Рабочая программа по курсу: "Структурная и функциональная организация эвм" (название дисциплины) для специальности

Рабочая программа учебного курса «Структурная и функциональная организация ЭВМ» составлена доцентом кафедры ЭВМ Кобяком И.П. на основе базовых учеб-

ных программ по дисциплинам «Вычислительные машины, системы и сети»

и «Корпоративные вычислительные сети», утвержденных председателем УМО

вузов Республики Беларусь по образованию в области электроники и информати-

ки 03.06.2003. Регистрационный № ТД-40-024/тип.

программы, дата утверждения, регистрационный номер)

Рассмотрена рекомендована к утверждению на заседании

кафедры: электронных вычислительных машин

(название кафедры)


Приказ № 43 от
"28"____06_______2004 г.
Заведующий кафедрой ЭВМ

Р.Х.Садыхов

Одобрена и рекомендована к утверждению Научно-методическим советом (методической комиссией): факультета КС и С

"30"____06______ 2004 г.
Председатель комиссии
Н.И.Мельник

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ. ЕЕ МЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

Основная цель курса - изучение принципов построения узлов и блоков ЭВМ, принципов проектирования вычислительных устройств и мик­ропроцессорных схем. Изучение характера влияния уровня развития элементной базы на архитектуру компьютера.

В результате изучения курса студент должен уметь: правильно вы­бирать алгоритмы решения задач и исследовать эффективность их реали­зации в проектируемой ЭВМ; разрабатывать структуры вычислительных ус­тройств, отдельные узлы и блоки; оптимизировать структуру компьютера с учетом переходных процессов в отдельных подсистемах; выполнять эму­ляцию узлов ЭВМ в микропроцессорной среде; иметь навыки микропрограм­мирования и программирования пользовательских задач с учетом заданно­го комплекта микропроцессорных БИС.

Курс базируется на сведениях, излагаемых в дисциплинах: "Арифметические и логические основы вычислительной техники», «Прикладная теория цифровых автоматов" и "Схемотехника ЭВМ".

Курс используется при изучении дисциплин специализации Т40 02 01, в курсовом и дипломном проек­тировании.

2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Весенний семестр

Наименование тем, их содержание и объем в часах лекционных за­нятий (в скобках указывается рекомендуемая литература по данному вопросу, курсивом выделены, темы рассматриваемые на лекциях).

2.1. Введение. Принцип действия ЭВМ. Неймановские принципы построения компьютеров. Принстонская и Гарвардская архитектуры компьютеров. Современное состояние развития архитектур процессоров. Обобщенная структура машины. (Л:[5.1.6] стр.5-7) …………………………………………………………………………………… 1 час.

2.2. Память ЭВМ




2.2.1. Иерархия памятей ЭВМ. Организация ЗУ с произвольным доступом. Организация ЗУ с двумерной адресацией и двунаправленной шиной данных (ЛЛ: [5.1.6] и [5.1.1] стр. 212) ……………………………………………………………………. самостоятельно
2.2.2. Постоянное запоминающее устройство. Компановка ОЗУ из модулей памяти. Включение ПЗУ в адресное пространство ОЗУ ЭВМ. Перек­лючаемые банки памяти (Л:[5.1.5] стр.10). ………………….……………………………………………………………. самостоятельно
2.2.3. Динамическое ЗУ. Схема регенерации ЗУ по прерыванию. Схема регенерации ЗУ с двухтактной записью адреса. (Л:[5.1.5] стр.15)………………………………. самостоятельно
2.2.4. Стековое запоминающее устройство. Аппаратная реализация стековой памяти. Ассоциативное ЗУ (АЗУ). Структурная схема, фун­кционирование и область применения (Л:[5.1.5] стр.24)………………..……………………………………. самостоятельно
2.3. Проектирование процессоров (Л:[5.1.8] стр.1-82)

2.3.1. Процессоры с фиксированной архитектурой. Синтез канонической структуры операционного автомата (ОА)…………………………………………………. 1 час

2.3.2. Типовые элементы структуры ОА….………………………. самостоятельно
2.3.3. Синтез ОА с управляющей логикой....…………………….. самостоятельно

2.3.4. Синтез ОА М-типа .……………………………………………. самостоятельно
2.3.5. Структурная организ. и синтез ОА I-типа …………………… самостоятельно

2.3.6. Структурная организация и синтез IМ-автоматов. Использование ЗУ в памяти автомата. Класс S-автоматов ………………………………………………. самостоятельно

2.3.7. Секционированные микропроцессоры. Микропроцессорная секция К1804ВС1

……………………………………………………………………………………………. 2 часа
2.3.8. Особенности построения операционных устройств на базе МПК серии К1804 (Л: [5.2.4] стр.37).
2.3.9. Микропрограммирование. Горизонтальный, вертикальный и смешанный способы кодирования микроопераций. ………..…………………………………………. 2 часа
2.3.9. Очередь команд. Особенности конвееризации команд [5.2.10.стр.515-546] ………….……………………………………………………………..……… самостоятельно

2.4. Устройства управления ЭВМ

2.4.1. Управляющие автоматы с жесткой логикой (Л:[5.1.7] стр.117). …………….

……………………..………………………………………………………... самостоятельно
2.4.2. Управляющие автоматы с программируемой логикой. Принудительная адресация в автомате Уилкса (Л:[5.1.7] стр.117) ……………………………… самостоятельно
2.4.3. Естественная адресация микрокоманд. Функциональная схема управляющего автомата с естественной адресацией (Л:[5.1.6] стр.115)…………………. самостоятельно

2.4.4. Микроминиатюрная реализация устройств управления. Секция управления адресом микрокоманды К1804ВУ1 (Л:[5.1.4] стр.108)…………………... самостоятельно
2.4.5. Блок микропрограммного управления. Организация условных и безусловных переходов в микропрограммах (Л:[5.1.4] стр.136)……………………….. самостоятельно
2.4.6. Реализация автоматов на БИС программируемой логики…... самостоятельно

2.5. Организация ввода-вывода)




2.5.1. Устройства ввода-вывода. Подключение портов к общей шине. Временные диаграммы сигналов при обмене данными через порт ввода-вывода (Л: [5.1.3] стр.3). ………………………………………………………………………………... самостоятельно
2.5.2. Структурная организация порта ввода-вывода. Координация взаимодействия ЭВМ с периферийным устройством. Схема обмена дан­ными между компьютером и внешним устройством (Л:[5.1.3] стр.10)./……………………………………………………….. самостоятельно

2.5.3. Ввод-вывод по прерыванию. Векторная система обработки прерываний: а) с идентификацией устройств при помощи адресов; б) с шифратором приоритетов; в) с преобразователем начального адреса. Схе­ма обмена информацией при обработке прерываний (Л:[5.1.3] стр.16)…………………………………………………………………………….. самостоятельно

2.5.4. Структура аппаратных средств и временные диаграммы машинных циклов при вводе-выводе данных [5.2.10.стр.115-117] ………………………….. самостоятельно

2.5.5. Последовательный ввод-вывод. Синхронный и асинхронный обмен информацией (Л:[5.1.3] стр.21)……….………………………………………….. самостоятельно
2.5.6. Организация ПДП. Подключение клавиатуры и индикации к портам ввода-вывода (Л:[5.1.3] стр.25) ……….………………………………………….. самостоятельно

Лабораторные работы

2.6. Изучение пакета проектирования цифровых устройств «Альтера HDL. Max2+plus» (л.р.) (Л:[5.2.8])…………………………………………………………...4 часа

2.7. Программные средства пакета (л.р.) (Л:[5.2.8]). …………………………..4 часа


Практические занятия

2.8. Структурная организация компьютерных подсистем (Л:[5.1.4]) ……… 2 часа

Контрольные работы

2.9. Контрольная работа N1. «Синтез операционного автомата» (Л:[5.1.8]).

Всего под руководством преподавателя: 16 часов

+ самостоятельно

3. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Осенний семестр

Наименование тем, их содержание и объем в часах лекционных занятий (в скобках указывается рекомендуемая литература по данному вопросу, курсивом выделены, темы рассматриваемые на лекциях).

3.1. Элементы архитектуры компьютерных систем (Л:[5.2.6])




3.1.1. Адресные структуры основной памяти. Команды машины и их размещение в памяти. Слово состояния процессора…………………………….……….. самостоятельно
3.1.2. Способы адресации операндов в памяти. Прямая и непосредственная адресация. Косвенная и косвенная регистровая, регистровая автоинкрементная и автодекрементная, индексная и базово-индексная ад­ресация данных. ……………..самостоятельно
3.1.3. Адресация операндов с использованием программного счетчика. Непосредственная и абсолютная, относительная и косвенная отно­сительная адресация……………………………………………………………………………. самостоятельно
3.1.4. Стековая адресация памяти …………………………………… самостоятельно
3.1.5. Форматы команд и структура аппаратных средств для выполнения команд компьютера……………………………………………………………..…… самостоятельно
3.1.6. Форматы команд ПК………………………………..……………………. 2 часа
3.1.7. Система команд компьютера. Команды арифметических и логических операций. Команды пересылки, передачи управления и обраще­ния к подпрограммам. Команды ввода-вывода. ……………..……………………………..……………………. 2 часа
3.2. Специальные вопросы организации памяти ЭВМ

3.2.1. Память мультипрограммных компьютеров. Методы защиты оперативной памяти (Л: [5.1.5] стр.28).……..……………………………..………………………. 2 часа

3.2.2. Виртуальная память. Способы вычисления виртуальных адресов. Применение АЗУ для формирования адресов (ЛЛ: [5.1.5] стр. 33 и [5.1.6])…….самостоятельно

3.3. Принципы организации специализированных ЭВМ

3.3.1. Элементная база специализированных ЭВМ. Микропроцессорная секция Am2903 (Л: [5.1.4] стр. 13).………………………………………………… самостоятельно

3.3.2. Переход от алгоритма к структуре. Оптимизация структурной схемы спецкомпьютера (Л: [5.2.6])…………………………………………………….. самостоятельно

Лабораторные работы

3.4. Структурная схема, индикация и алгоритмы управления микропроцессорной лабораторией на базе комплекта интегральных микросхем се­рии 1810 (л.р.) …….. 2 часа
3.5. Изучение системы ввода-вывода в микропроцессорной лаборатории на базе схем МПК 1810 (л.р.) ……………………………………………………..……………. 2 часа
3.6. Изучение эффективности конвееризации команд в микропроцессоре К1810 (л.р.) ………………………………………………………………………………………2 часа
3.7. Изучение алгоритмов и аппаратуры вывода текста на светодиодные индикаторы (л.р.) ……………………………………………………………..………………….. 2 часа
Практические занятия

3.8. Структурная организация компьютерных подсистем (Л:[5.1.4])……..….. 2 часа

Контрольные работы

3.9. Контрольная работа N2. «Проектирование блока обработки данных» (Л:[5.1.8]).

Всего под руководством преподавателя: 16 часов

+ самостоятельно

4. КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему:

"Проектирование микрокомпьютера на МПК 1804"

Общие требования к проекту.

Курсовой проект представляется в виде:
4.1. Пояснительная записка, объемом 50 страниц, оформленная в соответствии с СТП-12-01-78.
4.2. Графическая часть, состоящая из 2-х чертежей - структурной схемы микрокомпьютера (формат А1) и функциональной электрической схемы, заданного блока системы (формат А1). Графическая часть оформляется в соответствии с ЕСКД.
В ходе курсового проектирования предусматривается проведение консультаций. Темы занятий выбираются в соответствии с графиком курсового проектирования и могут быть скорректированы ходом реального выполнения проектов.

Содержание пояснительной записки

Введение.

1. Разработка архитектуры специализированного микрокомпьютера.

1.1. Анализ известных реализаций спецкомпьютеров, критика аналогов проектируемой

системы, формулирование требований к разрабаты­ваемому микрокомпьютеру.

1.2. Проектирование алгоритмов, выбор состава макроопераций и программирование задач.

1.3. Разработка обобщенной структуры микроЭВМ на основе алго­ритмов решения задач.

2. Проектирование основных структурных компонентов схемы микрокомпьютера.
2.1. Разработка схемы блока обработки данных.

2.2. Проектирование ЗУ микрокомпьютера.

2.3. Разработка устройства управления.

2.4. Разработка системы ввода-вывода данных.

3. Проектирование внутреннего интерфейса микрокомпьютера.
3.1. Проектирование системы адресации.

3.2. Включение системы прерываний в схему устройства управле­ния спецкомпьютера.

3.3. Проектирование системы ПДП.

3.4. Разработка блока регенерации памяти.

4. Разработка микропрограммного обеспечения.
4.1. Формат микрокоманды. Микропрограммная интерпретация команд языка компьютера.

4.2. Разработка микропрограмм арифметических операций.

4.3. Разработка служебного микропрограммного обеспечения.

4.4. Разработка прикладного микропрограммного обеспечения.
Заключение.
!Проект сдается на проверку руководителю за три дня до защиты!
В процессе проектирования организуется промежуточный контроль (опроцентовка выполненной работы) в соответствии с календарным графиком кафедры.
Под руководством преподавателя: 2 часа

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЯ ПО КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ

Табл.исх.дан.

NN Данные ОЗУ компьют. п/п Способы Микропр. П.З. адресации Емк. Тип БИС Разряд. Код операндов Кбайт ИС ОЗУ БОД
1 2 3 4 5 6 7 1. 12 1.Прямая 6.0 541РУ1 1804ВС2 2. 16 доп. 2.Косвенная 128.0 541РУ1 1804ВС2 3. 20 код регистр. 375.0 541РУ2 1804ВС2 4. 24 3.Автоинкр. 3840.0 565РУ7 1804ВС1 5. 28 4.Баз.-инд. 3584.0 565РУ7 1804ВС1
6. 20 1.Прямая 800.0 565РУ6 1804ВС1 7. 24 обр. 2.Непосред. 960.0 565РУ6 1804ВС1 8. 28 код 3.Автоинкр. 420.0 541РУ31 1804ВС2 9. 32 4.Относи- 2048.0 541РУ32 1804ВС2 10. 28 тельная 840.0 541РУ3 1804ВС2
11. 28 1.Прямая 840.0 541РУ3 1804ВС2 12. 32 пр. 2.Косвенная 1024.0 565РУ7 1804ВС1 13. 36 код регистр. 4096.0 565РУ7 1804ВС2 14. 40 3.Автоинкр. 3840.0 565РУ7 1804ВС2 15. 44 4.Косвен. 4224.0 565РУ7 1804ВС2 относит.

2-я часть таблицы исх.данных

NN БИС БИС порты Сис.прер. Канал. Программное обеспеч.

п/п ПЗУ БМУ ввода- уров/ист. ПДП

мкком. вывода арифм.опер. Тест. ОЗУ
8 9 10 11 12 13 14



1. 556РТ5 1804ВУ4 1804ИР3 2\12-15 1024 ln x_i рис.3.4

12\6 слова x_i=(a_i+b_i)²

2. 556РТ17 1804ВУ4 1804ИР3 2\12-15 1024 cos x, рис.3.5

12\6 слова x=sum a_i

3. 556РТ12 1804ВУ4 1804ИР3 2\12-15 1024 ln(1+x) рис.3.6

12\6 слова x=sum a_i

4. 556РТ13 1804ВУ2 1804ИР3 2\12-15 1024 ln x_i рис.3.7

12\6 слова x_i=ba_i

5. 556РТ14 1804ВУ2 1804ИР3 2\12-15 1024 (1-x)^-1, рис.3.8

12\6 слова x_i=ba_i
2-я часть таблицы исх.данных (продолжение)


NN БИС БИС порты Сис.прер. Канал. Программное обеспеч.

п/п ПЗУ БМУ ввода- уров/ист. ПДП

мкком. вывода арифм.опер. Тест. ОЗУ
8 9 10 11 12 13 14

6. 556РТ14 1804ВУ1 1804ИР3 2\8-11 512 ch x рис.3.9

8\8 слов x=sum a_i

7. 556РТ14 1804ВУ1 1804ИР3 2\8-11 512 ln x рис.3.10

8\8 слов x=sum a_i

8. 556РТ14 1804ВУ2 1804ИР3 2\8-11 512 ln(1-x_i) рис.3.11

8\8 слов x_i=ba_i

9. 556РТ14 1804ВУ2 1804ИР3 2\8-11 512 sin x рис.3.12

8\8 слов x=sum a_i

10. 556РТ14 1804ВУ4 1804ИР3 2\8-11 512 ln x_i рис.3.13

8\8 слов x_i=a_i²+ b_i²

11. 556РТ14 1804ВУ2 1804ИР3 2\12-15 256 cos x рис.3.14

12\8 слов x=sum a_i

12. 556РТ14 1804ВУ1 1804ИР3 2\12-15 256 ln x рис.3.15

12\8 слов x=sum a_i

13. 556РТ14 1804ВУ2 1804ИР3 2\12-15 256 ln(1- x_i) рис.3.16

12\8 слов x_i=ba_i

14. 556РТ14 1804ВУ2 1804ИР3 2\12-15 256 ch x рис.3.17

12\8 слов x=sum a_i

15. 556РТ14 1804ВУ4 1804ИР3 2\2-15 256 ln x_i рис.3.18

12\8 слов x_i=a_i²+ b_i²



Примечание. Тесты ОЗУ в п.14 таблицы заданий должны быть взяты из справочника - Гордонов А.Ю. Полупроводниковые БИС запоминающих устройств. - М.: Радио и связь, 1986.

5. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЛИТЕРАТУРА




5.1.Основная литература.

5.1.1. Гивоне Д., Россер Р. Микропроцессоры и микрокомпьютеры. Вводный курс. Пер. с англ. - М.:Мир, 1983.

5.1.2. Хвощ С.Т. и др. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления. Справочник. Под общ. ред. С.Т. Хвоща - Л.: Машиностроение, 1987.

5.1.3. Кобяк И.П. Организация ввода-вывода в компьютерных систем. Методическое пособие для выполнения контрольных работ курсового и дипломного проектирования по ТиП ЭВМ и СиФО ЭВМ -Мн.:БГУИР,1996.

5.1.4.Булгаков С.С. и др. Проектирование цифровых систем на комплектах микропрограммируемых БИС. Под ред. В.Г. Колесникова. - М.: Радио и связь, 1984.
5.1.5. Кобяк И.П. Организация памяти компьютерных систем. Методическое пособие для выполнения контрольных работ курсового и дипломного проектирования по ТиП ЭВМ и СиФО ЭВМ -Мн.:БГУИР,2000.
5.1.6. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы - М.: Энергоатомиздат, 1985.
5.1.7. Майоров С.А., Новиков Г.И. Структура электронных вычис­лительных машин - Л., Машиностроение, 1979, 384 с.

5.1.8. Кобяк И.П. Процессоры компьютерных систем. Синтез операционных автоматов. Методическое пособие по курсовому и дипломному проектированию по ТиП ЭВМ и СиФО ЭВМ - Мн.:БГУИР,2003.

5.2. Дополнительная литература.

5.2.1. Майоров С.А. Введение в микроЭВМ. - Л.: Машиностроение, 1988.
5.2.2. Мотока Т. Компьютеры на СБИС. Кн. 1,2. - М.: Мир, 1988.
5.2.3. Мячев А.А. Интерфейсы вычислительных систем на базе мини и микроЭВМ. - М.: Радио и связь, 1986.

5.2.4. Калабеков Б.А. Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов. - М.: Радио и связь,1988.

5.2.5. Бруснецов Н.П. Микрокомпьютеры. - М.: Наука. Гл. ред. физ.- мат. литературы, 1985.
5.2.6. Кобяк И.П. Архитектура компьютерных систем. Методическое пособие для выполнения контрольных работ курсового и дипломного проектирования по ТиП ЭВМ и СиФО ЭВМ. Часть 1 и 2 -Мн.:БГУИР,2000.
5.2.7. Лабораторные работы по курсам "ТиП ЭВМ и С" и "Микропроцессоры".Часть 2/А.А.Добулевич, И.П.Кобяк - Мн.: БГУИР,1995.
5.2.8. Компьютерное описание пакета проектирования «Альтера HDL. Max2+plus».
5.2.9. Мик Дж., Брик Дж. Проектирование микропроцессорных устройств с разрядно- модульной организацией связей.- М.: Мир, 1984.
5.2.10. Столингс У. Структурная организация и архитектура компьютерных систем. Пер. с англ. 5-е изд.-М.: «Вильямс», 2001, 892 с.
5.2.11. Таненбаум Э. Архитектура компьютерных систем. Пер. с англ. 4-е изд.- М.: «ПИТЕР», 2002, 698 с.
5.2.12. Угрюмов Е. Цифровая схемотехника.-М.: «С.-Петербург», 2001, 518 стр.
5.2.13. Гук М. Процессоры «PENTIUM». Архитектура, интерфейс, программирование..-СПб.: «ПИТЕР», 1999, 288 с.
5.1.14. Шагурин И.И. Процессоры семейства Intel P6. Архитектура, программирование, интерфейс. – М.: «Телеком», 2000, 248 с.
5.1.15. Рудометов Е. Материнские платы и чипсеты. - СПб.: «ПИТЕР»,2000, 256 с.
5.1.16. Грушвицкий Р. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики. - СПб.: «ПИТЕР», 2002, 608 с.

5.2.17. Гук М. Аппаратные интерфейсы. Энциклопедия. - СПб.: «ПИТЕР», 2002, 528 с.

5.2.19. Кун С. Матричные процессоры на СБИС. Пер. с англ. - М.: «Мир», 1991.
5.3.Перечень наглядных пособий и другого методического обеспе­ченя для проведения занятий.
5.3.1. Университетские аудитории, оборудованные учебным телевидением.
5.3.2. Кафедральная лаборатория, оснащенная макетами МТ1804, устройствами Микролаб 1810, персональными компьютерами.
5.3.3. Учебные демонстрационные плакаты - МТ1804. Схема структурная, БМУ МТ1804, БИС 1804ВС1 и др.


6. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ КАРТА ДИСЦИПЛИНЫ

Весенний семестр

ТАБЛ. 1

№№ №№ Наименование вопросов, Лаб. Исп. Самост. Форма

нед. тем изучаемых на лекции раб. пособ. раб. конт.


1 2.3.1 Процессоры с фиксированной 2.6

архитектурой.

2.3.7 МПС К1804ВС1. 2.7 5.3.2 - TO

2.3.9 Микропрограммирование.

2

3

4

Осенний семестр

ТАБЛ. 2

№№ №№ Наименование вопросов, Лаб. Практ. Исп. Форма

нед. тем изучаемых на лекции раб. занят. пособ. конт.


1 3.1.6 Форматы команд PC AT 3.4 3.12 5.3.4

3.1.7 Система команд ПК 3.5 5.24

3.2.1 Память мультипрограммных ПК 3.6-3.7 ТО


2

3

4

Форма 3

ПРОТОКОЛ СОГЛАСОВАНИЯ РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЫ

с другими дисциплинами специальности

на 200 __/___ учебный год

Название ди- Кафедры, Предложения Решение,

сциплин, изу- обеспечивающие кафедр об принятое

чение которых преподавание изменениях кафедрой,

опирается на этих дисцип- в содержании разработав-

данную дисци- лин рабочей про- шей данную

плину граммы раб.прог.

(Протокол N,

дата).

1 2 3 4

Выпускающая кафедра ________________________________



Согласовано:

Зав.кафедрой____________________________( )

Зав.кафедрой____________________________( )

Зав.кафедрой____________________________( )

Зав.кафедрой____________________________( )

Форма 4

Дополнения и изменения в рабочей программе



на 2004/2005 учебный годы

В рабочую программу вносятся следующие изменения:

Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры: Электронных вычислительных машин

Заведующий кафедрой

"____"________2005 г. протокол N____ ________ Р.Х.Садыхов

"____"________2005 г. протокол N____ ________ Р.Х.Садыхов

Внесенные изменения «Утверждаю»

Декан ФКСиС
"____"_________2005 г. _______________ А.В. Ломако
"____"_________2005 г. _______________ А.В. Ломако