Схемотехника и организация вычислительных систем

Кафедра информатики и автоматизации научных исследований

Специальность: Прикладная информатика

Преподаватель: Басалин П.Д.

Целью освоения дисциплины «Схемотехника и организация вычислительных систем» является изучение базовых принципов организации, схемотехнических и конструктивно-технологических основ современной вычислительной техники. При этом основное внимание уделено архитектуре, функциональным узлам и элементной базе современных цифровых вычислительных систем, развивающихся в направлении увеличения тактовых частот процессоров, конвейеризации выполнения инструкций, распараллеливания вычислительных структур на уровне команд и на уровне алгоритмов, а также ряда других архитектурных усовершенствований, способствующих повышению эффективности вычислительного процесса.

Вычислительные системы (ВС), как предмет изучения, представляют интерес в двух аспектах. Во-первых, как средства технического обеспечения информационных систем различного назначения (САПР, АСУ, АСНИ, АОС и т.д.). Во-вторых, как объект проектирования в САПР цифровой микроэлектронной аппаратуры. Поэтому их рассмотрение в рамках данного курса организовано на стыке двух традиционных  дисциплин: «Цифровая схемотехника» и «Архитектура ЭВМ». Этим преследуется двойная цель: более детально преподнести материал, связанный с аппаратной частью архитектуры ЭВМ, и заложить основы для направлений специализации в области автоматизации проектирования цифровой микроэлектронной аппаратуры.

Вместе с тем, материал курса не предполагает глубокого проникновения в области микроэлектроники, аналоговой и цифровой схемотехники и других направлений, характерных для вузов технической направленности.  При необходимости знакомство с этими направлениями может быть осуществлено по рекомендованной литературе.

Данная дисциплина относится к базовой части профессионального цикла ООП. Наряду с другими дисциплинами, дающими представление о базовых принципах организации ВС и технологий их использования в качестве аппаратной основы  информационных систем (ИС) различного назначения, данная дисциплина способствует расширению этого представления до глубины уровней аналоговой и цифровой схемотехники, микроархитектуры памяти, процессоров и интерфейсов ВС. Для освоения дисциплины необходимо знание основ электротехники (на уровне школьной программы) и алгебры логики.

 

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

Знать:

- базовые принципы организации цифровых ВС, их основных функциональных подсистем и модулей;

- представление базисных логических элементов на уровне аналоговой схемотехники;

- типовые функциональные узлы комбинационной и последовательностной логики и их применение в основных модулях ВС;

- многоуровневую организацию памяти цифровой ВС, базовые логические схемы адресной памяти (архитектуры 2D, 3D и 2DM), принципы функционирования и пути развития современных микросхем динамической, статической и энергонезависимой памяти;

- базовые принципы функционирования процессоров на микроархитектурном уровне и основные направления их развития (конвейеризация, суперскалярность, предсказание ветвлений и т.д.);

- общее представление архитектуры шинного интерфейса, назначение системных шин расширения и локальных шин, объединяющих основные подсистемы и модули в единую ВС;

- основные типы архитектур ВС параллельного действия на уровне общего представления;

Уметь:

- проводить сравнение конкретных архитектур ВС и их модулей по различным критериям (аппаратной сложности, производительности и т.д.);

- оценивать перспективы развития архитектур ВС;

Владеть:

-  общим представлением базовых принципов организации ВС, отражающим суть протекающих в них процессов и механизмов управления ими.

Содержание

1. ОБЩЕЕ МНОГОУРОВНЕВОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ АРХИТЕКТУРЫ ВС. Понятия ВС, архитектуры ВС. Многоуровневое представление архитектуры ВС. Базовый естественно-математический уровень. Аналоговый уровень. Уровень цифровой схемотехники. Системотехнический уровень. Микроархитектурный уровень. Уровень машинных команд. Уровень операционной системы. Уровень языка ассемблера. Алгоритмические языки высокого уровня. Проблемно-ориентированные языки систем предписывающего и декларативного типа.

2. АНАЛОГОВЫЙ УРОВЕНЬ. Базовые аналоговые элементы. Электронные аналоги, аналоговые процессоры. Аналоговые схемы логических элементов. Выходы логических элементов: логический, с открытым коллектором (стоком), с открытым эмиттером (истоком), с третьим состоянием.

3. УРОВЕНЬ ЦИФРОВОЙ СХЕМОТЕХНИКИ. Цифровые элементы: логические, запоминающие, буферные. Функциональные узлы комбинационной логики: дешифратор, мультиплексор, демультиплексор, компаратор, схема сдвига, схема контроля четности, комбинационные сумматоры, арифметико-логическое устройство. Функциональные узлы и устройства последовательностной логики: асинхронные и синхронные защелки, триггеры, регистры, регистровый файл, счетчик.

4. СИСТЕМОТЕХНИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ. Архитектура фон Неймана – основа цифровых вычислительных машин: принцип программного управления, концепция хранимой в памяти программы. Магистрально-модульный принцип организации ВС. Состояние и перспективы развития элементной базы современных ВС: понятие интегральной микросхемы (ИС), ИС с точки зрения их сложности, ИС с точки зрения методов проектирования, проблемы уменьшения размеров транзисторов и повышения степени интеграции СБИС/УБИС, конструктивно-технологическая база и альтернативные вычислительные платформы от функциональной микроэлектроники.

5. АРХИТЕКТУРА ПАМЯТИ ВС. Назначение, основные параметры и общее представление иерархии запоминающих устройств (регистры, многоуровневая кэш-память, основная память, энергонезависимая память, специализированная память). Базовые принципы организации адресной памяти: обобщенные структуры памяти 2D, 3D и 2DM. Микросхемы и модули динамической памяти: состав входных и выходных сигналов микросхем асинхронной динамической памяти (DRAM) и базовый режим их функционирования, микросхемы FPM DRAM, EDO DRAM, BEDO DRAM, микросхемы синхронной динамической памяти (SDRAM) и управление ими, микросхемы DDR SDRAM, DDR2 SDRAM, DR DRAM, XDR DRAM, VC DRAM, CDRAM, EDRAM, модули динамической памяти SIPP, SIMM, DIMM, RIMM. Статическая память и ее применение для кэширования основной памяти: микросхемы статической памяти (Async SRAM, SB SRAM, PB SRAM) как элементная база кэш-памяти, базовые принципы организации кэш-памяти, кэш прямого отображения, наборно-ассоциативный кэш, полностью ассоциативный кэш. Энергонезависимая память: постоянная память ROM, PROM, EPROM (UVEPROM, EEPROM), флэш-память, ферроэлектрическая память FRAM. Полупроводниковая последовательная память: принцип продвижения данных, принцип сканирования данных.

6. АРХИТЕКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРОВ. Базовые принципы организации микропроцессора: операционный автомат, управляющий автомат, схема взаимодействия операционного и управляющего автоматов, процессор с жесткой логикой, процессор с программируемой логикой, внутренние и сложные команды, интерпретация как технология развития архитектуры ВС, архитектура CISC (на примере процессоров IA-32), архитектура RISC (на примере процессоров SPARC), системы команд процессоров  IA-32 и SPARC, архитектура VLIW, организация процессоров IA-32 на микроархитектурном уровне (конвейеризация выполнения команд, динамическое предсказание переходов, суперскалярность, переименование регистров, технология продвижения данных), особенности  микропроцессоров  IA-64, современные одноядерные и многоядерные процессоры Intel.

7. ШИННЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ ВС. Шинные интерфейсы как средства объединения подсистем и модулей в единую ВС. Общее представление архитектуры шинного интерфейса: понятие шины, внутренние шины процессора, внешние (системные) шины, адресные линии, линии данных, линии управления, задающие и подчиненные устройства, шинные формирователи, буферные регистры, порты ввода-вывода, периферийные адаптеры, контроллеры, карты расширения, синхронные и асинхронные шины, арбитраж шины (централизованный, децентрализованный). Системная шина расширения: шины ISA/EISA. Локальные шины: шина кэш-памяти, шина основной памяти, шины PCI, AGP. Периферийные шины SCSI, IDE/EIDE. Последовательные шины USB, PCI Express.

Литература

а) основная литература

  1. Таненбаум Э. Архитектура компьютера.- СПб.: Питер, 2002.- 704 с.
  2. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника.- СПб.: БХВ-Петербург, 2001.-528 с.
  3. Гук М. Аппаратные средства IBM РС. Энциклопедия, 2-е изд.- СПб.: Питер, 2003.- 928 с.
  4. Бройдо В.Л., Ильина О.П. Архитектура ЭВМ и систем: Учебник для вузов.-СПб.: Питер, 2006.- 718с.
  5. Петров К.С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: Учебное пособие.- СПб.: Питер, 2004.- 522 с.

б) дополнительная литература

  1. Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И., Телец В.А. Изделия электронной техники. Цифровые микросхемы. Микросхемы памяти. Микросхемы ЦАП и АЦП.: Справочник / Под ред. А.И.Ладика и А.И.Сташкевича.- М.: Радио и связь, 1994.- 248 с.
  2. Калабеков Б.А. Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов: Учебное пособие для вузов.- М.: Радио и связь, 1988.- 368 с.
  3. Шагурин И.И., Бердышев Е.М. Процессоры семейства P6 – Pentium II, Pentium III, Celeron и другие. Архитектура, программирование, интерфейс.- М.: Горячая линия – Телеком.- 2000.- 248 с.
  4. Березин А.С., Мочалкина О.Р. Технология и конструирование интегральных микросхем: Учебное пособие для вузов/ Под ред. И.П.Степаненко.- М.: Радио и связь, 1983.- 232 с.

Отчетность

  • Семестр 4: Экз