Читайте также:
|
Цели и задачи дисциплины
Изучение дисциплины «Организация ЭВМ и систем» имеет целью приобретение студентами знаний об основных принципах построения современных ЭВМ, основах функциональной и структурной организации ЭВМ и систем; овладение основными приемами и методами программного управления средствами вычислительной техники.
В результате изучения курса студенты должны знать принципы организации и функционирования аппаратных средств ЭВМ различного назначения; понимать и анализировать архитектуру многомашинных и многопроцессорных вычислительных систем; иметь представление о тенденциях развития архитектур ЭВМ, вычислительных систем, комплексов и сетей.
Содержание разделов программы дисциплины
1. Общие положения
Основные принципы построения ЭВМ. Функциональная и структурная организация ЭВМ. Иерархические уровни организации ЭВМ.
Гарвардская и принстонская архитектуры. Принципы программного управления фон Неймана.
Классификации и характеристики ЭВМ (классификация по поколениям, по назначению, по функциональным возможностям)
2. Архитектура данных ЭВМ
Виды данных, используемых в ВМ. Символьные, логические и арифметические данные. Основные форматы представления символьной информации: ASCII, Unicode (UTF-8, UTF-16). Представление логических данных.
Представление численных данных. Двоичная и шестнадцатеричная системы счисления. Прямой, обратный, дополнительный и модифицированный дополнительный коды числа. Правила выполнения арифметических операций в зависимости от кода числа. Форматы с фиксированной точкой и формат с плавающей точкой. Диапазон и точность представления чисел в зависимости от формата.
Формат представления данных IEEE754.
3. Архитектура системы команд ЭВМ.
Хронология развития ЭВМ по типам архитектуры систем команд (СК).
Классификация СК по составу и сложности команд (CISC-архитектура, RISC-архитектура и VLIW-архитектура). Классификация СК по месту хранения операндов (стековая, аккумуляторная, регистровая, с выделенным доступом к памяти).
Типы команд: арифметико-логические, пересылки данных, управления потоком команд, ввода-вывода, управления системой, работы со строками, и т.д.
Форматы команд ЭВМ: структура команды, длина команды. Адресность команды.
Способы адресации. Непосредственная адресация операнда. Прямая адресация операндов. Косвенная адресация операндов. Способы адресации со смещением: относительная, базовая регистровая и индексная адресация. Страничный и блочный способы адресации. Стековая адресация.
4. Функциональная и структурная организация процессора
Структурная схема процессора. Характеристики процессора.
Регистровые структуры центрального процессора. Основные функциональные регистры.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Структура и классификация АЛУ. Структурный базис АЛУ. Операционные автоматы с жесткой и с магистральной структурой. Базис выполнения логических операций. Алгоритмы и операционные базисы основных арифметических операций (сложение, вычитание, умножение и деление) над числами с фиксированной точкой. Порядок обработки чисел, представленных в формате с плавающей точкой.
Назначение центрального устройства управления (УУ). Основные этапы выполнения команды процессором. Структура УУ, состав управляющей части и адресной части. Микропрограммный автомат (МПА) с жесткой логикой и процесс его синтеза. МПА с микропрограммной логикой: структура МПА, задачи блока формирования адреса микрокоманды. Способы адресации микрокоманд (естественная и принудительная) способы кодирования микроопераций (вертикальное, горизонтальное, смешанное)
Основные направления повышения производительности процессоров. Конвейеризация вычислений: принцип организации конвейеров, классификация, показатели эффективности. Организация конвейера команд, возникающие при этом конфликты (риск структурный, риск по данным, риск по управлению) и методы предотвращения конфликтов. Предсказание условных переходов. Суперскалярные и суперконвейерные процессоры. Сочетание в процессоре CISC- и RISC-архитектур.
5. Организация памяти ЭВМ
Иерархическая структура памяти. Принцип локальности по обращению. Основные характеристики памяти. Организация внутренней памяти процессора. Оперативная память (ОП) и методы управления ОП.
Распределение памяти фиксированными разделами. Размещение памяти с перемещаемыми разделами. Организация виртуальной памяти. Страничное, сегментное и странично-сегментное распределение.
Организация ассоциативной памяти. Методы организации кэш-памяти. Кэш с прямым отображением, с ассоциативным отображением и с ассоциативно-секционированным отображением. Методы обновления строк в основной памяти.
6. Организация системы прерывания программ. Организация ввода-вывода.
Общие принципы организации системы прерывания программ. Характеристики системы прерываний. Программно-управляемый приоритет прерывающих программ. Организация перехода к прерывающей программе. Принципы организации подсистемы ввода/вывода. Ввод-вывод с прерыванием программы; ввод–вывод в режиме прямого доступа к памяти. Каналы и интерфейсы ввода-вывода. Типы и характеристики стандартных шин. Классификация, характеристики и тенденции развития периферийных устройств.7. Вычислительные системы.
Параллельные вычисления как средство повышения эффективности вычислений. Показатели эффективности параллелизма.
Классификация вычислительных систем. Основные топологии вычислительных систем. Вычислительные системы классов SIMD и MIMD.
Особенности организации памяти вычислительных систем.
Контрольные задания
В течение семестра каждый студент должен выполнить одну контрольную работу. По результатам ее выполнения оценивается усвоение студентом программного материала. Номер варианта контрольной работы соответствует последней цифре шифра студента. Каждый вариант контрольной содержит вопросы и задачи по основным разделам дисциплины.
Перед каждым ответом должен быть написан вопрос. При переведении чисел из десятичной системы счисления в двоичную следует не только записывать конечный результат, но и приводить промежуточные вычисления.
Рекомендуется делать ссылки на используемую литературу.
Варианты контрольных работ
Вариант 0
1. Опишите структуру микропрограммного устройства управления центрального процессора, функции и порядок взаимодействия его основных блоков.
2. Даны два числа: А1=2310 и А2=–7310. Переведите числа в двоичную систему счисления, сложите их в прямом, обратном, дополнительном и модифицированном дополнительном кодах.
3. Дано число 365,12310. Переведите это число в двоичную и шестнадцатеричную систему счисления. Представьте данное число в одинарном формате стандарта IEEE754.
4. Данные представлены в формате с плавающей запятой. Старший бит – знаковый, три бита – порядок со смещением, младшие четыре бита – мантисса со скрытой единицей. Определите диапазон и точность представляемых в таком формате числовых данных.
5. Опишите порядок выборки операндов при индексной и индексной регистровой адресации.
Вариант 1
1. Опишите организацию блока регистров центрального процессора, их назначение и классификацию.
2. Даны два числа: А1=4210 и А2=–4310. Переведите числа в двоичную систему счисления, сложите их в прямом, обратном, дополнительном и модифицированном дополнительном кодах.
3. Дано число –534,31210. Переведите это число в двоичную и шестнадцатеричную систему счисления (прямой код). Представьте данное число в одинарном формате стандарта IEEE754
4. Данные представлены в формате с плавающей запятой. Старший бит – знаковый, три бита – порядок, младшие четыре бита – мантисса со скрытой единицей. Определите диапазон и точность представляемых в таком формате числовых данных.
5. Опишите иерархическую структуру организации памяти ЭВМ.
Вариант 2
1. Опишите процедуру выполнения команд условного и безусловного переходов и процедуру выполнения команды вызова подпрограммы; проведите их сравнение.
2. Даны два числа: А1=1810 и А2=–6610. Переведите числа в двоичную систему счисления, сложите их в прямом, обратном, дополнительном и модифицированном дополнительном кодах.
3. Дано число 436,25810. Переведите это число в двоичную и шестнадцатеричную систему счисления. Представьте данное число в одинарном формате стандарта IEEE754
4. Данные представлены в формате с плавающей запятой. Старший бит – знаковый, три бита – порядок со смещением, младшие четыре бита – мантисса. Определите диапазон и точность представляемых в таком формате числовых данных.
5. Опишите особенности организации и использования ЗУ прямого и последовательного доступов.
Вариант 3
1. Опишите порядок умножения/деления чисел, представленных в формате с плавающей запятой.
2. Даны два числа: А1=–5210 и А2=3310. Переведите числа в двоичную систему счисления, сложите их в прямом, обратном, дополнительном и модифицированном дополнительном кодах.
3. Дано число –500,12810. Переведите это число в двоичную и шестнадцатеричную систему счисления (прямой код). Представьте данное число в одинарном формате стандарта IEEE754
4. Данные представлены в формате с плавающей запятой. Старший бит – знаковый, три бита – порядок, младшие четыре бита – мантисса. Определите диапазон и точность представляемых в таком формате числовых данных.
5. Опишите особенности организации естественной и принудительной адресации команд в МПА устройства управления, проведите сравнение этих способов.
Вариант 4
1. Опишите основные особенности CISC-архитектуры и RISC-архитектур; проведите сравнение эффективности их использования
2. Даны два числа: А1=–6510 и А2=4010. Переведите числа в двоичную систему счисления, сложите их в прямом, обратном, дополнительном и модифицированном дополнительном кодах.
3. Дано число 147,72510. Переведите это число в двоичную и шестнадцатеричную систему счисления. Представьте данное число в одинарном формате стандарта IEEE754.
4. Данные представлены в формате с плавающей запятой. Старший бит – знаковый, два бита – порядок со смещением, младшие пять бит – мантисса со скрытой единицей. Определите диапазон и точность представляемых в таком формате числовых данных.
5. Опишите порядок выборки операнда при непосредственной и прямой адресации; укажите основные достоинства и недостатки этих способов адресации.
Вариант 5
1. Опишите порядок сложения/вычитания чисел, представленных в формате с плавающей запятой
2. Даны два числа: А1=4610 и А2=–3710. Переведите числа в двоичную систему счисления, сложите их в прямом, обратном, дополнительном и модифицированном дополнительном кодах.
3. Дано число –387,32410. Переведите это число в двоичную и шестнадцатеричную систему счисления (прямой код). Представьте данное число в одинарном формате стандарта IEEE754.
4. Данные представлены в формате с плавающей запятой. Старший бит – знаковый, четыре бита – порядок со смещением, младшие семь бит – мантисса со скрытой единицей. Определите диапазон и точность представляемых в таком формате числовых данных.
5. Опишите функции счетчика команд процессора и особенности выборки операнда при адресации со смещением.
Вариант 6
1. Опишите структуру и принцип действия ассоциативных запоминающих устройств.
2. Даны два числа: А1=5410 и А2=–8310. Переведите числа в двоичную систему счисления, сложите их в прямом, обратном, дополнительном и модифицированном дополнительном кодах.
3. Дано число 438,65410. Переведите это число в двоичную и шестнадцатеричную систему счисления. Представьте данное число в одинарном формате стандарта IEEE754.
4. Данные представлены в формате с плавающей запятой. Старший бит – знаковый, два бита – порядок, младшие пять бит – мантисса со скрытой единицей. Определите диапазон и точность представляемых в таком формате числовых данных.
5. Опишите особенности организации вычислительных систем классов SIMD и MIMD.
Вариант 7
1. Приведите структуру центрального процессора, построенного по принстонской архитектуре, перечислите его основные функции и опишите порядок действий при выполнении арифметико-логических команд.
2. Даны два числа: А1=7210 и А2=–7610. Переведите числа в двоичную систему счисления, сложите их в прямом, обратном, дополнительном и модифицированном дополнительном кодах.
3. Дано число –219,56310. Переведите это число в двоичную и шестнадцатеричную систему счисления (прямой код). Представьте данное число в одинарном формате стандарта IEEE754.
4. Данные представлены в формате с плавающей запятой. Старший бит – знаковый, два бита – порядок со смещением, младшие пять бит – мантисса. Определите диапазон и точность представляемых в таком формате числовых данных.
5. Опишите особенности и порядок выборки операндов при базовой и базовой регистровой адресации.
Вариант 8
1. Опишите принцип организации стековых ЗУ и область их применения; опишите особенности работы стековой памяти типов LIFO и FIFO2. Даны два числа: А1=–7510 и А2=2410. Переведите числа в двоичную систему счисления, сложите их в прямом, обратном, дополнительном и модифицированном дополнительном кодах.
3. Дано число 503,75810. Переведите это число в двоичную и шестнадцатеричную систему счисления. Представьте данное число в одинарном формате стандарта IEEE754.
4. Данные представлены в формате с плавающей запятой. Старший бит – знаковый, два бита – порядок, младшие пять бит – мантисса. Определите диапазон и точность представляемых в таком формате числовых данных.
5. Опишите особенности косвенной, регистровой и косвенной регистровой адресации; опишите порядок выборки операнда.
Вариант 9
1. Приведите структуру центрального процессора, построенного по гарвардской архитектуре, перечислите его основные функции и опишите порядок действий при выполнении арифметико-логических команд.
2. Даны два числа: А1=4510 и А2=–9310. Переведите числа в двоичную систему счисления, сложите их в прямом, обратном, дополнительном и модифицированном дополнительном кодах.
3. Дано число –125,23410. Переведите это число в двоичную и шестнадцатеричную систему счисления (прямой код). Представьте данное число в одинарном формате стандарта IEEE754.
4. Данные представлены в формате с плавающей запятой. Старший бит – знаковый, четыре бита – порядок, младшие семь бит – мантисса со скрытой единицей. Определите диапазон и точность представляемых в таком формате числовых данных.
5. Опишите структуру команды, перечислите основные поля команды; каким образом определяется длина команды.
Библиографический список
Дата добавления: 2015-02-16; просмотров: 93 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |