Базы данных

Бакалавриат 2020/2021

Статус: Курс обязательный (Программная инженерия)

Направление: 09.03.04. Программная инженерия

Кто читает: Кафедра информационных технологий в бизнесе (Пермь)

Где читается: Факультет экономики, менеджмента и бизнес-информатики

Когда читается: 2-й курс, 1, 2 модуль

Формат изучения: с онлайн-курсом

Преподаватели: Лядова Людмила Николаевна, Суворов Александр Олегович

Язык: русский

Кредиты: 5

Контактные часы: 64

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Настоящая программа учебной дисциплины устанавливает требования к образовательным результатам и результатам обучения студента и определяет содержание и виды учебных занятий и отчетности. Программа предназначена для преподавателей, ведущих дисциплину «Архитектура вычислительных систем», учебных ассистентов и студентов направления подготовки 09.03.04 Программная инженерия, обучающихся по образовательной программе «Программная инженерия».

Цель освоения дисциплины

накомство с основными принципами организации и функционирования современных вычислительных систем, а также с направлениями совершенствования архитектуры вычислительных систем (ВС) на уровне, достаточном для применения полученных компетенций в практике проектирования и создания программного обеспечения (ПО), инструментальных средств разработки ПО

Планируемые результаты обучения

Знает определение архитектуры, прикладной и системной архитектуры
Способен читать и анализировать исходный код программ, написанных на машинно-ориентированных языках Умеет применять средства конструирования новых типов на основе стандартных типов Знает и может использовать на практике основные управляющие структуры и средства их реализации Способен разрабатывать программы с использованием команд FPU, расширения системы команд MMX, SIMD
Знает и может применить на практике возможности системной архитектуры Intel: способен использовать системные функции, подготовлен к разработке системного программного обеспечения
Имеет представление об ограничениях традиционной архитектуры
Имеет представление об основных направления совершенствования архитектуры ВС
Способен читать и анализировать исходный код программ, написанных на машинно-ориентированных языках, в кодах процессоров, определять данные и выделять управляющие конструкции, строить по коду на машинно-ориентированном языке и машинному коду алгоритмы, реализованные данным кодом.
Умеет разрабатывать программы с использованием машинно-ориентированных языков.
Подготовлен к разработке трансляторов (генераторов кода) для процессоров с традиционной архитектурой
Знает и может применить на практике при разработке программ знания о представлении и кодировании информации, основные типы данных и средства их поддержки в современных процессорах
Умеет применять средства конструирования новых типов на основе стандартных типов с использованием возможностей адресации современных процессоров
Знает и может использовать на практике основные управляющие структуры и средства их реализации в современных процессорах
Способен разрабатывать программы с использованием команд FPU, расширения системы команд MMX, SIMD
Имеет представление о иерархии запоминающих устройств, организации взаимодействия различных механизмов управления памятью.
Знает способы организации оперативной памяти, механизмы защиты памяти.
Имеет представление о поддержке виртуальной памяти
Знает и может использовать на практике средства обработки прерываний, особенности обработки внешних прерываний и исключений
Имеет представление об аппаратной поддержке мультизадачности, может применить знания на практике при разработке многопоточных приложений

Содержание учебной дисциплины

Раздел 1. Введение в дисциплину
Тема 1. Понятие архитектуры Понятие системы, вычислительной системы (ВС). Понятие архитектуры. Аппаратное и программное обеспечение. Системная и прикладная архитектура. Архитектура фон Неймана: структура традиционной ВС и основные принципы организации, ограничения, понятие семантического разрыва. Семейство процессоров Intel 80x86: общая характеристика семейства, особенности процессоров разных поколений. Тема 2. Тенденции совершенствования архитектуры ВС Совершенствование ВС: основные направления. Повышение степени параллелизма – основное направление совершенствования архитектуры современных ВС. Уровни параллелизма. Общая классификация архитектур ВС по признакам наличия параллелизма в потоках команд и данных (классификация по Флинну): ОКОД (SISD, Single Instruction stream over a Single Data stream); ОКМД (SIMD, Single Instruction, Multiple Data); МКОД (MISD, Multiple Instruction Single Data); МКМД (MIMD, Multiple Instruction Multiple Data). Понятие конвейеризации, типы конвейеров. Совершенствование системы команд и конвейеризация вычислений. Понятие RISC, CISC, VLIW и конвейеризация вычислений. Конвейеризация вычислений в различных моделях процессоров Intel. Многопроцессорные системы, классификация. Проблемы эффективного параллелизма. Архитектура высокопроизводительных систем. Потоковые архитектуры. Вычислительные сети. Нейрокомпьютеры. Совершенствование элементной базы и тенденции развития архитектуры ВС
Раздел 2. Прикладная архитектура процессоров Intel
Тема 3. Типы данных Понятие типа, примеры. Базовые типы. Типы данных процессоров Intel: числа (целые со знаком и без знака, числа с плавающей точкой, двоично-десятичные данные, строки битов, массивы). Тема 4. Адресация памяти Регистровая память процессоров Intel: классификация регистров, регистры общего назначения и их использование в программах. Организация и адресация оперативной памяти. Линейная организация памяти и относительная адресация. Режимы адресации (на примере Intel). Особенности организации и адресации стека. Адресация кода. Тема 5. Система команд Понятие системы команд. Классификация команд. Форматы команд. Система команд процессоров Intel: форматы команд и команды по группам (арифметические и логические команды, команды сдвигов, команды пересылок, команды десятичной арифметики, команды работы со строками и цепочками битов, команды передачи управления, команды управления процессором, поддержка языков высокого уровня). Тема 6. Расширения системы команд Расширение системы команд и понятие сопроцессора. Расширение системы команд: команды FPU, команды MMX, SIMD и пр.
Раздел 3. Системная архитектура процессоров Intel
Тема 7. Иерархия запоминающих устройств и управление памятью Типы запоминающих устройств. Иерархия ЗУ: принципы организации. Понятие кэш-памяти, типы. Виртуализация памяти. Пример иерархии ЗУ в компьютерах, построенных на базе процессоров Intel. Способы организации памяти. Сегментация памяти и страничная организация. Организация оперативной памяти в Intel, блок управления памятью и схема трансляции адресов. Понятие виртуальной памяти и принципы реализации. Особенности управления памятью и виртуальная память в процессорах Intel. Защита памяти: кольцевая защита (по уровням привилегий), изоляция адресных пространств (на примере Intel). Организация ввода/вывода и защита внешних устройств. Тема 8. Механизм прерываний Понятие прерывания и классификация прерываний (на примере процессоров Intel). Общая схема обработки прерываний. Обработка прерываний в процессорах Intel. Программируемые контроллеры прерываний и обработка внешних прерываний. Исключения и их обработка. Тема 9. Поддержка мультизадачности Понятие задачи и мультизадачности (на примере процессоров Intel). Сегмент состояния задачи, дескриптор задачи. Схема переключения задач.

Элементы контроля

Реферат (самостоятельная работа)
Контрольная работа
Самостоятельная работа (домашнее задание) ) по системе команд ALU
Самостоятельная работа (домашнее задание) по использованию расширений системы команд (FPU и MMX)
Письменный опрос (контрольная работа) по темам раздела «Системная архитектура процессоров Intel
Экзамен
Для студентов, выполнивших контрольную работу (по проектированию БД и использованию SQL) и все проекты, предусмотренные программой дисциплины (лабораторные работы, индивидуальное задание по анализу требований и проектированию БД, командный проект по разработке приложения, предназначенного для разработки БД и приложений), на оценки не ниже «хорошо» (6-7 баллов), оценка за экзамен формируется по накопленной оценке, формула для расчёта которой приведена в программе дисциплины. Если по результатам оценки отчётов о выполнении проектов и контрольной работы, получены более низкие оценки («удовлетворительно» или «неудовлетворительно») или работы не были выполнены, студент должен сдать экзамен. Экзамен проводится без использования прокторинга. Экзамен проводится в форме теста по теоретическим вопросам курса, который выполняется в LMS в установленное для проведения экзамена время (в течение 40 минут) с обязательным подключением к конференции Zoom с включённым микрофоном и видеокамерой, и практического задания, которое выполняется студентом также в течение 40 минут (результаты выполнения задания загружаются в LMS). Требования к компьютеру и программному обеспечению определяются возможностью использования программного обеспечения, необходимого для выполнения практического задания (MS Access, MS Word), подключения к LMS для прохождения теста и загрузки отчёта о выполнении практического задания, а также требованиями подключения к конференции Zoom: 1) наличие постоянного интернет-соединения со скоростью передачи данных, достаточной для участия в конференции Zoom с использованием видеокамеры и прохождения теста в LMS; 2) наличие исправной и включенной в течение всего времени сдачи экзамена веб-камеры (включая встроенные в ноутбуки); 3) наличие исправного и включенного в течение всего времени сдачи экзамена микрофона (включая встроенные в ноутбуки). Для подключения к Zoom используется та же ссылка, что и при проведении лекций по дисциплине.

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (2 модуль)
0.1 * Контрольная работа + 0.1 * Письменный опрос (контрольная работа) по темам раздела «Системная архитектура процессоров Intel + 0.1 * Реферат (самостоятельная работа) + 0.2 * Самостоятельная работа (домашнее задание) ) по системе команд ALU + 0.1 * Самостоятельная работа (домашнее задание) по использованию расширений системы команд (FPU и MMX) + 0.4 * Экзамен

Программа дисциплины