Е.И. Измайлова Вычислительные машины, системы и сети

1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Курс "Вычислительные машины, системы и сети" изучается в течение третьего семестра. По учебному плану для студентов заочной формы обучения по курсу предусмотрено 12 часов лекций, 4 часа практических занятий и выполнение одной контрольной работы. Всего на изучение курса с учетом самостоятельной работы отводится 145 часов. Завершается изучение курса экзаменом.

1.ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ,

ЕЕМЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

1.1.Цель преподавания дисциплины

Цель преподавания дисциплины − приобретение студентами знаний о принципах построения современных ЭВМ, комплексов и систем; основ организации ЭВМ и систем, подсистем ЭВМ, их взаимодействия между собой.

1.2. Задачи изучения дисциплины

Студент должен изучить архитектуру, характеристики, возможности и область применения ЭВМ и систем основных классов и типов; изучить состав, принципы организации и функционирования отдельных подсистем, ЭВМ и систем в целом; обучиться навыкам выбора архитектур и аппаратных средств современных ЭВМ и систем, назначению адресов узлов ЭВМ.

1.3.Перечень дисциплин, усвоение которых необходимо для изучения данной дисциплины.

Для изучения дисциплины необходимы знания следующих дисциплин: "информатика", "математика".

2

2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

ИМЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ЕЕ ИЗУЧЕНИЮ

2.1Что такое компьютер

Определение компьютера. Представление информации в компьютере: кодировка символов; двоичная система счисления; биты и байты; шестнадцатириченая система счисления. Архитектурные принципы фон Неймана. Особенности современных компьютеров. Программы для компьютеров: прикладные программы; системные программы; инструментальные системы. Принцип открытой архитектуры. Преимущества IBM-совместимых компьютеров.

Литература [ 1, с.17-20; 2, с.182-197].

Методические указания

Изучение данного раздела следует начинать с рассмотрения определения компьютера и представления информации в компьютере. Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Кодировка символов применяется для соответствия между набором букв и числами. Компьютеры обычно работают в двоичной системе счисления. Единицей информации в компьютере считается один бит. Восемь бит составляют один байт. При изучении конструкции компьютера рассматриваются принципы фон Неймана. Согласно этим принципам компьютер должен иметь арифметико-логическое устройство; устройство управления; запоминающее устройство; внешние устройства. В современных компьютерах арифметико-логическое устройство и устройство управления объединены в центральный процессор; процесс выполнения программ может прерываться. Программы, работающие на компьютере делятся на три категории: прикладные программы, системные программы, инструментальные системы. Большинство современных компьютеров являются IBM PC совместимыми. Важную роль в развитии IBM PC совместимых компьютеров сыграл принцип открытой архитектуры.

3

Контрольные вопросы

1.Что такое компьютер?

2.В какой форме представлена информация в компьютере?

3.Что такое кодировка символов?

4.Какая система счисления используется компьютером?

5.Что такое бит и байт?

6.Шестнадцатеричная система счисления.

7.Основные устройства компьютера согласно принципам фон Неймана.

8.Принципы работы компьютера.

9.Особенности современных компьютеров.

10.Программы для компьютеров.

11.Принцип открытой архитектуры.

12.Преимущества IBM PC совместимых компьютеров.

2.2.Классификация ЭВМ

ЭВМ классифицируются: по принципу действия, по этапам создания, по назначению, по размерам и функциональным возможностям.

Литература [ 1, с.22-23; 2, с.182-187].

Методические указания

По принципу действия ЭВМ классифицируются на цифровые вычислительные машины (ЦВМ), аналоговые вычислительные машины (АВМ) и гибридные вычислительные машины (ГВМ). По этапам создания и используемой элементной базе ЭВМ можно условно разделить на поколения. Каждое следующее поколение ЭВМ имеет по сравнению с предыдущим существенно лучшие характеристики. По назначению ЭВМ можно разделить на универсальные, проблемноориентированные, специализированные. По размерам и функциональным возможностям ЭВМ можно разделить на сверхбольшие (суперЭВМ), большие, малые, сверхмалые (микроЭВМ). Функциональные возможности ЭВМ обусловливают важнейшие техникоэксплуатационные характеристики. Особую, интенсивно развивающуюся группу образуют многопользовательские ЭВМ, используемые в

4

вычислительных сетях, – серверы. В последнее время широкое распространение получили переносные и карманные компьютеры.

Контрольные вопросы

1.Классификация ЭВМ по принципу действия.

2.Классификация ЭВМ по этапам создания.

3.Классификация ЭВМ по назначению.

4.Классификация ЭВМ по размерам и функциональным возможностям.

5.Основные технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ.

6.Классификация микроЭВМ.

7.Большие ЭВМ.

8.Малые ЭВМ.

9.Персональные компьютеры.

10.СуперЭВМ.

11.Серверы.

12.Переносные компьютеры.

2.3.Функционально-структурная организация персональных компьютеров

Основные блоки персонального компьютера (ПК) и их назначение. Основные блоки ПК: системный блок, клавиатура, монитор. Дополнительные устройства: внешние устройства, внутренние устройства, контроллеры. Архитектура персонального компьютера. Структура ПК: микропроцессор, генератор тактовых импульсов, системная шина, основная память, таймер, внешние устройства. Внутримашинный системный интерфейс: шины расширений, локальные шины. Функциональные характеристики ПК.

Литература [1, с.31-33; 37-51; 2, с.129-140].

Методические указания

Изучение функционально-структурной организации ПК следует начинать с рассмотрения основных блоков ПК и их назначения. Конструктивно ПК выполнен в виде центрального системного блока, к кото-

5

рому через разъемы подключаются внешние устройства: дополнительные устройства памяти, клавиатура, монитор, принтер и другие устройства. Архитектура ПК обычно определяется совокупностью свойств, существенных для пользователя. Структура компьютера – это модель.

При изучении структуры нужно рассмотреть состав и назначение основных блоков ПК. Системный блок обычно включает в себя системную (материнскую) плату, блок питания, накопители на дисках, разъемы для дополнительных устройств и платы с контроллерамиадаптерами внешних устройств. На системной плате, как правило, размещаются: микропроцессор, математический сопроцессор, генератор тактовых импульсов, блоки оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), адаптеры клавиатуры, накопители на жестких и гибких магнитных дисках, контроллер прерываний, таймер и другие устройства. Следует также обратить внимание на назначение и классификацию внешних устройств, а также на дополнительные схемы, подключенные к системной шине и к микропроцессору.

Изучение внутримашинного системного интерфейса следует начинать с его характеристики. В качестве системной шины могут использоваться: шины расширений – шины общего назначения, позволяющие подключать большое число разнообразных устройств; локальные шины

– специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса.

При изучении функциональных характеристик ПК следует обратить внимание на такие характеристики: производительность и тактовая частота; разрядность процессора и кодовых шин интерфейса; типы системного и локального интерфейсов; емкость оперативной памяти; емкость накопителя на жестких магнитных дисках; тип и емкость накопителя на гибких магнитных дисках; виды и емкость кэш-памяти; тип видеомонитора и видеоадаптера; наличие математического сопроцессора; имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы; аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ; возможность работы в вычислительной сети; возможность работы в многозадачном режиме; надежность; стоимость; габариты и масса.

6

Контрольные вопросы

1.Основные блоки ПК.

2.Что включает в себя системный блок?

3.Что такое архитектура ПК? Основные и дополнительные функции ПК.

4.Персональный компьютер. Достоинства ПК.

5.Структурная схема ПК.

6.Назначение и устройство микропроцессора.

7.Назначение генератора тактовых импульсов.

8.Назначение и устройство системной шины.

9.Основная память.

10.Внешняя память.

11.Назначение и классификация внешних устройств.

12.Устройства ввода информации.

13.Средства мультимедиа.

14.Математический сопроцессор.

15.Контроллер прямого доступа к памяти.

16.Сопроцессор ввода-вывода.

17.Контроллер прерываний.

2.4. Микропроцессор

Определение микропроцессора. Общая характеристика. Основные группы микропроцессоров. Структура микропроцессора: устройство управления; арифметико-логическое устройство; микропроцессорная память; интерфейсная часть микропроцессора.

Литература [2, с.141-147].

Методические указания

Изучение раздела следует начинать с определения общей характеристики микропроцессора (МП). МП выполнен в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем. Все микропроцессоры можно разделить на три группы: CISC – с полным набором команд; RISC – с сокращенным набором команд; MISC – с минимальным набором команд. Изучение типов микропро-

7

цессоров требует рассмотрения объема выполняемых микропроцессором команд и их характеристик.

При изучении структуры МП необходимо рассмотреть функциональную схему устройства управления. Устройство управления вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций во все блоки. Упрощенно устройство управления состоит из регистра команд, дешифратора операций, постоянного запоминающего устройства микропрограмм, узла формирования адреса и кодовых шин данных, адреса и инструкций. Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функционально арифметико-логическое устройство состоит обычно из двух регистров, сумматора и схемы управления. Микропроцессорная память предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, участвующей в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы машины. Интерфейсная часть микропроцессора предназначена для связи и согласования МП с системной шиной ПК, а также для приема предварительного анализа команд выполняемой программы и формирования полных адресов операндов и команд.

Контрольные вопросы

1.Общая характеристика микропроцессора.

2.Основные функции, выполняемые микропроцессором.

3.Группы микропроцессоров.

4.Микропроцессоры типа RISC.

5.Функциональная схема устройства управления.

6.Основные процедуры, для которых МП формирует управляющий сигнал.

7.Арифметико-логическое устройство микропроцессора.

8.Микропроцессорная память.

9.Интерфейсная часть микропроцессора.

10.Функции, выполняемые схемой управления шиной и портами.

2.5. Запоминающие устройства ПК

Регистровая кэш-память: кэш-память "с обратной записью"; кэшпамять "со сквозной записью"; встроенная кэш-память; дополнительная

8

кэш-память. Основная память. Физическая структура основной памяти. Логическая структура основной памяти. Внешняя память. Логическая структура диска. Накопители на гибких магнитных дисках. Накопители на жестких магнитных дисках. Дисковые массивы RAID. Накопители на оптических дисках.

Литература [1, с.35-36; 2, с.148-160].

Методические указания.

Изучение данного раздела следует начинать с рассмотрения основных типов запоминающих устройств: регистровая кэш-память; основная память; внешняя память. Регистровая кэш-память – это высокопроизводительная память, являющаяся буфером между оперативной памятью и микропроцессором и позволяющая увеличивать скорость выполнения операции. По принципу записи результатов различают: кэшпамять "с обратной записью"; кэш-память "со сквозной записью". Существует кэш-память 1-го уровня и 2-го уровня, которая обусловливает высокую производительность. Изучение основной памяти требует рассмотрения в первую очередь физической структуры. Основная память содержит оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). ОЗУ предназначено для хранения информации, непосредственно участвующей в вычислительном процессе на текущем этапе функционирования ПК. ОЗУ энергозависимая память. ПЗУ используется для хранения неизменяемой информации. При изучении логической структуры основной памяти следует отметить, что каждая ячейка памяти имеет свой уникальный адрес. Адресное пространство определяет максимально возможное количество непосредственно адресуемых ячеек основной памяти. Основная память делится на две логические области: непосредственно адресную память и расширенную память.

При изучении внешней памяти рассматривается классификация запоминающих устройств по виду носителя, по типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, по методу доступа. Носитель – это материальный объект, способный хранить информацию. В зависимости от типа носителя все внешние запоминающие устройства можно подразделить на накопители на магнитной ленте и дисковые накопители. При изучении магнитных дисков следует рассмотреть логи-

9

ческую структуру диска, а также виды магнитных дисков. Диски относятся к машинным носителям информации с прямым доступом. Различают накопители на гибких магнитных дисках, накопители на сменных жестких магнитных дисках, накопители на оптических магнитных дисках, дисковые массивы RAID и другие.

Контрольные вопросы

1.Основные типы запоминающих устройств ПК.

2.Регистровая кэш-память.

3.Классификация кэш-памяти по типу записи.

4.Встроенная и дополнительная кэш-память.

5.Оперативное запоминающее устройство.

6.Постоянное запоминающее устройство.

7.FLASH-память.

8.Адресное пространство.

9.Стандартная и расширенная память.

10.Классификация внешних запоминающих устройств.

11.Накопители на магнитной ленте.

12.Общая характеристика и классификация дисковых накопителей.

13.Логическая структура диска.

14.Файлы.

15.Накопители на гибких магнитных дисках.

16.Накопители на жестких магнитных дисках.

17.Дисковые массивы RAID.

18.Накопители на оптических дисках.

2.6.Назначение и классификация компьютерных сетей

Определение компьютерной сети. Функции, выполняемые компьютерами в сети. Средства связи. Понятие клиент и сервер. Архитектура компьютерной сети. Эволюция вычислительных систем: системы пакетной обработки; централизованная обработка данных; распределенная обработка данных; появление глобальных сетей; первые локальные сети. Обобщенная структура компьютерной сети. Классификация вычислительных сетей. Современные тенденции.

Литература [2, с.203-207; 3, с.5-7; 4, с.21-27].