обработка информации: уровни и способы организации параллельной обработки; реализация в многомашинных и многопроцессорных ВС; операционные конвейеры; векторные, матричные, однородные системы и среды; RISC-архитектуры; развитие архитектур, ориентированных на языковые средства и среду программирования; технология распределенной обработки данных; принципы построения и архитектура компьютерных сетей.

В результате практического освоения дисциплины студент должен уметь: конфигурировать вычислительную систему, составлять небольшие программы (или фрагменты программ) на языке ассемблера или в кодах, программировать работу с регистрами периферийных адаптеров

В ходе теоретического изучения и практического освоения дисциплины студент должен приобрести навыки по работе в средах отладки ассемблерных программ, применению сочетания языков высокого уровня с ассемблерными вставками, решению задач сопряжения нестандартных периферийных устройств через стандартные интерфейсы.

1.3. Объем и сроки изучения дисциплины

Дисциплина «Архитектура ЭВМ» изучается студентами очной формы обучения в пятом семестре, студентами заочной формы обучения – на третьем курсе. Общее количество часов, которое отводится для изучения дисциплины, – 160.

Для студентов очной формы обучения количество аудиторных часов – 72, из них: лекций – 36 час, лабораторных работ – 36 часов. На самостоятельную работу отводится 88 часов, из них: 20 часов на подготовку к экзамену, 18 – на подготовку к защите лабораторных работ, 50 часов на самостоятельное изучение материала и консультации.

Для студентов заочной формы обучения количество аудиторных часов – 20, из них: лекций – 10 часов, лабораторных работ – 10 часов. На самостоятельную работу отводится 150 часов, из них: 20 часов на подготовку к экзамену, 10 на подготовку к защите лабораторных работ, 120 часов на выполнение двух контрольных работ, самостоятельное изучение материала и консультации.

1.4. Основные виды занятий и особенности их проведения при изучении дисциплины
1.4.1. Лекционные занятия

При проведении лекций учитывается, что значительная часть материала, описана в литературе только на английском языке, и не может выноситься на самостоятельную работу. На лекциях акцентируется внимание на принципах организации различных подсистем ЭВМ и умении правильно использовать конфигурацию и программирование аппаратных средств в практической работе.

1.4.2. Лабораторные работы

Лабораторные работы компьютерные, проводятся с использованием программных средства отладки, таких как afd, turbodebugger,  эмуляторов 16, 32 и 64-разрядных процессоров. Программной средой являются операционные системы Linux и MS Windows.

1.5. Взаимосвязь аудиторной и самостоятельной работы студентов при изучении дисциплины

В ходе изучения дисциплины студент слушает лекции по теоретическому материалу, ряд вопросов выносится на самостоятельное изучение. Для помощи студенту в освоении теоретического материала лекционных занятий предусматриваются консультации ведущего преподавателя.

Помимо посещения лекций и лабораторных занятий для освоения теоретического материала и приобретения практических навыков, предусматривается в рамках самостоятельной работы студента ознакомление с синтаксисом языка ассемблера.

Для подготовки к экзамену студенту отводится 20 часов самостоятельной работы и консультация ведущего преподавателя перед экзаменом.

1.6. Техническое и программное обеспечение дисциплины

При проведении лекционных занятий для ряда тем необходимо наглядные пособия в виде компонентов компьютера.

Для проведения лабораторных работ используются программные средства отладки, такие как afd, turbodebugger,  эмуляторы 16, 32 и 64-разрядных процессоров. Программной средой являются операционные системы Linux и MS Windows.

1.7. Виды контроля знаний студентов и их отчетности

В ходе изучения дисциплины предусматриваются следующие виды контроля знаний студентов: текущий, промежуточный и итоговый.

Текущий контроль знаний студентов включает:

     защиту отчетов по выполняемым лабораторным работам;

     оценку знаний и умений студентов при проведении консультаций по лекционным и лабораторным занятиям.

Промежуточный контроль проводится в форме аттестаций в соответствии с Положением о рейтинговой системе оценки успеваемости студентов во Владивостокском государственном университете экономики и сервиса. Промежуточная аттестация может быть проведена в форме устного или письменного опроса или теста по разделам дисциплины, изученных студентом в период между аттестациями, при этом учитывается количество выполненных и защищенных лабораторных работ за отчетный период. Результаты аттестации заносятся в ведомость установленной формы.

Дисциплина завершается экзаменом в пятом семестре. Условием допуска студента к экзамену является успешное прохождение двух промежуточных аттестаций в соответствии с требованиями Положения о рейтинговой системе оценки успеваемости студентов во ВГУЭС. Кроме того, студент должен выполнить и защитить не менее 60% всех лабораторных работ. Итоговая оценка определяется в соответствии с требованиями Положения о рейтинговой системе оценки успеваемости студентов во ВГУЭС.

2. Содержание дисциплины
2.1. Перечень тем для лекционных занятий и самостоятельного изучения дисциплины

Введение

Краткая история развития средств вычислительной техники. Роль вычислительной техники в современной жизни и научно-техническом прогрессе. Предмет и задачи дисциплины, ее место в подготовке инженера (математика-программиста). Структура дисциплины.

Понятие вычислительной машины и комплекса. Классификация ЭВМ и различия в архитектуре ЭВМ в зависимости от элементной базы, целей вычислительных сред. Исторические примеры архитектур (АСВТ, ЕС и СМ ЭВМ, IBM 360, PDP-8, 11). Фон-неймановская архитектура. Основные характеристики ЭВМ.
Процессоры, их виды и назначение.  Основные внутренние регистры процессоров, их назначение и использование. Примеры архитектуры процессоров фирм DEC, Intel , Motorola.
Состав команд некоторых типов процессоров, сравнительный анализ команд современных процессоров фирм INTEL, DEC. SISC и RISC компьютеры. Режимы адресации в различных процессорах. Язык Ассемблера и его использование. Состав регистров и команды процессоров ряда PDP-11. Командный репертуар 32-разрядных процессоров фирмы MOTOROLA (процессор 68000 Макинтош-Эппл). Регистры и их использование в командах процессора. Регистры общего назначения и служебные регистры. Слово состояния процессора,  счетчик команд, указатель стека.
CISC, VLISC и RISC компьютеры. Использование регистровых полей. Суперскалярная архитектура, внутренняя конвейеризация обработки данных и команд, процессоры Pentium фирмы Intel и Alpha 21X64 фирмы DEC. Процессор F-CPU, принципы организации, схемные решения, микросуперскалярность. Микрокомпьютеры и однокристальные микроЭВМ, PIC-контроллеры. Архитектура, области применения и особенности программирования.
Состав регистров и команды процессоров ряда Intel 80x86. Типы команд.  Дешифрация команд. Арифметические и логические команды.  Флаговые регистры и команды условного перехода. Строковые команды процессора Intel 80x86.
Математические (арифметические) сопроцессоры. FIS, FPU. Intel 80x86, - ESC-команды. Представление данных с плавающей запятой. Регистры, организация внутреннего стека. Основные арифметические команды. Команды преобразований и синхронизации. Трансцендентные команды. Особенности вычислений с плавающей запятой, нормализация чисел.

Тема 1.  Управление памятью.  Ограничения 16-разрядного компьютера и их преодоление. Схемы EMA и архитектура диспетчера памяти.  Многосегментные схемы построения памяти. Сегментация памяти. Виртуальная память. Кэширование памяти. Устройство кэш-памяти, алгоритмы hit-miss для динамического обновления кэш-памяти. Защита памяти - аппаратные средства для страничной организации памяти. Дескрипторные таблицы.

Системные магистрали. Классификация системных магистралей. Мультиплексируемые и немультиплексируемые шины, синхронный и асинхронный обмен по магистрали. Обмен данными между устройствами ЭВМ. Скоростные шины. Локальные шины. Состав сигналов на системной магистрали и основные циклы: чтение, запись, захват магистрали, предоставление канала ПДП (на примере шины ISA)
Системы прерываний компьютера. Арбитраж на системной магистрали. Одно- и многоуровневые системы прерываний. Каскадное подсоединение контроллеров прерываний. Приоритеты прерываний. Регистры контроллеров прерываний.
Архитектура видеоадаптеров. Векторный и растровый принципы построения видеомонитора. Особенности построения видеоконтроллеров. Видеоадаптеры EGA, VGA. Стандарт VESA и программная поддержка видеоадаптеров.  Регистры видеоадаптера VGA, их назначение и использование. Доступ к видеопамяти. Назначение внутренних регистров видеоадаптера VGA. Управление графическим контроллером, синхронизатором, контроллером атрибутов, внешние регистры.

Тема 2.        Многопроцессорные вычислительные системы. Классификация Флинна, топологические схемы объединения элементарных машин. Транспьютеры, их архитектура и программирование. Вычислительные машины с архитектурой гиперкуба. Распараллеливание вычислительных процессов. Формула Амдала. Язык Оккам. Архитектура систолических систем.

2.2. Перечень тем лабораторных занятий

Тема 1.  Знакомство с представлением двоичной информации в ЭВМ. Ввод и выполнение программ в двоичном виде (по шагам). Работа с симулятором pdp8/e (в пределах одной страницы памяти).

Тема 2.  Выполнение команд с различными видами адресации. Регистровая, косвенная, двойная косвенная. Работа с симулятором PDP11.

Тема 3.  Командный репертуар процессора Intel 8086. Составление и пошаговая отладка программы с использованием отладчика.

Тема 4.  Командный репертуар процессора с плавающей точкой.

Тема 5.  Команды работы с регистрами периферийных устройств. Индексированный доступ к регистрам RTC.

Тема 6.  Программирование видеоадаптеров. Доступ в видеопамять (текстовой и графический режимы), преобразования информации при записи (графические режимы) .

Тема 7.  Программирование последовательного обмена через порт LPT, работающий в режиме EPP (или ECP).

3. Методические рекомендации по изучению дисциплины
3.1. Перечень и тематика самостоятельных работ студентов, методические указания и формы отчетности

В рамках общего объема часов, отведенных для изучения дисциплины, предусматривается выполнение следующих видов самостоятельных работ студентов (СРС): изучение теоретического материала при подготовке к защите лабораторных работ, итоговое повторение теоретического материала.

Для самостоятельного изучения дисциплины выносится часть материала по всем темам дисциплины с самоконтролем по контрольным вопросам и возможностью консультации у ведущего преподавателя общим объемом 40 часов СРС. Для закрепления материала и приобретения навыков расчета рекомендуется выполнение следующих задач:

1.    Ознакомление с синтаксисом языка ассемблера и директивами языка.

2.    Пошаговая отладка в средах afd или turbodebugger.

Задания и методические указания по их выполнению размещаются перед выполнением работ на сервере [5].

Для выполнения лабораторных работ в соответствии с разделом 2.2 настоящей учебной программы студент должен предварительно самостоятельно освоить теоретический материал соответствующих тем.

Для защиты работы он должен знать теоретический материал и продемонстрировать знание путем написания программ.

Объем СРС, отводимый на эту работу составляет 20 часов.

На подготовку к экзамену отводится 20 часов СРС.

Для студентов заочной формы обучения предусматривается выполнение двух контрольных работ.

Первая контрольная работа включает в себя две задачи:

1.    Написание программы, создающей в памяти компьютера свою копию и передающую ей управление

2.    Написание программы сортировки строк на языке ассемблера

Целью работы является закрепление теоретических знаний и приобретение практических навыков в соответствии с темами 1, 2, 3, 5 содержания дисциплины. С учетом самостоятельного изучения теоретического материала с контролем на защите работы объем СРС составляет 20 часов.

Вторая контрольная работа включает в себя две задачи:

1.    Написание программы с использованием сопроцессорных команд (вычисление ряда Фурье).

2.    Программирование часов реального времени (считывание значений текущего времени, занесение новых значений).

Целью работы является закрепление теоретических знаний и приобретение практических навыков в соответствии с темами 8 – 10 содержания дисциплины. С учетом самостоятельного изучения теоретического материала с контролем на защите работы объем СРС составляет 20 часов.

До выхода на сессию студенты-заочники самостоятельно изучают материал тем 2, 3, 5, 6, 9 с самоконтролем по приведенным вопросам с объемом СРС 80 часов.

На сессии студенты выполняют три лабораторные работы из перечня раздела 2.2 настоящей рабочей программы. Студент должен предварительно самостоятельно освоить теоретический материал соответствующих разделов. Для защиты работы он должен знать теоретический материал и продемонстрировать практические знания.

Объем СРС, отводимый на эту работу составляет 10 часов.

На подготовку к экзамену отводится 20 часов СРС.

3.2. Состав технических средств и рекомендации по работе с ними

Для проведения лабораторных работ и самостоятельного изучения дисциплины используются симуляторы процессоров pdp8/e (для освоения двоично-восьмеричного представления информации), симуляторы процессоров pdp11 (для освоения методов адресации и основ программирования фон-неймановских ЭВМ), эмулятор процессора Pentium (bochs) и эмуляторы 64-битных процессоров (Alpha или Itanium). Отладчики и пошаговые интерпретаторы команд afd и turbo-debugger. Методические указания по  использованию этих средств содержатся в [8, 9, 10].

3.3. Обзор рекомендованной литературы

Дисциплина «Архитектура ЭВМ» и сходные по направлению  дисциплины изучаются студентами со времени разработки первых ЭВМ. Она претерпевала значительные изменения в силу стремительного прогресса в области вычислительной техники. Издано множество учебников, учебных пособий и сборников задач с грифами Министерства образования РФ «Рекомендовано в качестве учебника» и «Допущено в качестве учебного пособия» по всем темам дисциплины, но многие из них устарели. В силу этого в список рекомендованной литературы включены только издания, содержащие фундаментальные знания, не претерпевшие изменений за последние годы, и новые источники, отражающие современное состояние в рассматриваемой области.

Для изучения теоретического материала по дисциплине (темы 3, 5, 6, 7, 9) можно предложить классический учебник [1].

Параллельно с ним для изучения тем 1, 2, 3, 5, 6 рекомендуется использовать [2, 3], где ряд вопросов рассмотрен несколько более подробно.

Для закрепления материала (приобретения практических навыков написания программ на ассемблере) по  темам 1, 2, 4 предпочтительнее использовать задачи из [3].

При выполнении контрольных работ и индивидуальных заданий рекомендуется использовать [1, 3, 4, дополнительную литературу].

Для выполнения лабораторных работ во ВГУЭС материалы в достаточном количестве изданы и размещены на сервере [5]. Эти материалы соответствуют перечню лабораторных работ раздела 2.2.

3.4. Контрольные вопросы для самостоятельной оценки качества освоения дисциплины

1.1.  Как зависит от разрядности ЭВМ ее производительность?

1.2.  Приведите примеры архитектур ЭВМ, не соответствующих принципам фон Неймана.

1.3.  Какие принципиальные отличия в работе ЭВМ произошли после появления внешних накопителей на жестких магнитных дисках.

2.       Перечислите основные элементы современного процессора.

2.1    Перечислите три принципа построения вычислительных машин Фон-Неймана.

2.2    Можно ли построить ЭВМ имеющую только безадресные команды?

3.1    Какую разрядность имеют современные процессоры фирмы Intel?

3.2    В какой момент времени происходит увеличение счетчика команд?

Poker razz odds calculator