Макет типовой учебной программы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учебно-методическое объединение по образованию

в области информатики и радиоэлектроники

УТВЕРЖДАЮ

Первый заместитель Министра образования

Республики Беларусь

____________________В.А. Богуш

____________________

Регистрационный № ТД-____________/тип.

АРХИТЕКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Типовая учебная программа по учебной дисциплине

для специальностей:

1-40 04 01 Информатика и технологии программирования

СОГЛАСОВАНО

Начальник Управления

бытовой техники и электроники

Министерства промышленности

Республики Беларусь

___________________ А.С.Турцевич
___________________

СОГЛАСОВАНО

Начальник Управления

высшего образования

Министерства образования

Республики Беларусь

__________________С.И.Романюк

__________________

СОГЛАСОВАНО

Председатель учебно-

методического объединения

по образованию в области

информатики и радиоэлектроники

___________________М.П. Батура

___________________

СОГЛАСОВАНО

Проректор по научно-методической

работе Государственного учреждения образования «Республиканский

институт высшей школы»

______________________И.В.Титович

_____________________

| Эксперт-нормоконтролер _________________ _________________

Минск 2015

Составители:

Н. А. Волорова, заведующая кафедрой информатики учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники», доцент, кандидат технических наук; В. П. Клыбик, ассистент кафедры информатики учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»; В. В.Сергейчик, ассистент кафедры информатики учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники», магистр технических наук.

Рецензенты:

Кафедра управления информационными ресурсами Академии Управления при Президенте Республики Беларусь (протокол №15 от 25.03.2015); А. И. Шемаров, заведующий кафедрой управления информационными ресурсами Академии Управления при Президенте Республики Беларусь.

Н. И. Белодед, кандидат технических наук, доцент кафедры управления информационными ресурсами Академии Управления при Президенте Республики Беларусь

М. А. Баркун, заведующий кафедрой последипломного образования УО ВГКС, профессор, кандидат технических наук.

РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ В КАЧЕСТВЕ ТИПОВОЙ:

Кафедрой информатики учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» (протокол № 4 от 13.10.2014);

Научно-методическим советом учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» (протокол №__ от ___.___.2015);

Научно-методическим советом по информатике, вычислительной технике и эргономике Учебно-методического объединения по образованию в области информатики и радиоэлектроники (протокол № 10 от 17.03.2015)

Ответственный за выпуск: Е.П.Сапогова

# Пояснительная записка

ХАРАКТЕРИСТИКА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Типовая учебная программа по учебной дисциплине «Архитектура вычислительных систем» разработана для студентов учреждений высшего образования, обучающихся по специальности 1-40 01 03 «Информатика и технологии программирования» в соответствии с требованиями образовательного стандарта ОСВО 1-40 01 03-2013 и типового учебного плана по вышеуказанной специальности.

ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ, РОЛЬ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Цель учебной дисциплины: формирование у обучаемого профессиональных навыков, приобретение знаний и умений, касающихся принципов создания и типов организации вычислительных систем классических и современных архитектур, наиболее значительных проектов таких систем.

Задачи учебной дисциплины:

- приобретение знаний об основных архитектурных особенностях вычислительных систем и умений их анализировать;

- формирование способности выбирать адекватные типам архитектур задачи;

- формирование умений программного моделирования компонент ВС.

Базовыми дисциплинами по курсу «Архитектура вычислительных систем» являются «Основы алгоритмизации и программирования» и «Программирование». В свою очередь дисциплина «Архитектура вычислительных систем» является базой для таких дисциплин, как «Методы трансляции», «Операционные системы и среды».

ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ

СОДЕРЖАНИЯ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

В результате изучения дисциплины «Архитектура вычислительных систем» формируются следующие компетенции:

академические:

1) умения, связанные с использованием технических устройств, управлением информацией и работой с компьютером;

2) умение учиться, повышать свою квалификацию в течение всей жизни;

3) способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности;

4) владение основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации с использованием компьютерной техники;

социально-личностные:

1) умение работать в команде;

профессиональные:

1) владение современными технологиями анализа предметной области и разработки требований к создаваемым программным средствам, умение разрабатывать математические модели процессов, документацию и спецификации для создания программного обеспечения.

В результате изучения учебной дисциплины студент должен

знать:

- принципы организации компьютерных систем;

- организацию микроархитектурного уровня вычислительных систем различных типов;

- принципы организации уровня архитектуры команд ВС различных типов;

- принципы управления памятью в вычислительных системах;

уметь:

- анализировать основные архитектурные особенности вычислительных систем;

- разрабатывать программные продукты с учетом особенностей архитектуры вычислительных систем.

владеть:

- базовыми представлениями о применении различных архитектур в современных аппаратных платформах.

Программа рассчитана на объем 198 учебных часов, из них – 114 аудиторных. Примерное распределение аудиторных часов по видам занятий: лекций – 66 часов, лабораторных занятий – 48 часов. Курсовой проект – 40 часов.

Программа разработана без учета часов, отводимых на проведение текущей аттестации, определенной типовым учебным планом.

ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Наименование раздела, темы | Всего аудит. часов | Лек- ции, ч | Лабора- торные занятия, ч
Раздел 1. Архитектура компьютера | 50 | 34 | 16
Тема 1. Начальные сведения | 4 | 4 |
Тема 2. Представление данных | 6 | 4 | 2
Тема 3. Логические основы обработки данных | 6 | 4 | 2
Тема 4. Многоуровневая компьютерная организация | 4 | 4 |
Тема 5. Организация компьютерных систем | 6 | 4 | 2
Тема 6. Микроархитектура компьютера | 8 | 4 | 4
Тема 7. Архитектура команд | 16 | 10 | 6
Раздел 2. Архитектура вычислительных систем | 64 | 32 | 32
Тема 8. Развитие архитектуры и параллельных вычислений | 6 | 2 | 4
Тема 9. Многопрограммный режим работы компьютера | 14 | 4 | 10
Тема 10. Повышение эффективности использования памяти | 4 | 4 |
Тема 11. Шины | 4 | 4 |
Тема 12. Повышение эффективности процессора. | 10 | 4 | 6
Тема 13. Оценка производительности вычислительных систем | 4 | 2 | 2
Тема 14. Классификация архитектур | 2 | 2 |
Тема 15. Семейства микропроцессоров | 6 | 2 | 4
Тема 16. Архитектуры компьютеров параллельного действия | 10 | 4 | 6
Тема 17. Архитектура вычислительных сетей | 4 | 4 |
Итого: | 114 | 66 | 48

СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Раздел 1. АРХИТЕКТУРА КОМПЬЮТЕРА

Тема 1. НАЧАЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Понятие архитектуры компьютера. Данные и программы. Логическое устройство памяти. Объем памяти.

Тема 2. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ДАННЫХ

Тестовые данные. Графические данные. Числовые данные. Аудио- и видеоданные. Принцип обезличивания кода. Надежность кодирования.

Тема 3. ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

Понятие такта. Комбинационные схемы. Арифметическо-логическое устройство. Схемы памяти. Интегральные схемы.

Тема 4. МНОГУРОВНЕВАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

Современные многоуровневые машины. Развитие компьютерной архитектуры. Типы компьютеров. Архитектура фон Неймана. Семейства компьютеров.

Тема 5. ОРГАНИЗАЦИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ

Процессоры. Устройство центрального процессора. Принципы разработки современных компьютеров. Основная память. Кэш-память. Вспомогательная память.

Тема 6. МИКРОАРХИТЕКТУРА КОМПЬЮТЕРА

Микроархитектурный уровень. Тракт данных. Понятие микрокоманды. Примеры архитектур.

Тема 7. АРХИТЕКТУРА КОМАНД

Общий обзор уровня архитектуры команд. Свойства уровня команд. Модели памяти. Регистры. Примеры уровня команд. Типы данных. Форматы команд. Критерии разработки для форматов команд. Примеры форматов команд. Адресация. Способы адресации. Сравнение способов адресации.

Раздел 2. АРХИТЕКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Тема 8. РАЗВИТИЕ АРХИТЕКТУРЫ И ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ

Параллелизм на уровне команд. Совмещение времени работы нескольких устройств. VLIW-процессор. Внутрипроцессорная многопоточность. Внутрипроцессорный параллелизм.

Тема 9. МНОГОПРОГРАММНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ КОМПЬЮТЕРА

Организации памяти. Проблемы защиты памяти. Организация виртуальной памяти. Дескрипторные таблицы. Формирование адреса. Виртуальная память со страничной организацией. Защита по привилегиям.

Тема 10. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПАМЯТИ

Статическая и динамическая память. Цикл памяти. Многоуровневая организация памяти. Кэш-память. Механизмы работы кэша. Когерентность кэш-памяти.

Тема 11. ШИНЫ

Арбитраж. Циклы шины. Конвейерный режим шины. Многошинная архитектура.

Тема 12. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОРА

Конвейерная архитектура процессора. Суперскалярная архитектура. Динамическое изменение машинных команд. Многопроцессорные и многоядерные архитектуры.

Тема 13. ОЦЕНКА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Оценка производительности тактовой частотой. Пиковая и реальная производительности. Тесты производительности.

Тема 14. КЛАССИФИКАЦИЯ АРХИТЕКТУР

Классификация по принципу действия. Классификация по поколениям. Функциональная классификация. Классификация по архитектуре системы команд. Классификационные схемы.

Тема 15. СЕМЕЙСТВА МИКРОПРОЦЕССОРОВ

Семейство Intel. Особенности архитектуры IA64. Семейства SUN SPARC, PA-RISC, Alpha и др.

Тема 16. АРХИТЕКТУРЫ КОМПЬЮТЕРОВ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ

Законы Амдала. Классификация параллельных систем по Флинну. Классификация параллельных систем класса MIMD. Мультипроцессоры и мультикомпьютеры. Семантика памяти. Отслеживание изменений данных в кэш-памяти. Примеры организации систем параллельной обработки информации.

Тема 17. АРХИТЕКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

Линии связи. Классификация и топология сетей. Коммуникационные сети. Коммутация. Методы коммутации. Производительность. Метрика аппаратного обеспечения. Распределенные вычисления.

#####

ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

### ЛИТЕРАТУРА

######

###### Основная

1. Таненбаум, Э. Архитектура компьютера. 6-е изд. – СПб.: Питер, 2013. –

816 с.

2. Hennessy, J. Computer Architecture, Fifth Edition: A Quantitative Approach. – Amsterdam: Elsevier (Morgan Kaufmann), 2011. – 856 p.

3. Dandamudi, S. Fundamentals of Computer Organization and Design. – New York: Springer, 2013. – 1061 p.

4. Stallings, W. Computer Organization and Architecture, 9th Edition. – New Jersey: Prentice Hall, 2012. – 792 p.

5. Silberschatz, A. Operating System Concepts, 9th Edition. – New York: Wiley, 2012. – 1017 p.

6. Hamacher, C. Computer Organization and Embedded Systems, 6th Edition. – New York: McGrow Hill, 2011. – 736 p.

7. Степанов, А.Н. Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей. – СПб.: Питер, 2007. – 509 с.

8. Jacob, B. Memory Systems: Cache, DRAM, Disk, 1st Edition. – Amsterdam: Elsevier (Morgan Kaufmann), 2007. – 1017 p.

Дополнительная

9. Irvine, K. Assembly Language for x86 Processors 6th Edition. – New Jersey: Prentice Hall, 2010. – 747 p.

10. Hyde R. The Art of Assembly Language. – San Francisco: No Starch Press, 2010. – 760 p.

11. Tanenbaum, A. Modern Operating Systems, 4th Edition. – New Jersey: Prentice Hall, 2014. – 1136 p.

МЕТОДЫ (ТЕХНОЛОГИИ) ОБУЧЕНИЯ

Основные методы (технологии) обучения, отвечающие целям и задачам дисциплины:

– проблемное обучение (проблемное изложение, вариативное изложение, частично-поисковый метод), реализуемое на лекционных занятиях;

– учебно-исследовательская деятельность, творческий подход, реализуемые на лабораторных занятиях и в рамках курсового проектирования.

ОРГАНИЗАЦИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

При изучении учебной дисциплины рекомендуется использовать следующие формы самостоятельной работы:

- ведение конспектов;

- подготовка к коллоквиумам;

- изучение технической документации;

- подготовка к выполнению и защите лабораторных работ;

- подготовка к экзамену;

- выполнение задания по курсовому проектированию.

КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

### Курсовой проект имеет целью самостоятельное решение студентом поставленных преподавателем задач, связанных с тематикой курса «Архитектура вычислительных систем». Подбор заданий должен отражать наиболее актуальные темы учебной дисциплины и знания студентов по данным темам.

Количество часов на выполнение – 40 часов.

Примерный перечень ТЕМ курсовых ПРОЕКТОВ

1. HDL-модели универсальных и специализированных вычислительных систем.

2. Эмулятор ARM.

3. Компьютер Raspberry Pi. Программирование для ARM процессоров.

4. Быстрое преобразование Фурье и его распараллеливание.

5. Решение задачи Коши для ОДУ при помощи сопроцессора.

6. MPI-3.

7. Построение различных видов деревьев, используя mcb блоки.

8. Издержки и выигрыш при реализации параллельных и векторных вычислений.

9. Интерполяция значений функции с использованием сопроцессора.

10. Архитектура поисковых систем.

11. Имитация многомерных случайных величин.

12. Вычисление тригонометрических функций с использованием сопроцессора.

13. Сбор сведений о процессах/потоках в системе и управление ими.

14. Программа-вирус.

15. Платформа Arduino. Обзор и применение.

16. Нейрокомпьютеры – архитектура и реализация.

17. Драйвер клавиатуры.

18. Построение сложных структур данных (списки, очереди, стеки, деревья), используя MCB-блоки.

19. Проектирование систем сетевого аудита на основе ПЛИС (Xilinx FPGA).

20. Проектирование систем обнаружения вторжений на основе ПЛИС (Xilinx FPGA).

21. Эффективная реализация алгоритма на процессорах нескольких архитектур с учетом их особенностей.

22. Оценка требований IPSec, VPN к производительности сетевого оборудования.

23. Быстрое преобразование Фурье и его распараллеливание.

24. Реализация ускорителей на основе FPGA для VPN-сетей.

25. Нейрокомпьютеры.

26. PVM — параллельная виртуальная машина, методы реализации параллельных программ.

27. Технологии EPIC (одновременное выполнение команд программы), предсказание ветвлений при вычислениях. Принципы построения и работы.

28. Технология SSE-2, SSE-3. Принципы построения и работы.

29. Издержки и выигрыш при реализации параллельных и векторных вычислений.

30. Программирование USB – контроллера.

31. Реализация ускорителей на основе FPGA для VPN-сетей.

32. Сравнительная характеристика универсальных микропроцессоров и нейрокомпьютеров.

33. Сравнительная характеристика универсальных и медийных микропроцессоров.

34. Сравнительная характеристика универсальных и мультитредовых микропроцессоров.

35. Архитектура транспьютеров.

36. Характеристики команд микропроцессоров.

37. Характеристика процессоров цифровой обработки сигналов.

38. Реализация функций, поддерживающих оконный интерфейс.

39. Архитектура серверов корпоративных баз данных.

40. Построение сложных структур данных (списки, очереди, стеки, деревья), используя MCB-блоки.

41. Построение различных видов деревьев, используя MCB-блоки.

42. Модели оценки эффективности структур распределенных вычислительных систем.

Примерный перечень ТЕМ лабораторных ЗАНЯТИЙ

1. Эмуляция АЛУ. Операции сложения и вычитания целых чисел.

2. Эмуляция АЛУ. Операция умножения целых чисел.

3. Эмуляция АЛУ. Операция сложения и вычитания чисел с плавающей точкой.

# 4. Эмуляция АЛУ. Операция умножения чисел с плавающей точкой.

# 5. Эмуляция АЛУ. Операция деления чисел с плавающей точкой.

# 6. Эмуляция АЛУ. Ускоренные методы выполнения операций.

# 7. Устройство с плавающей точкой. Специальные вычислительные ситуации.

# 8. Устройство с плавающей точкой. Особенности программирования.

9. Технологии MMX, SIMD.

10. Изучение защищенного режима работы процессора Pentium. Изучение систем прерываний.

11. Мультизадачность в защищенном режиме.

12. Программирование многоядерных архитектур.

Примерный перечень НЕОБХОДИМОГО ОБОРУДОВАНИЯ

И компьютерных программ

1. Персональный компьютер.

2. Операционная система Windows XP или выше либо Linux.

3. Среда работы с ассемблером в реальном режиме, например, TASM 5.1 с эмулятором DOS-BOX. Среда работы с ассемблером в защищенном режиме, например, эмулятор Bochs.

ДИАГНОСТИКА КОМПЕТЕНЦИЙ СТУДЕНТА

Типовым учебным планом специальности в качестве формы текущей аттестации по учебной дисциплине «Архитектура вычислительных систем» предусмотрены экзамен и курсовой проект. Оценка учебных достижений студента производится по десятибалльной шкале.

Для текущего контроля и самоконтроля знаний и умений студентов по данной дисциплине можно использовать следующий диагностический инструментарий:

– проведение коллоквиума;

– собеседование;

– защита лабораторных работ;

– устный опрос;

– проведение текущих опросов по отдельным темам дисциплины;

– выступление студента по разработанной им теме;

– решение проблемных задач, предполагающих неформализованный ответ.