Космический факультет

Кафедра К3
«Прикладная математика, информатика
и вычислительная техника»

Телефон: 8 (498) 687-43-52
ГУК, ауд. 447
E-mail: caf-pm@mgul.ac.ru, caf-vt@mgul.ac.ru


Дисциплины

Вычислительные машины, системы и сети

Преподаватель: Ефремов Николай Владимирович.
E-mail: efremovnv@bmstu.ru, nvlefremov@mail.ru.
Идентификатор персональной конференции для дистанционных занятий и консультаций через Zoom: 727 418 67 26. Пароль: 553695.

Направление подготовки: 27.03.04 «Управление в технических системах».
Направленность подготовки: Системы и технические средства автоматизации и управления.
Квалификация выпускника: бакалавр.

Курс: 3.
Семестр: 5.

Форма промежуточной аттестации: экзамен.

Содержание дисциплины

Вводные сведения

Цель и задачи изучения дисциплины. Её содержание. Понятие структуры и архитектуры вычислительной машины. История развития вычислительной техники, поколения ЭВМ. Концепция машины с хранимой в памяти программой. Принципы Фон Неймана. Классификация вычислительных машин.

Арифметические основы вычислительных машин
  • Понятие системы счисления. Перевод целых и дробных чисел из одной системы счисления в другую. Двоичная и шестнадцатеричная системы счисления. Десятичная двоично кодированная система счисления. Представление целых чисел. Прямой, обратный и дополнительный коды. Представление чисел с фиксированной запятой, с плавающей запятой. Форматы представления данных. Стандарт IEEE-754.
  • Выполнение арифметических операций. Сложение, вычитание. Умножение на 2 в степени +/-К. Умножение и деление чисел с фиксированной точкой. Арифметика с плавающей запятой.
Процессоры
  • Понятие архитектуры системы команд (АСК). Классификация АСК: CISK, RISK, VLIW. Функциональная и структурная организация классической ВМ. Понятие машинного цикла. Основные этапы цикла. Связь с понятиями микропрограммы и микрокоманды. Процессоры с CISC и RISC архитектурой. Архитектура VLIW. Форматы команд. Система команд. Способы адресации операндов и команд. АСК на примере процессора NIOS II.
  • Основные направления совершенствования архитектуры процессоров. Конвейеризация вычислений. Синхронные и асинхронные конвейеры. Конфликты в конвейере команд. Структурный риск, риск по данным, риск по управлению. Проблема условного перехода и методы её решения. Проблема неупорядоченной выдачи команд и способы её решения: переименование регистров и переупорядочивание команд. Суперконвейерные и суперскалярные процессоры. Многоядерные процессоры.
Система памяти ВМ
  • Иерархическая организация памяти. Характеристики ЗУ внутренней памяти. Основная память. Микросхемы памяти. Оперативные ЗУ. Статические и динамические ЗУ. Модули основной памяти. Постоянные ЗУ.
  • Кэш —память. Типы кэш-памяти. Полностью ассоциативный кэш, кэш с прямым отображением, ассоциативный по множеству кэш. Алгоритмы замещения информации в заполненной кэш памяти. Совмещенный и разделенный кэш. Уровни кэш-памяти.
  • Понятие виртуальной памяти. Сегментная организация памяти, страничная организация памяти. Защита памяти.
  • Характеристики внешней памяти. Магнитные диски. RAID-массивы. Твердотельные накопители. Оптические диски. Магнитные ленты.
Основные направления в архитектуре процессоров
  • Конвейеризация вычислений. Синхронные и асинхронные, линейные и нелинейные конвейеры. Конвейер команд и конфликты в нём. Структурный риск, риск по данным, риск по управлению. Проблема условного перехода и методы её решения.
  • Суперконвейерные процессоры и суперскалярные процессоры. Проблема неупорядоченной выдачи команд и способы её решения: переименование регистров и переупорядочивание команд. Многоядерные процессоры.
Подсистема ввода-вывода ВМ
  • Адресное пространство ввода-вывода. Раздельное пространство, совмещенное пространство. Устройства ввода-вывода. Периферийные устройства. Способы организации ввода/вывода: программно-управляемый ввод/вывод, ввод/вывод в режиме прерывания, прямой доступ к памяти.
  • Векторные прерывания в процессорных системах х86. Контроллер приоритетных прерываний. Прямой доступ к памяти. Контроллер прямого доступа к памяти. Структура и принцип действия.
Организация шин в ВМ

Понятие шины. Типы шин: системная шина, шина ввода/ вывода, шина «процессор — память». Иерархия шин. Аспекты физической реализации шин. Выделенные и мультиплексируемые шины. Арбитраж шин. Особенности синхронного и асинхронного протоколов. Методы повышения эффективности шин.

Многопроцессорные вычислительные системы

Понятие вычислительной системы. Классификация вычислительных систем по Флинну. Векторные и векторно-конвейерные вычислительные системы. Матричные вычислительные системы. Ассоциативные вычислительные системы. Память вычислительных систем. Суперэвм.

Микропроцессорные системы в системах управления

Микроконтроллеры (МК). Типовая структура микроконтроллера. Структурно-функциональная организация и особенности различных семейств МК. Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Системы на кристалле. Закономерности, проблемы и тенденции развития.

Компьютерные сети

Основные понятия компьютерных сетей. Топологии компьютерных сетей. Модель OSI. Линии передачи данных. Коммутация и маршрутизация при передаче данных в сети. Активное сетевое оборудование. Локальные вычислительные сети. Технология Ethernet. Стек протоколов TCP/IP. Глобальные сети. Сеть Internet.

Литература

Основная литература
  1. Цилькер Б. Я., Орлов С. А. Организация ЭВМ и систем. Учебник для вузов. 2-е изд. — СПб.: Питер, 2011 — 688 стр. (http://en.bookfi.net/book/720223)
  2. Мелехин В. Ф., Павловский Е. Г. Вычислительные машины, системы и сети. Учебник для вузов. — М. Издательский центр «Академия», 2006. — 560 с. (http://en.bookfi.net/book/489946)
  3. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. Учебное пособие. 2-е изд. — СПБ: БХВ-Петербург, 2007 — 782 с. (http://en.bookfi.net/book/556972)
  4. Олифер В. Г., Олифер Н. А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. 3-е изд. — СПБ: Питер, 2006 —957 с. (http://en.bookfi.net/book/555529)
  5. Жмакин А. П. Архитектура ЭВМ. 2-е изд., перераб. и доп. — СПб.: БХВ — Петербург, 2010. —352 с. (https://ru.b-ok.cc/book/2385105/87a1cd)
  6. Гуров В. В., Чуканов В. О. Основы теории и организации ЭВМ. — М.: Интернет-Университет Информационных Технологий; БИНОМ. 2006. — 272 с. (https://freedocs.xyz/pdf-41038494)
Дополнительная литература
  1. Амосов В. В. Схемотехника и средства проектирования цифровых устройств. — СПб.: БХВ — Петербург, 2007. — 560 с. (https://www.razym.ru/tehnicheskaya/electronika/259217-amosov-v-shemotehnika-i-sredstva-proektirovaniya-cifrovyh-ustroystv-2012.html)
  2. Древс Ю. Г. Организация ЭВМ и вычислительных систем: Учебник для студ. вузов, обуч. по напр. «Информатика и вычислительная техника». — М.: Высшая школа, 2006. — 500 с.
Нормативные документы
Ресурсы информационно-телекоммуникационной сети «Интернет» и другие электронные информационные источники

Лабораторные работы

Лабораторная работа № 1

Учебно- исследовательский стенд «ALTERA DE 2-115». Приложение «Altera Monitor Program» (AMP) для работы со стендом.

Лабораторная работа № 2

Создание мультимедийной процессорной системы на кристалле. Использование АМР для взаимодействия с параллельными портами для ввода информации с кнопок и переключателей и для отображения информации на светодиодах и семисегментных индикаторах.

Лабораторная работа № 3

Использование АМР для компиляции, загрузки и отладки программ. Архитектура системы команд процессора NIOS II. Форматы команд и данных. Способы адресации операндов.

Лабораторная работа № 4

Вывод информации из процессорной системы на LCD индикатор.

Лабораторная работа № 5

Особенности выполнения команд load, store. Тестирование всех типов оперативной памяти, используемой в процессорной системе.

Лабораторная работа № 6

Использование стека в процессорной системе. Передача параметров через стек и через регистры процессора. Выполнение команд вызова и возврата из процедур.

Лабораторная работа № 7

Использование вложенных процедур и файлов с исходными данными в процессорной системе.

Лабораторная работа № 8

Аппаратные, программные прерывания и особые случаи в процессорной системе.

Лабораторная работа № 9

Исследование работы интервального таймера и применение его в приложениях пользователя.


Методические указания по выполнению лабораторных работ:


Видеоматериалы:


Вопросы для текущего контроля и промежуточной аттестации:

Административный раздел