О.Ю. Заславская, О.Я. Кравец, А.Э. Говорский

АРХИТЕКТУРА КОМПЬЮТЕРА

И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

(лекции, лабораторные работы, контрольные

задания)

Учебник

Рекомендовано учебно-методическим объединением

по образованию в области прикладной информатики

в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по специальности и направлению «Прикладная информатика»

и другим экономическим специальностям Воронеж «Научная книга»

2011 УДК 378.147.31 ББК 74.580я731-6+74.261.2я731-6 З-36 Рецензенты:

Кафедра автоматизированных и вычислительных систем Воронежского государственного технического университета (зав. кафедрой - Заслуженный деятель науки Российской Федерации, доктор технических наук, профессор С.Л.Подвальный);

В.В.Гриншкун, доктор педагогических наук, профессор (Московский городской педагогический университет) З-36 Заславская, О.Ю. Архитектура компьютера и вычислительных систем (лекции, лабораторные работы, контрольные задания): Учебник/ О.Ю. Заславская, О.Я. Кравец, А.Э. Говорский; под ред. чл.-корр.

РАО, д-ра техн. наук профессора С.Г. Григорьева. – Воронеж: «Научная книга», 2011. – 300 с.

ISBN 978-5-98222-747- Издание ориентировано на специфику подготовки специалистов в области прикладной информатики, вычислительных машин и в области педагогики по специальности «Информатика». Материалы дают общую связную картину развития компьютерной техники и организации вычислительных систем - от возникновения до наших дней; стимулируют учебную работу студентов, их мышление и речь, развивают исследовательские способности.

Книга адресована преподавателям системы высшего профессионального образования и студентам. Полезна эта книга будет преподавателям и студентам в системе среднего профессионального образования, ориентированным на подготовку специалистов по специальности «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».

УДК 378.147. ББК 74.580я731-6+74.261.2я731- З- © О.Ю.Заславская, О.Я.Кравец, ISBN 978-5-98222-747- А.Э.Говорский, Оглавление Предисловие научного редактора

От авторов

Введение

В.1. Предмет дисциплины и особенности ее изучения

В.2. Цели и задачи курса

В.3. Требования к уровню освоения содержания курса

Часть 1. Структура компьютера

1. История развития вычислительной техники

1.1. Эволюция вычислительной техники

1.2. Основы информационной теории и техники

1.2.1. Принцип двоичного кодирования

1.2.2. Принцип программного управления

1.2.3. Принцип однородности памяти

1.2.4. Принцип адресности

1.3. Классификация вычислительных машин

1.4. Понятие об архитектуре компьютера

1.4.1. Уровни детализации структуры вычислительной машины.... 1.4.2. Понятие архитектуры

1.4.3. Особенности архитектуры современных компьютеров.......... 1.4.4. Подходы к построению классификации архитектуры компьютера

Контрольные вопросы

Лабораторные работы

Задания для самостоятельной работы

2. Способы представления информации в компьютере

2.1. Основные элементы двоичного кода

Методические указания

2.2. Системы счисления

2.3. Кодирование информации

2.3.1. Прямой, обратный и дополнительный коды

2.3.2. Примеры выполнения операций

Контрольные вопросы

Лабораторные работы

Задания для самостоятельной работы

Практикум

Часть 2. Функциональные устройства компьютера

3. Центральный процессор

3.1. Принципы построения процессора

3.2. Микропроцессор

3.3. Регистры микропроцессора

3.3.1. Регистры общего назначения

3.3.2. Регистры сегментов

3.3.3. Указатель команды IP

3.3.4. Регистры смещений

3.3.5. Регистр флагов

3.4. Исполнение и отладка команд

3.4.1. Принципы исполнения команд

3.4.2. Отладка команд

3.5. Память, к которой могут адресоваться микропроцессоры............... 3.6. Структура и функции центрального процессора

3.6.1. Общие сведения о центральном процессоре

3.6.2. Основные характеристики центрального процессора........... 3.6.3. Функциональная организация фон-неймановской вычислительной машины

3.6.4. Схемотехнические решения

3.6.5. Принцип работы центрального процессора

3.7. Управление шиной и памятью микропроцессора

3.8. Многопроцессорные (многоядерные) системы

3.8.1. Сферы применения многоядерных процессоров

3.8.2. Основные классы многоядерных процессоров (many-core, multi-core, MIMD, SIMD, SMP, MMP)

3.8.3. Архитектура современных многоядерных систем................ Контрольные вопросы

Лабораторные работы

Задания для самостоятельной работы

4. Устройства хранения информации

4.1. Характеристики и свойства памяти компьютера

4.1.1. Структура памяти компьютера

4.1.2. Классификация запоминающих устройств

4.1.3. Характеристики систем памяти

4.2. Оперативная память. ПЗУ и ППЗУ. Принципы записи и считывания информации

4.2.1. Оперативные запоминающие устройства

4.2.2. Постоянные запоминающие устройства

4.2.3. Энергонезависимые оперативные запоминающие устройства

4.2.4. Кэш-память

4.2.5. Понятие виртуальной памяти

4.3. Внешняя память компьютера

4.3.1. Общие сведения об устройствах хранения информации...... 4.3.2. Устройство гибких магнитных дисков

4.3.3. Устройство жестких дисков и их параметры

4.3.4. Устройства со смешанными носителями

4.3.5. Сменные жесткие диски

4.3.6. Компакт-диски CD

4.3.7. DVD-носители и накопители

4.3.8. Стриммеры

4.3.9. Носители информации на флэш-памяти

Контрольные вопросы (тест)

Лабораторные работы

Задания для самостоятельной работы

5. Системы ввода/вывода. Устройства ввода

5.1. Общие сведения о системе ввода/вывода

5.2. Внешние устройства

5.3. Обмен информацией

5.4. Методы управления вводом/выводом

5.4.1. Программно управляемый ввод/вывод

5.4.2. Система прерываний

5.4.3. Порты ввода/вывода

5.5. Устройства ввода данных, их разновидности и основные характеристики

5.5.1. Клавиатура компьютера

5.5.2. Мышь

5.5.3. Дигитайзер

5.5.4. Сканеры

5.5.5. Цифровые фото- и видеокамеры

5.5.6. Цифровой микрофон

Контрольные вопросы (тесты)

Лабораторные работы

Часть 3. Компьютер – элемент вычислительной системы.................. 6. Устройства вывода информации

6.1. Мониторы

6.1.1. ЭЛТ-мониторы

6.1.2. ЖК-мониторы (LCD)

6.1.3. Мониторы, использующие плазменную технологию........... 6.1.4. Сферы применения мониторов

6.2. Принтеры

6.3. Плоттеры

6.4. Звуковые системы

6.5. Проекторы

6.5.1. 3-D проекторы

6.5.2. Интерактивная доска

Контрольные вопросы

Лабораторные работы

Задания для самостоятельной работы

7. Интерфейсы вычислительной системы – типы, назначение, принципы работы

7.1. Архитектура системных интерфейсов

7.2. Интерфейс PCI

7.3. Интерфейс AGP

7.4. Интерфейс PCI Express

7.5. Интерфейсы накопителей

7.5.1. ATA/133 (Parallel ATA, UltraDMA/133 или E-IDE)............... 7.5.2. Serial ATA (SATA)

7.5.3. Разъёмы питания и стандарты ATX

7.6. Внешние интерфейсы для подключения периферии

7.6.1. USB

7.6.2. IEEE-1394 / FireWire / i.Link

7.6.3. Сетевые интерфейсы

7.6.4. Иные интерфейсы

Контрольные вопросы (тест)

Лабораторные работы

Практикум

1. Устройство компьютера

2. Системная (материнская) плата

3. Анализ состава и оценка производительности персонального компьютера

4. Тестирование компьютера

Справочная информация

Задания для самостоятельной работы

8. Средства сетевой интеграции в вычислительные системы............ 8.1. Виды модемов

8.2. xDSL-модемы

8.2.1. Общее описание технологий xDSL

8.2.2. Технология ADSL

8.2.3. Ресурсы линии и скорости ADSL

8.3. Беспроводные сети

8.3.1. WiFi

8.3.2. Немного о истории создании WiFi

8.3.3. Как работает WiFi

8.3.5. Достоинства технологии WiFi

8.4. Голос по IP (VoIP)

8.4.1. Технология VoIP

8.4.2. История создания и развития технологии VoIP

8.4.3. Преимущества технологии VoIP

8.4.4. Недостатки технологии VoIP

8.4.5. Виды соединений

8.4.6. Стандарты и протоколы

8.4.7. Качество сервиса

8.5. Конвертеры и повторители

8.6. Концентраторы (hub)

8.7. Коммутаторы (switch)

Вопросы и ответы

Вопросы и ответы про ADSL

Вопросы и ответы про WiFi

9. Лабораторный практикум по изучению архитектуры компьютера и организации вычислительных систем

9.1. Изучение элементов персонального компьютера и их характеристик

9.2. Работа с накопителями информации

9.3. Установка и настройка звуковой карты. Виды синтеза звука........ 9.4. Установка сканера. Работа с программами распознавания текста. 9.5. Видеосистема персонального компьютера

9.6. Источники бесперебойного питания (ИБП)

9.7. Сетевое и локальное и подключение печатающих устройств, программные и аппаратные настройки

9.8. Подключение модема. Работа с программами передачи информации по модему

Рекомендуемая литература и источники