Рабочая программа: Архитектура электронно-вычислительных машин и вычислительные системы

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ДЕПАРТАМЕНТ НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт непрерывного образования

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

ОП. 08 Архитектура электронно-вычислительных машин и вычислительные системы

для специальности среднего профессионального образования

09.02.05 Прикладная информатика (по отраслям)

Волгоград 2016 г.

Рабочая программа учебной дисциплины Архитектура электронно-вычислительных машин и вычислительные системы разработана на основе Федерального государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования (далее  ФГОС СПО) по специальности 09.02.05 Прикладная информатика (по отраслям), входящей в укрупненную группу специальностей 09.00.00 Информатика и вычислительная техника.

Организация-разработчик:

ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ Институт непрерывного образования.

Разработчик: 

Кузьмин Всеволод Александрович, к.э.н., преподаватель.

Рабочая программа учебной дисциплины одобрена методической комиссией Института непрерывного образования.

Протокол № ____ от  «___» ____________ 2016 г.

Председатель методической

комиссии института              ________________  К.И. Пазухина

Утверждаю

Директор ИНО  ___________________________  В.Г. Дикусаров

СОДЕРЖАНИЕ

1.     ПАСПОРТ РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЫ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ                4

2.      СТРУКТУРА И ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ                                                                                                                                                    6

3.      УСЛОВИЯ                   РЕАЛИЗАЦИИ                    РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЫ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ                                                                                                      10

4.      КОНТРОЛЬ И ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОСВОЕНИЯ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ                                                                                                              11

1.   ПАСПОРТ РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЫ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

ИНФОРМАТИКА

1.1.   Область применения программы

Рабочая программа учебной дисциплины является частью программы подготовки специалистов среднего звена в соответствии с ФГОС по специальности СПО 09.02.05 Прикладная информатика (по отраслям), входящей в укрупненную группу специальностей 09.00.00 Информатика и вычислительная техника.

1.2.           Место дисциплины в структуре основной профессиональной образовательной программы: дисциплина входит в общепрофессиональный цикл

Цели и задачи дисциплины - требования к результатам освоения

В результате освоения дисциплины обучающийся должен уметь:

·     определять оптимальную конфигурацию оборудования и характеристик устройств для конкретных задач;

·    идентифицировать основные узлы персонального компьютера, разъемы для подключения внешних устройств;

·                    обеспечивать совместимость программных и аппаратных средств вычислительной техники;

В результате освоения дисциплины обучающийся должен знать:

·               построение цифровых вычислительных систем и их архитектурные особенности;

·               принципы работы основных логических блоков системы;

·               пареллелизм и конвейеризацию вычислений;

·               классификацию вычислительных платформ;

·               принципы вычислительных процессов в многоядерных системах;

·               принципы работы кэш-памяти;

·               методы повышения производительности многопроцессорных и многоядерных систем;

·               основные энергосберегающие технологии.

1.3.             Рекомендуемое количество часов на освоение программы дисциплины:

Максимальной учебной нагрузки обучающегося 153 часов, в том числе: обязательной аудиторной учебной нагрузки обучающегося 102 часов; практических занятий - 29 часов;

самостоятельной работы обучающегося - 43 часов;

консультации – 8 часов.

2.   СТРУКТУРА И ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ

ДИСЦИПЛИНЫ

2.1.    Объем учебной дисциплины и виды учебной работы

Вид учебной работы	Объем часов
Максимальная учебная нагрузка (всего)	153
Обязательная аудиторная учебная нагрузка (всего)	102
в том числе:
лабораторные занятия
практические занятия	29
контрольные работы	-
курсовая работа (проект) (если предусмотрено)	-
Самостоятельная работа обучающегося (всего)	43
в том числе:
самостоятельная работа над курсовой работой (проектом) (если предусмотрено)	• -
Реферат, конспект,  домашняя работа,  творческие работы	10 20 13
Конскультации	8
Промежуточная аттестация в форме: зачета (4 семестр)                                                                       Экзамена (5 семестр) Итоговая аттестация в форме: диф. зачета (6 семестр) в этой строке часы не указываются

2.2.           Примерный тематический план и содержание учебной дисциплины ИНФОРМАТИКА

Наименование разделов и тем	Содержание учебного материала, лабораторные и практические работы, самостоятельная работа обучающихся					Объем часов	Уровень освоения
1	2					3	4
Раздел 1. Базовые понятия и основные принципы построения архитектур вычислительных систем						12
Тема 1.1. Структура ЭВМ и вычислительных систем (ВС)	Содержание учебного материала					2
	1			Основные характеристики ЭВМ. Производительность ЭВМ. Разрядность обрабатываемой информации. Организация компьютерных систем. Структура компьютера. Процессор. Основная память. Устройства ввода-вывода. Тракт данных: регистры, арифметико-логическое устройство. Структура фон Неймана. Понятие шины. Магистральный принцип построения ЭВМ, ЭВМ с электронным коммутатором.			1
Тема 1. 2 Типы данных	Содержание учебного материала					2
	1			Типы данных: числовые, нечисловые. Числовые данные в двоичной системе счисления со знаком, без знака, целые, с плавающей точкой. Символьные коды ASCII, UNICODE			1
	Практическое занятие					2
	1			Системы счислений
Тема 1.3 Типы команд	Содержание учебного материала					2
	1			. Основной состав команд ЭВМ. Команды перемещения данных. Арифметические команды. Бинарные и унарные команды. Условные переходы. Команды ввода- вывода. Система команд ЭВМ. Типы команд. Система команд ЭВМ. Типы команд			2
	Практические занятия					4
	1			Арифметические операции над данными
	2			Логические операции
	Самостоятельная работа обучающихся: работа с конспектом, оформление практической работы					6
Раздел 2. Типы вычислительных систем и их архитектурные особенности						8
Тема 2.1. Многоуровневая организация ЭВМ и ВС	Содержание учебного материала					4
	1			Уровень физических устройств, цифровой логический уровень. Классификация процессоров в зависимости от набора команд. RISC- процессоры с ограниченным набором команд. CISC - процессоры с полным набором команд VLIW-процессоры со сверхбольшим командным словом. MISC-процессоры с минимальным набором системы команд.			1
	2			Микроархитектурный уровень (локальная память, АЛУ), работа тракта данных, микропрограммное управление. Уровень архитектуры команд, система команд. Уровень операционной системы - гибридный уровень с использованием операционной системы (интерпретатор) и аппаратным обеспечением. Уровень ассемблера - язык низкого уровня, транслятора, отражающего реальные физические (аппаратные) средства. Эквивалентность программного и аппаратного обеспечения. Критерии раздела функций аппаратного и программного обеспечения: стоимость, частота, быстродействие, надежность и компьютерные технологии.
Тема 2.2. Основные принципы организации и работы ЭВМ и ВС	Содержание учебного материала					4
	1			Центральный процессор: назначение и состав. Блок управления, арифметико­логическое устройство, регистровая память, счетчик команд, регистр команд. Назначение каждого блока, связь между ними. Принципы фон Неймана и гарвардская архитектура. Выполнение команд: выборка-декодирование-исполнение.			1
	2			Аппаратный способ выполнения команд с использованием устройств управления (жесткая логика) и программный способ (интерпретация, микропрограммное управление). Сравнительный анализ. Состав устройства управления (УУ) с «жесткой логикой». Принцип микропрограммного управления.
	Самостоятельная работа обучающихся: работа с конспектом					7
Раздел 3. Организация и принцип работы основных логических блоков компьютерных систем						64
Тема 3.1 Структура и характеристики памяти ЭВМ	Содержание учебного материала					2
	1		Память: назначение, характеристики, классификация. . Иерархическая структура памяти. Регистровая память, кэш-память, оперативная память (ОП), внешняя память. Виртуальная, физическая и логическая память. Страничная организация памяти Адресуемая ячейка памяти				2
	Практические занятия					6
	1		Изучение системной платы intel x86
	2		Работа с оперативной памятью. Способы адресации ОП
	3		Исследование устройства и работы памяти DRAM
Тема 3.2. Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ,ROM,CMOS)	Содержание учебного материала					6
	1		Назначение ПЗУ. Принцип хранения информации в ПЗУ. Режимы работы ПЗУ: запись, хранение, считывание, стирание. Классификация ПЗУ в зависимости от технологии изготовления, способа записи, хранения и стирания информации. Информация хранимая в ПЗУ				2
	2		Назначение CMOS. Принцип хранения информации в CMOS. Режимы работы CMOS: запись, хранение, считывание, стирание.
	3		Исследование устройства и работы памяти CMOS
Тема 3.3 Физическая структура микропроцессора	Содержание учебного материала					4
	1		Физическая структура микропроцессора (МП): ядро МП, исполняющий модуль, АЛУ целочисленной арифметики, регистры, блок АЛУ с плавающей точкой, кэш чисел и команд, блоки декодирования инструкций, их спекулятивного исполнения и предсказания ветвлений, интерфейсные шины и связь с системной шиной. Функциональные части МП.				1
	2	Интерфейсная часть: адресные регистры МПП, блок регистров команд, регистры памяти для хранения кодов команд, схемы управления шинами и портами.
	Практическое занятие					2
	1	Работа с оперативной памятью. Определение физических, логических адресов и объём памяти.
Тема 3.4 Устройство управления	Содержание учебного материала					6
	1	Устройство управления: функциональная схема, назначение основных узлов. Состав УУ: регистр команд (РК), дешифратор операций, ПЗУ микропрограмм, узел формирования адреса, внутренняя интерфейсная шина данных, адреса, инструкций.					1
	2	Процессор, микропроцессор и их функции. Основы программирования микропроцессора: выбор и дешифрация команд из основной памяти (ОП), выбор данных из регистров общего назначения и микропроцессорной памяти, обработка данных и их запись в ОП (регистры), выработка управляющих сигналов, выбор очередной команды и т.п. Связь между отдельными блоками при обработке данных.
	3	Характеристики процессора (микропроцессора). Тактовая частота задающего генератора, системной шины и шины данных. Разрядность МП; разрядность адресной шины (адресное пространство). Кэш-память: кэш-память первого уровня (L1), встроенная, и кэш-память второго уровня (L2), выносная.
Тема 3.5 Арифметико-логическое устройство (АЛУ)	Содержание учебного материала					6
	1	АЛУ: назначение, характеристики, состав. Регистры, сумматор, контроллер (блок управления операциями).					1
	2	Общие принципы выполнения основных операций в АЛУ: сложение, вычитание, умножение, деление.
	3	Микрооперации, набор микроопераций для каждого кода операций. Цикличность в процессе выполнения операций
Тема 3.6 Обработка информации в процессоре	Содержание учебного материала					4
	1	Микропроцессорная память: назначение, состав. Универсальные регистры (регистры общего назначения). Сегментные регистры. Регистры смещения. Регистры флагов					1
	2	Обработка информации в процессоре. Понятие рабочего цикла, рабочего такта. Выполнение одно-, двух-, трехадресных команд в составе ядра ЭВМ.
	Практическое занятие					2
	1	Определение состояния флагов
Тема 3.7 Интерфейсная часть микропроцессора	Содержание учебного материала					4
	1	Интерфейсная часть МП: назначение и состав. Порты ввода-вывода, адресные регистры микропрограммной памяти (МПП), узел формирования адреса, блок регистров команд, внутренняя интерфейсная шина микропроцессора (МП)
	2	Схемы управления шиной и портами ввода-вывода. Функции всех узлов. Общие понятия организации работы с устройствами ввода-вывода.
	Практическое занятие					2
	1	Работа с оперативной памятью. Определение емкости мк/сх и местонахождения данных в памяти
Тема 3.8. Основы программирования процессора	Содержание учебного материала
	1	Основные команды процессора: арифметические и логические команды, команды перемещения, сдвига, сравнения, команды условных и безусловных переходов, команды ввода-вывода.				6	1
	2	Подпрограммы. Виды и обработка прерываний.
	3	Этапы компиляции исходного кода в машинные коды и способы отладки. Использование отладчиков.
Тема 3.9 Организация процесса ввода- вывода	Содержание учебного материала					8
	1	Логическая структура современного персонального компьютера с одной, несколькими шинами для подключения устройств ввода-вывода.					1
	2	Интерфейс, системная шина. Характеристики системной шины: разрядность, тактовая частота, пропускная способность. Шины расширения. Локальные шины. Периферийные шины.
	3	Контроллеры: назначение и способы подключения. Прямой доступ к памяти, прерывания. Арбитраж шины.
	4	Подключение основных устройств ввода-вывода к ПК
	Практическое занятие					6
	1	Исследование и установка параметров системных ресурсов контроллеров внешних устройств
	2	Исследование параллельной передачи данных
	3	Исследование последовательной передачи данных
	Самостоятельная работа обучающихся: работа с конспектом, оформление практических и лабораторных работ					20
Раздел 4. Процессы обработки информации на всех уровнях компьютерных архитектур						18
Тема 4.1. Архитектура вычислительных систем	Содержание учебного материала					6
	1	Архитектура ЭВМ параллельного действия: назначение и характеристики. Понятия потока команд и потока данных. Классификация ВС в зависимости от числа потоков команд и данных: ОКОД (SISD), ОКМД (SIMD), МКОД (MISD), МКМД (MIMD).					1
	2	ЭВМ с совместно используемой памятью: особенности, назначение. Архитектура многопроцессорных ВС с разными способами реализации памяти совместного использования: однородного доступа к памяти (UMA), неоднородного доступа к кэш-памяти (COMA). Сравнительные характеристики, аппаратные и программные особенности.
	3	Многомашинные ВС. Архитектура ВС с массовым параллелизмом (MPP) - суперЭВМ. Архитектура сети рабочих станций (NDW) и кластера рабочих станций (COW). Назначение, характеристики, особенности ВС. Высокоскоростная сеть сообщений; производительность процессора ввода-вывода; отказоустойчивость и др. Примеры систем МРР
Тема 4.2 Способы повышения быстродействия ЭВМ и ВС	Содержание учебного материала					8
	1	Основные принципы RISC процессоров: одновременное выполнение большого числа команд аппаратным обеспечением. Параллелизм на разных уровнях: микроопераций, команд, мелких и крупных структурных компонентов.					2
	2	Аппаратные и программные способы повышения быстродействия. Декодирование команд с определением ресурсов, необходимых для их выполнения Конвейеризация, буфер выборки с упреждением. Суперскалярная архитектура. Векторные компьютеры и др
	3	. Использование регистровой памяти при выполнении команд микропроцессором (не менее 32 регистров).
	4	Работа памяти только по командам загрузки (LOAD) и хранения (STORE). Параллелизм на уровне команд, на уровне процессоров.
	Практическое занятие					4
	1				Установка конфигурации ПЭВМ (часть 1)
	2				Установка конфигурации ПЭВМ (часть 2)
	Самостоятельная работа обучающихся: работа с конспектом, оформление практических и лабораторных работ					43
Консультации						8
Всего:						153

Для характеристики уровня освоения учебного материала используются следующие обозначения:

1.- ознакомительный (узнавание ранее изученных объектов, свойств);

2.- репродуктивный (выполнение деятельности по образцу, инструкции или под руководством)

3.- продуктивный (планирование и самостоятельное выполнение деятельности, решение проблемных задач)

3. УСЛОВИЯ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММЫ ДИСЦИПЛИНЫ * ИНФОРМАТИКА

3.1                   Требования к минимальному материально-техническому обеспечению

Реализация программы дисциплины требует наличия лекционного кабинета; 

Оборудование учебного кабинета: Персональные компьютеры и периферийные устройства ввода-вывода

Технические средства обучения: Персональные компьютеры и периферийные устройства ввода-вывода

Оборудование лаборатории и рабочих мест лаборатории:

Персональные компьютеры и периферийные устройства ввода-вывода

3.2      Информационное обеспечение обучения

·                 программное обеспечение общего и профессионального назначения.

Перечень рекомендуемых учебных изданий, Интернет-ресурсов, дополнительной литературы

Основные источники:

1.     Максимов Н. В. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем [Электронный ресурс]: Учебник / Н.В. Максимов, Т.Л. Партыка, И.И. Попов. - 3-e изд., перераб. и доп. - М.: Форум, 2016. - 512 с Режим доступа: http://znanium.com/bookread2.php?book=552537

2.                  Колдаев В. Д. Архитектура ЭВМ [Электронный ресурс]: Учебное пособие / В.Д. Колдаев, С.А. Лупин. - М.: ИД ФОРУМ: НИЦ ИНФРА-М, 2014. - 384 с..- Режим доступа: http://znanium.com/bookread.php?book=375092.

Дополнительные источники:

1.                 Максимов Н. В. Технические средства информатизации [Электронный ресурс]: Учебник / Н.В. Максимов, Т.Л. Партыка, И.И. Попов. - 4-e изд., перераб. и доп. - М.: Форум: НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 608 с..- Режим доступа: http://znanium.com/bookread2.php?book=410390.

4. КОНТРОЛЬ И ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ ИНФОРМАТИКА

Контроль и оценка результатов освоения дисциплины осуществляется преподавателем в процессе проведения самостоятельных ♦ работ, тестирования, а также выполнения обучающимися индивидуальных заданий, исследований, экзамена.

Результаты обучения (освоенные умения, усвоенные знания)

Формы и методы контроля и оценки результатов обучения

уметь: ·              определять оптимальную конфигурацию оборудования и характеристик устройств для конкретных задач; ·              идентифицировать основные узлы персонального компьютера, разъемы для подключения внешних устройств; ·     обеспечивать совместимость программных и аппаратных средств вычислительной техники; знать: ·                         построение цифровых вычислительных систем и их архитектурные особенности; ·                         принципы работы основных логических блоков системы; ·                         пареллелизм и конвейеризацию вычислений; ·                         классификацию вычислительных платформ; ·                         принципы вычислительных процессов в многоядерных системах; ·                         принципы работы кэш-памяти; ·                         методы повышения производительности многопроцессорных и многоядерных систем; ·        основные энергосберегающие технологии

Текущий контроль: -            рейтинговая оценка знаний студентов по дисциплине (ежемесячно). Промежуточный контроль: -Рубежный тестовый контроль по темам раздела Реферативная работа студентов по предлагаемой тематике; Итоговый контроль: -            экзамен. ! *

Приложение 1

Направленность освоенных умений И 

УСВОЕННЫХ ЗНАНИЙ на формирование КОМПЕТЕНЦИЙ  

в рамках изучения дисциплины

Информационная безопасность и защита информации

Требования к умениям и знаниям

Формируемые компетенции

уметь: У 1. определять оптимальную конфигурацию оборудования и характеристик устройств для конкретных задач; У 2. идентифицировать основные узлы персонального компьютера, разъемы для подключения внешних устройств; У 3. обеспечивать совместимость программных и аппаратных средств вычислительной техники; знать: З 1 построение цифровых вычислительных систем и их архитектурные особенности; З 2 принципы работы основных логических блоков системы; З 3 пареллелизм и конвейеризацию вычислений; З классификацию вычислительных платформ; З 5 принципы вычислительных процессов в многоядерных системах; З 6 принципы работы кэш-памяти; З 7 методы повышения производительности многопроцессорных и многоядерных систем; З 8 основные энергосберегающие технологии

ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес. ОК 2. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.  ОК 3. Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность. ОК 4. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития. ОК 5. Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности. ОК 6. Работать в коллективе и команде, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.  ОК 7. Брать на себя ответственность за работу членов команды (подчиненных), результат выполнения заданий. ОК 8 Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации. ОК 9. Ориентироваться в условиях частой смены технологий в профессиональной деятельности. ПК 1.2. Обрабатывать результаты полевых измерений. ПК 1.3. Составлять и оформлять планово-картографические материалы. ПК 1.5. Подготавливать материалы аэро- и космических съемок для использования при проведении изыскательских и землеустроительных работ. ПК 3.3. Устанавливать плату за землю, аренду, земельный налог. ПК 4.1. Обеспечивать содержание проектных операций. ПК 4.4. Определять ресурсы проектных операций..