МИНОБРНАУКИ РОССИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Алтайский государственный университет»

Организация и архитектура вычислительных систем
рабочая программа дисциплины

Закреплена за кафедройКафедра вычислительной техники и электроники
Направление подготовки09.03.01. Информатика и вычислительная техника
ПрофильИнформатика и вычислительная техника
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость4 ЗЕТ
Учебный план09_03_01_ИиВТ-1-2020
Часов по учебному плану 144
в том числе:
аудиторные занятия 56
самостоятельная работа 88
Виды контроля по семестрам
диф. зачеты: 3

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 2 (3) Итого
Недель 18
Вид занятий УПРПДУПРПД
Лекции 20 20 20 20
Лабораторные 36 36 36 36
Сам. работа 88 88 88 88
Итого 144 144 144 144

Программу составил(и):
к.т.н., доцент, Скурыдин Ю.Г.

Рецензент(ы):
к.ф.-м.н., доцент, Рудер Д.Д.

Рабочая программа дисциплины
Организация и архитектура вычислительных систем

разработана в соответствии с ФГОС:
Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 09.03.01 Информатика и вычислительная техника (уровень бакалавриата) (приказ Минобрнауки России от 19.09.2017г. №929)

составлена на основании учебного плана:
09.03.01 Информатика и вычислительная техника
утвержденного учёным советом вуза от 30.06.2020 протокол № 6.

Рабочая программа одобрена на заседании кафедры
Кафедра вычислительной техники и электроники

Протокол от 08.06.2020 г. № 79/19-20
Срок действия программы: 2020-2021 уч. г.

Заведующий кафедрой
к.ф-м.н., Пашнев Владимир Валентинович, доц., зав. кафедрой "Вычислительной техники и электроники"

Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году

Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2020-2021 учебном году на заседании кафедры

Кафедра вычислительной техники и электроники

Протокол от 08.06.2020 г. № 79/19-20
Заведующий кафедрой к.ф-м.н., Пашнев Владимир Валентинович, доц., зав. кафедрой "Вычислительной техники и электроники"

1. Цели освоения дисциплины

1.1.Цель изучения дисциплины – формирование у будущих специалистов теоретических знаний и практических навыков по использованию современных компьютеров и программного обеспечения для решения широкого спектра задач в различных областях, а именно:
- ознакомить студентов с основами архитектуры ЭВМ;
- привить навыки работы с языками программирования низкого уровня для создания прикладных программ;
- изложить основные принципы проектирования и устройства современных ЭВМ.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В.02

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ПК-4: Способен разрабатывать компоненты системных программных продуктов;
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.Знать:
3.1.1.архитектуру компьютера,
структуру программного обеспечения,
принципы программно-аппаратного взаимодействия,
язык программирования низкого уровня,
различные способы проектирования человеко-машинного интерфейса и инструментарий его разработки,
основные принципы программно-аппаратного взаимодействия, варианты его организации,
способы, позволяющие использовать особенности программно-аппаратного взаимодействия для решения практических задач
3.2.Уметь:
3.2.1.выполнять постановку задачи,
составлять алгоритмы и писать программы для решения задач из различных предметных областей на языке языках программирования низкого уровня,
встраивать фрагменты кода на языках низкого уровня в программы, написанные на языках высокого уровня,
проектировать и создавать человеко-машинные интерфейсы с усложненной структурой и использованием специального инструментария,
различать варианты организации программно-аппаратного взаимодействия, использовать их для решения практических задач разного уровня сложности из разных предметных областей
3.3.Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.расширенными навыками программирования, настройки компьютера, проектирования ПО для решения задач из различных предметных областей, проектирования и создания человеко-машинных интерфейсов со сложной структурой и использованием специализированного инструментария,
навыками различать варианты организации программно-аппаратного взаимодействия, использования их для решения практических задач разного уровня сложности из разных предметных областей

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия Наименование разделов и тем Вид занятия Семестр Часов Компетенции Литература
Раздел 1. Введение. Общие сведения об ЭВМ и использовании их в различных прикладных задачах.
1.1. История ЭВМ, поколения ЭВМ. Структура ЭВМ и вычислительных систем. Лекции 3 1 Л2.1, Л2.2, Л2.4, Л1.1
1.2. Тенденции развития вычислительной техники. Современные микропроцессоры. Лекции 3 1 Л2.1, Л2.2, Л2.4, Л1.1
1.3. Понятие об информации. Представление информации в ЭВМ. Языки программирования и операционные системы - понятия, критерии и назначение. Лекции 3 1 Л2.1, Л2.2, Л2.4, Л1.1
1.4. История ЭВМ. Знакомство с архитектурой и структурой современных ЭВМ Сам. работа 3 14 Л2.2, Л1.1
Раздел 2. Принципы работы современных ЭВМ и вычислительных систем.
2.1. Узлы ЭВМ и их взаимодействие. Понятие архитектуры ЭВМ. Формальная модель вычислительной системы. Принципы фон Неймана. Лекции 3 2 Л2.1, Л2.2, Л2.4, Л1.1
2.2. Узлы ЭВМ и их взаимодействие. Понятие архитектуры ЭВМ. Формальная модель вычислительной системы. Принципы фон Неймана. Лекции 3 1 Л2.1, Л2.2, Л2.4, Л1.1
2.3. Организация алгоритмов на алгоритмических языках. Программа, принципы ее построения. Лекции 3 2 Л1.1
2.4. Понятие "алгоритмический язык". Синтаксис и грамматика алгоритмического языка. Принципы описания алгоритмического языка. Стадии выполнения команды алгоритмического языка. Лекции 3 1 Л2.1, Л2.2, Л2.4, Л1.1
2.5. Основы программирования на языках низкого уровня Лабораторные 3 10 Л2.3, Л1.1
2.6. Устройство узлов различных типов ЭВМ. Однокристальные ЭВМ. Алгоритмы и программы низкого уровня для ЭВМ различных типов. Виды ассемблеров. Выполнение домашних заданий. Выполнение курсовой работы. Сам. работа 3 24 Л2.1, Л2.2, Л2.3, Л2.4, Л1.1
Раздел 3. Особенности программирования на машинно-ориентированных языках.
3.1. Типы данных: константы, метки, переменные, записи, строки, файлы, массивы. Форматы представления данных, описание типов. Идентификаторы. Типы значений величин: цифровые (целые и вещественные), логические, текстовые. Лекции 3 1 Л2.1, Л2.2, Л2.4, Л1.1
3.2. Методы обращения к операндам (прямые и косвенные методы, автоматический перебор адресов). Система команд: формат слов и команд, адресация команд, операция и операнд. Команды модификации, арифметические и логические операции, команды условных и безусловных переходов, команды управления программой. Команды сопроцессора и команды расширенной арифметики. Лекции 3 1 Л2.2, Л1.1
3.3. Принципы работы персональных ЭВМ. Система команд и язык Ассемблера. Лабораторные 3 8 Л2.1, Л2.2, Л2.3, Л2.4, Л1.1
3.4. Системы команд для микропроцессоров различных архитектур. Влияние архитектуры процессора на его программирование. Программирование процессоров нестандартной архитектуры. Выполнение домашних заданий. Выполнение курсовой работы. Сам. работа 3 24 Л2.1, Л2.3, Л1.1
Раздел 4. Принципы построения языка Ассемблер.
4.1. Команды управления и прерывания. Процесс редактирования, компиляции и выполнения программ. Лекции 3 2 Л2.1, Л2.2, Л2.4, Л1.1
4.2. Алфавит, запись программы, принципы программирования. Метки, операторы, операции, макрокоманды и макродирективы, комментарии. Лекции 3 1 Л2.1, Л2.2, Л2.4, Л1.1
4.3. Принципы работы персональных ЭВМ. Система команд и язык Ассемблера. Лабораторные 3 10 Л2.1, Л2.2, Л2.3, Л2.4, Л1.1
4.4. Структура ассемблерной программы. Проектирование низкоуровневых программ. Программные комплексы низкого уровня. Аппаратное программирование. Выполнение домашних заданий. Выполнение курсовой работы. Сам. работа 3 16 Л2.1, Л2.2, Л2.4, Л1.1
Раздел 5. Программирование с учетом архитектурных особенностей ЭВМ.
5.1. Принципы построения современных ЭВМ. Особенности построения микропроцессорных ЭВС. Принцип МММ - модульность, микропроцессор, микропрограммное управление. Лекции 3 1 Л2.1, Л2.2, Л2.4, Л1.1
5.2. Технические характеристики, структура ЭВМ. Принципы обмена информацией между узлами ЭВМ. Лекции 3 2 Л2.1, Л2.2, Л2.4, Л1.1
5.3. Особенности работы с внешними устройствами. Прерывания. Обработка прерываний. Программные и аппаратные прерывания. Лекции 3 2 Л2.1, Л2.2, Л2.4, Л1.1
5.4. Программные и аппаратные прерывания. Использование механизма прерываний для обмена информацией с ВУ. Лекции 3 1 Л2.1, Л2.2, Л2.4, Л1.1
5.5. Программирование с учетом архитектурных особенностей ЭВМ. Лабораторные 3 8 Л2.1, Л2.2, Л2.3, Л2.4, Л1.1
5.6. Изучение модульной структуры для ЭВМ различного назначения. Программирование различных узлов ЭВМ. Системы прерываний для ЭВМ различных архитектур. Периферийные устройства ЭВМ. Выполнение домашних заданий. Выполнение курсовой работы. Сам. работа 3 10 Л2.1, Л2.2, Л2.4, Л1.1
Раздел 6. Аттестация

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания
1. Поколения ЭВМ
2. Структура ЭВМ и ВС
3. Понятие информации
4. Представление информации в ЭВМ
5. Программное обеспечение ЭВМ (операционные системы, языки программирования и т. п.)
6. Узлы ЭВМ и их взаимодействие
7. Понятие архитектуры ЭВМ
8. Формальная модель ВС
9. Принципы фон Неймана
10. Алгоритмы и программы. Формы представления алгоритмов
11. Организация памяти. Иерархия запоминающих устройств
12. Иерархическая организация шин
13. Распределение линий и арбитраж шин
14. Машинно-ориентированные языки
15. Типы данных. Идентификаторы
16. Диапазоны значений величин
17. Адресация. Методы обращения к операндам
18. Язык ассемблера. Понятие системы команд
19. Группы команд
20. Современные ЭВМ. Принципы построения современных ЭВМ
21. Структура ЭВМ Ввод-вывод
22. Шинная организация ЭВМ
23. Архитектура базового процессора 8086
24. Внешние устройства
25. Обмен с внешними устройствами
26. Классификация интерфейсов
27. Параллельный интерфейс
28. Последовательный интерфейс
29. Типы шин
30. Физическая организация шин
31. Протоколы шин
32. Организация памяти
33. Кэш-память
34. Виртуальная память
35. Внешняя память
5.2. Темы письменных работ (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)
1. История развития ЭВМ и вычислительных систем.
2. Использование автоматного подхода при разработке современных ЭВМ.
3. Кремниевые компиляторы.
4. Интеллектуальные среды разработки современных ЭВМ.
5. Сравнительный анализ методов и моделей разработки современных ЭВМ.
6. Сравнительный анализ современных визуальных сред разработки современных ЭВМ.
7. Сравнительный анализ возможностей ОС современных ЭВМ.
8. Особенности современных параллельных вычислительных систем.
9. ЭВМ с нестандартной архитектурой.
10. ЭВМ с возможностями искусственного интеллекта.
11. Защищенный режим
12. Аппаратная реализация мат. функций в современных процессорах
13. Сравнительный анализ процессоров мобильных устройств и встраиваемых систем (Intel Atom, PXA, ARMx).
14. Сравнительный анализ процессоров Intel x86, AMD и UltraSparc
15. Сравнительный анализ возможностей ОС мобильных устройств и встраиваемых систем.
16. Устройства хранения информации.
17. Устройства отображения информации.
18. Многоядерные архитектуры и многозадачность.
19. Обзор внутренних и внешних интерфейсов ПК.
20. Методы разработки современных встраиваемых систем.
5.3. Фонд оценочных средств
Фонд оценочных средств представлен в Приложении (документ ФОС_Организация_и_архитектура_вычислительных_систем.doc)
Приложения

6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

6.1. Рекомендуемая литература
6.1.1. Основная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л1.1 Громов Ю. Ю. , Иванова О. Г. , Серегин М. Ю. , Ивановский М. А. , Дидрих В. Е. Архитектура ЭВМ и систем: Учебники и учебные пособия для вузов Тамбов: Издательство ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012 // ЭБС "Университетская библиотека ONLINE" http://biblioclub.ru/index.php?page=book_red&id=277352&sr=1
6.1.2. Дополнительная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л2.1 Горнец Н.Н., Рощин А.Г., Соломенцев В.В. Организация ЭВМ и систем: учеб. пособие для вузов М.: Академия, 2006
Л2.2 Степанов А.Н. Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей: учеб. пособие для вузов СПб.[и др.]: Питер, 2007
Л2.3 Юров В.И. Assembler: учеб. пособие для вузов СПб.[и др.]: Питер, 2007
Л2.4 Незнанов А.А. Программирование и алгоритмизация: учебник М.: Академия, 2010
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
Название Эл. адрес
Э1 www.gpntb.ru/ Государственная публичная научно-техническая библиотека.
Э2 www.window.edu.ru/ Библиотека учебной и методической литературы
Э3 www.intuit.ru/ Образовательный сайт
Э4 http://portal.edu.asu.ru/course/view.php?id=1631
Э5 Курс в Мудле Организация и архитектура вычислительных систем https://portal.edu.asu.ru/course/view.php?id=1631
6.3. Перечень программного обеспечения
LibreOffice
Условия использования: https://ru.libreoffice.org/about-us/license/
Microsoft Windows
7-Zip
AcrobatReader
6.4. Перечень информационных справочных систем
Образовательный портал АлтГУ, ресурс http://portal.edu.asu.ru/course/view.php?id=1631
Электронная библиотечная система Алтайского государственного университета (http://elibrary.asu.ru/);
Научная электронная библиотека elibrary (http://elibrary.ru)

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Аудитория Назначение Оборудование
Помещение для самостоятельной работы помещение для самостоятельной работы обучающихся Компьютеры, ноутбуки с подключением к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», доступом в электронную информационно-образовательную среду АлтГУ
Учебная аудитория для проведения занятий лекционного типа, занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических), групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации, курсового проектирования (выполнения курсовых работ), проведения практик Стандартное оборудование (учебная мебель для обучающихся, рабочее место преподавателя, доска)
202К лаборатория цифровой техники - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации Учебная мебель на 18 посадочных мест; рабочее место преподавателя; доска меловая 1шт.; компьютеры: марка Aqarius; Парус - 12 единиц; вольтметр В7-34А; генератор Г5-56; генератор сигналов Г6-36; коммутатор SWITCH; компьютер Парус 945 MSI; осциллограф АСК- 1052 - 7шт.; осциллограф ЕО- 213 - 4шт.; осциллограф С1-64; осциллограф С1-91; паяльная станция АТР-1121; системный блок Aquarius Cel - 2400 – 10 шт.; стабилизатор 1202; методические указания по выполнению лабораторных работ: работа на учебной микроэвм; методы проектирования на микросхемах средней степени интеграции; последовательностные схемы; комбинационные логические схемы.
001вК склад экспериментальной мастерской - помещение для хранения и профилактического обслуживания учебного оборудования Акустический прибор 01021; виброизмеритель 00032; вольтметр Q1202 Э-500; вольтметр универсальный В7-34А; камера ВФУ -1; компьютер Турбо 86М; масспектрометр МРС -1; осциллограф ЕО -213- 2 ед.; осциллограф С1-91; осциллограф С7-19; программатор С-815; самописец 02060 – 2 ед.; стабилизатор 3218; терц-октавный фильтр 01023; шкаф вытяжной; шумомер 00026; анализатор АС-817; блок 23 Г-51; блок питания "Статрон" – 2 ед.; блок питания Ф 5075; вакуумный агрегат; весы; вольтметр VM -70; вольтметр В7-15; вольтметр В7-16; вольтметр ВУ-15; генератор Г-5-6А; генератор Г4-76А; генератор Г4-79; генератор Г5-48; датчик колебаний КВ -11/01; датчик колебаний КР -45/01; делитель Ф5093; измеритель ИМП -2; измеритель параметров Л2-12; интерферометр ИТ 51-30; источник "Агат" – 3 ед.; источник питания; источник питания 3222; источник питания ЭСВ -4; лабораторная установка для настройки газовых лазеров; лазер ЛГИ -21; М-кальк-р МК-44; М-калькул-р "Электроника"; магазин сопротивления Р4075; магазин сопротивления Р4077; микроскоп МБС -9; модулятор МДЕ; монохроматор СДМС -97; мост переменного тока Р5066; набор цветных стекол; насос вакумный; насос вакуумный ВН-01; осциллограф С1-31; осциллограф С1-67; осциллограф С1-70; осциллограф С1-81; осциллоскоп ЕО -174В – 2 ед.; пентакта L-100; пирометр "Промень"; пистонфон 05001; преобразователь В9-1; прибор УЗДН -2Т; скамья оптическая СО 1м; спектограф ДФС -452; спектограф ИСП -51; стабилизатор 1202; стабилизатор 3217 – 4 ед.; стабилизатор 3218; стабилизатор 3222 – 3 ед.; станок токарный ТВ-4; усилитель мощности ЛВ -103 – 4 ед.; усилитель У5-9; центрифуга ВЛ-15; частотомер Ч3-54А; шкаф металлический; эл.двигатель; электродинамический калибратор 11032

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

Основной целью при изучении дисциплины является стремление показать области применения и сформировать у будущих специалистов теоретические знания и практические навыки использования современных персональных компьютеров и программных средств низкого уровня для решения широкого спектра задач в различных областях, а именно:
 ознакомить студентов с основами организации и архитектуры современных ЭВМ;
 привить навыки работы с языками программирования низкого уровня для создания прикладных программ;
 изложить основные принципы проектирования современных ЭВМ.
Основными задачами изучения дисциплины «Организация и архитектура вычислительных систем» являются:
 овладение фундаментальными знаниями об основах организации и архитектуре современных ЭВМ;
 целостное представление о науке и ее роли в развитии информационных технологий;
 владеть общими вопросами организации архитектуры современных ЭВМ;
 овладение технологиями программирования нижнего уровня;
 углубление практических навыков работы на персональном компьютере (основы работы с различными инструментальными средствами для проектирования и разработки программ нижнего уровня).
Для эффективного изучения теоретической части дисциплины «Организация и архитектура вычислительных систем» необходимо:
 построить работу по освоению дисциплины в порядке, отвечающем изучению основных этапов, согласно приведенным темам лекционного материала;
 систематически проверять свои знания по контрольным вопросам и тестам;
 усвоить содержание ключевых понятий;
 активно работать с основной и дополнительной литературой по соответствующим темам;
 регулярно консультироваться с преподавателем, ведущим изучаемую дисциплину.
Для эффективного изучения практической части дисциплины «Организация и архитектура вычислительных систем» настоятельно рекомендуется:
 систематически выполнять подготовку к лабораторно-практическим занятиям по предложенным преподавателем темам; своевременно выполнять практические задания, курсовую работу.