МУ к практическим работам. МУ к практическим работам Архитектура КС. Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине Архитектура компьютерных систем
 Скачать 0.85 Mb.
|
|
АНПОО «КОЛЛЕДЖ ВОРОНЕЖСКОГО ИНСТИТУТА ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по выполнению лабораторных работ по дисциплине АРХИТЕКТУРА КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ программы подготовки специалистов среднего звена Специальность 09.02.03 Программирование в компьютерных системах Квалификация выпускника – техник-программист Воронеж 2017 Введение Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Архитектура компьютерных систем» предназначены для обучающихся по программе подготовки специалистов среднего звена специальность 09.02.03 Программирование в компьютерных системах квалификация выпускника – техник-программист Цель методических указаний: помощь обучающимся в выполнении лабораторных работ по дисциплине «Архитектура компьютерных систем». Настоящие методические указания содержат работы, которые позволят обучающимся овладеть фундаментальными знаниями, профессиональными умениями деятельности по специальности, опытом творческой, проектной и исследовательской деятельности, и направлены на формирование следующих компетенций: - понимать сущность и социальную значимость своей будущей профес-сии, проявлять к ней интерес (ОК 1); - организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество (ОК 2); - принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность (ОК 3); - осуществлять поиск и использование информации необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития (ОК 4); - использовать информационно-коммуникационные технологии в про-фессиональной деятельности (ОК 5); - работать в коллективе и в команде, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями (ОК 6); - брать на себя ответственность за работу членов команды, за результат выполнения заданий (ОК 7); - самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации (ОК 8); - ориентироваться в условиях частой смены технологий в профессио-нальной деятельности (ОК 9). - выполнять разработку спецификаций отдельных компонент (ПК 1.1); - осуществлять разработку кода программного продукта на основе гото-вых спецификаций на уровне модуля (ПК 1.2); - осуществлять оптимизацию программного кода модуля (ПК 1.5); - решать вопросы администрирования базы данных (ПК 2.3); - реализовывать методы и технологии защиты информации в базах дан-ных (ПК 2.4); - анализировать проектную и техническую документацию на уровне вза-имодействия компонент программного обеспечения (ПК 3.1); - выполнять интеграцию модулей в программную систему (ПК 3.2); - осуществлять разработку тестовых наборов и тестовых сценариев (ПК 3.4). В результате выполнения лабораторных работ по дисциплины «Архитектура компьютерных систем» обучающиеся должны: -предоставить письменные отчеты по темам, - письменная работа должна иметь выводы или ответы по данной лабораторной работе. Описание каждой работы содержит: тему, цели работы, задания, алгоритм выполнения типовых задач, порядок выполнения работы, формы контроля, требования к выполнению и оформлению заданий. Лабораторная работа № 1 СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ И НАЗНАЧЕНИЕ ПК Цель занятия: изучить основные устройства ПК, их назначение и взаимосвязь; изучить основное и прикладное программное обеспечение ПК. 1. Теоретическая часть Основные устройства ПК. Прежде всего, компьютер, согласно принципам фон Неймана, должен иметь следующие устройства: арифметически-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции; устройство управления, которое организует процесс выполнения программ; запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных; внешние устройства для ввода-вывода информации. Память компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компьютера. Следует заметить, что в схеме устройства современных ПК арифметическо-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в единое устройство — центральный процессор. Рис. 1  Наиболее распространенным методом организации взаимодействия компонентов ЭВМ является подключение их посредством шин. Для обеспечения высокой производительности современные системы используют не одну, а несколько шин, которые образуют иерархическую структуру. Преимущества такой структуры состоит в том, что периферийные устройства с высокой производительностью довольно тесно интегрируются с процессором и в то же время могут функционировать самостоятельно, не загружая процессор. На рис.1 представлена структурная схема ПК с иерархической архитектурой, где имеется один центральный процессор, а контроллеры различных устройств выполняют функции периферийных процессоров. Обмен информации между устройствами осуществляется посредством шин.  Рис. 1. Структура компьютера на базе магистрали PCI Работа любого компьютера осуществляется благодаря взаимосвязи двух компонентов: аппаратной части (hardware) и программного обеспечения (software) (рис.2).  Рис.2 Системный блок с помощью разъемов (на задней стенке) и электрических кабелей связан со всеми устройствами ввода и вывода информации. Корпус. Предназначен для компактного расположения и фиксации всех остальных комплектующих ПК. Иногда поставляются сразу со встроенным блоком питания. Выпускаются несколько стандартов (ATX), описывающих допустимые размеры материнских плат и блоков питания, которые можно установить в данных корпус. Могут иметь встроенные порты: USB. Аудио (miniJack). eSATA. IEEE 1394. Жёсткий диск. Это устройство с энергонезависимой памятью, для хранения информации. Для ПК почти всегда используются винчестеры, форм-фактора 3,5?? и скоростью вращения 7200 об/мин. Существуют три вида жёстких дисков: HDD. Самые шумные, но самые дешёвые. По скорости запись/чтение на третьем месте. В случае выхода из строя, данные можно восстановить. Боятся ударных нагрузок. Ресурс практически не ограничен. SSD. Бесшумные, не боятся ударов и падений, максимально возможное быстродействие. При поломке, данные восстановить невозможно. Ресурс ограничен. Самые дорогие. H-HDD. Малораспространённая разновидность винчестеров. Это гибрид из двух вышеописанных моделей. Основная память на HDD + 1,5-2% от общего объёма на SSD. В один системный блок можно устанавливать несколько жёстких дисков. Некоторые материнские платы позволяют формировать из них RAID массивы. Центральный процессор (ЦП) — электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором. Изначально термин центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде. Главными характеристиками ЦПУ являются: тактовая частота, производительность, энергопотребление, нормы литографического процесса, используемого при производстве (для микропроцессоров) и архитектура. Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки данных, изобретённого Джоном фон Нейманом. Дж. фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году. Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти. Блок питания. вторичный источник электропитания, предназначенный для снабжения узлов компьютера электроэнергией постоянного тока путём преобразования сетевого напряжения до требуемых значений. В некоторой степени блок питания также выполняет функции стабилизации и защиты от незначительных помех питающего напряжения. Как компонент, занимающий значительную часть внутри корпуса компьютера, несет в своём составе (либо монтируемые на корпусе БП) компоненты охлаждения частей внутри корпуса компьютера. Подбирается с учётом корпуса, материнской платы и мощности. Имеет определённое количество коннекторов для подключения комплектующих системного блока. Материнская плата. Устройство для сопряжения всех комплектующих ПК. Её выбор определяет тип процессора и оперативной памяти. Почти все материнские платы имеют интегрированные аудио- и видеокарты. Их возможностей с избытком хватает для просмотра фильмов, прослушивания музыки и даже для несложных игр. Конфигурацию материнской платы характеризуют: Основными ее элементами можно назвать: Разъем для установки процессора (сокет CPU) — простыми словами — это гнездо для установки процессора; Слоты PCI и PCI Express — первые из-за своей низкой производительности используют для подключения ТВ-тюнеров, аудио и сетевых карт, а также других устройств, которым достаточно пропускной способности данного интерфейса. PCI Express, как правило, используется для подключения к ПК видеокарт; Слоты под ОЗУ— сюда вы устанавливаете планки оперативной памяти; SATA и IDE разъемы — они служат для подключения к компьютеру различных накопителей (жестких дисков, SSD). Также они используются для подключения привода оптических дисков; Чипсет — это набор микросхем, так называемые северный и южный мосты. Северный мост осуществляет контроль над взаимосвязью между системной платой с ОЗУ, графическим ускорителем, ЦП. А также регулирует быстроту их работы и подсоединяет к южному мосту, который осуществляет контроль над сбережением энергии, BIOS, часами системы, интерфейсами IDE, SATA, USB, LAN, Embeded Audio; Микросхема BIOS и батарейка питания CMOSпамяти — здесь находится ПО для запуска компьютера и его тестирования. В CMOS хранятся настройки BIOS, а для того, чтобы они не сбивались когда вы выключаете компьютер (данная память энергозависима) используется специальная батарейка, которая и питает память. Внешние разъемы — это все возможные выходы на наушники, микрофон, Ethernet, HDMI, USB и т.п; Разъемы для подключения питания — собственно, как сама материнка, так и процессор и система охлаждения требуют питания. Система охлаждения. Кулер и радиатор. Минимальное количество в одном системном блоке – 2 шт. Один монтируется на процессор, второй, на блок питания. 96% шума системного блока, производят кулеры системы охлаждения. Некоторые процессоры продаются сразу, с кулером и радиатором, в этом случае они имеют приставку в названии «BOX». Есть малораспространённая водяная система охлаждения. Она в 3-3,5 раза дороже, но зато работает бесшумно. Оперативная память. Это набор микросхем, в которых хранятся данные, необходимые для работы ПК на текущий момент. Устанавливаются в специальные гнёзда на материнской плате. На некоторых платах можно устанавливать сразу до 4 планок. Очень важно, чтобы все модули были из одной партии. Тактовая частота (Скорость обмена информацией с процессором) и объём оперативной памяти, напрямую влияют на быстродействие ПК. При выключении системного блока, все данные из оперативной памяти удаляются. Видеокарта, нужна для игр и работы со сложными программами редактирования видеофайлов. Устанавливается на все производительные компьютеры, но для обычного пользователя, для которого в первую очередь важны социальные сети, скайп и тому подобное, она в общем-то и не важна. Но без установки видеокарты главный процессор компьютера должен быть со встроенным графическим ядром. Привод оптических дисков. Из трёх видов: CD привод. Устаревший стандарт. DVD привод. Самый распространённый вариант. Blu-Ray привод. Более совершенный вид. Но достаточно дорогой. 2. Задания и порядок их выполнения Задание 1. Составить структурную схему персонального компьютера рабочего места в компьютерном классе. Для определения текущей конфигурации системы воспользуйтесь средством диагностики DirectX, входящего в состав операционной системы (доступ к средству можно получить через вызов команды (Выполнить: dxdiag), а также сведениями о системе (Выполнить: msinfo32). Порядок выполнения 1. Определите наличие и характеристики указанных компонентов системы согласно таблице 1. Таблица 1.Основные компоненты ЭВМ и их характеристики
2. Перечислите типы и интерфейсы подключения имеющихся внешних устройств (монитор, мышь, клавиатура, принтер, графический планшет, сканер, модем). 3. Составьте структурную схему ПК (см. рис. 1), внеся в нее данные об основных характеристиках компонентов из табл. 1. Задание 2. Определите функциональные возможности системы. Порядок выполнения 1. Разделите устройства, входящие в состав рассматриваемого ПК по следующим категориям, приведенным в таблице. Таблица 2 Основные виды внешних устройств
Обратите внимание, что одно и то же устройство может находиться в различных категориях. 2. Перечислите имеющиеся порты ввода/вывода, разделив их на категории: а) последовательные/параллельные; б) универсальные/специализированные. Для сбора информации используйте вкладку средства DirectX Ресурсы аппаратурыВвод/вывод. Обратите внимание, что в списке ресурсов находятся другие устройства, реализованные на системной плате или эмулируемые программным обеспечением, которые не указаны в п.1. Внесите соответствующие изменения в табл. 2. Контрольные вопросы. Назовите внешние устройства ПК. Назовите внутренние устройства ПК. Для чего предназначен процессор и каковы его характеристики? Что такое видеоконтроллер? ОЗУ и ПЗУ – это обязательные устройства? В чём отличие ОЗУ и ПЗУ? Для чего нужны дисководы? Для чего нужны винчестеры? Какими характеристиками отличаются друг от друга винчестеры? Список литературы 1. Максимов Н. В., Партыка Т. Л., Попов И. И. М17 Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: Учебник.. — М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005. — 512 с.: ил. — (Профессиональное образование). 2. Сенкевич А. В. Архитектура ЭВМ и вычислительные системы: учебник для студентов СПО – М.: Издательский центр «Академия», 2014. 3. Новожилов О. Архитектура ЭВМ и систем. Учебное пособие. – Юрайт, 2016. Лабораторная работа № 2 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПК Цель работы: знакомство с основными техническими характеристиками устройств персонального компьютера; знакомство с номенклатурой и символикой; знакомство с принципами комплектации компьютера при покупке ПК; получение навыков в оценке стоимости комплекта устройств ПК. 1. Теоретическая часть При сборке компьютера из отдельных комплектующих необходимо учитывать два основных момента. Первый из них касается круга задач, для решения которых будет использоваться компьютер. Условно компьютеры можно разделить на несколько групп, в зависимости от их функционального назначения: офисные, учебные, игровые, домашние, мультимедийные и т. д. Назначение компьютера определяет тот набор устройств, из которых он должен состоять, а также их основные характеристики. Например, для офисного компьютера совершенно необходимым должно быть наличие принтера, а игровому не обойтись без мощного процессора, большого объема оперативной памяти, качественной видеокарты с достаточным объемом видеопамяти и хорошего монитора. Второй момент касается совместимости отдельных устройств с материнской платой. Прежде всего, это относится к совместимости по интерфейсу подключения. Существует несколько различных процессорных интерфейсов, для каждого из которых выпускаются свои модели материнских плат. Для процессоров фирмы Intel, например, в 2007 году использовались интерфейсы Socket 478, Socket 775 LGA, а для процессоров фирмы AMD — Socket A, Socket 754, Socket 939, Socket S-AM2. Поэтому при выборе материнской платы всегда, в первую очередь, следует обращать внимание на ее процессорный интерфейс. Для видеокарт использзовались два интерфейса подключения: AGP 8х (ранее существовали также AGP 1x, AGP 2х, AGP 4х) и PCI-Express х16 (обычно его обозначают PCI-E). Современная оперативная память обычно имеет тип DDR, DDRII или DDRIII и соответствующие интерфейсы подключения к материнской плате. Иногда на одной материнской плате могут одновременно присутствовать оба этих типа разъемов. Жесткие диски подключаются по интерфейсу IDE (в характеристиках материнских плат он обозначается просто буквой U по названию протокола подключения Ultra DMA), а также по интерфейсам Serial ATA и Serial ATA II (обозначаются SATА и SATA II). Существуют также переносные жесткие диски, подключаемые по интерфейсу USB. Также следует учитывать, что устройства, имеющие одинаковый интерфейс, могут отличаться по пропускной способности, которая измеряется в мегабайтах в секунду или мегабитах в секунду. Надо обращать внимание на то, какую пропускную способность имеет данное устройство, и какую пропускную способность обеспечивает выбранная материнская плата. Если они не совпадают, то либо само устройство, либо материнская плата будет работать не в оптимальном режиме, что будет влиять на быстродействие всей компьютерной системы в целом. Например, если для материнской платы указана характеристика U100, то это означает, что при интерфейсе IDE материнская плата обеспечивает пропускную способность 100 Мбайт в секунду, и, если вы подберете к ней жесткий диск с характеристикой U133 (133 Мбайт в секунду), то он не сможет работать со своими максимальными возможностями. При комплектации компьютера необходимо также учитывать, что некоторые компоненты могут быть встроены непосредственно в материнскую плату (видеокарты, звуковые карты, сетевые карты) и приобретение дополнительных аналогичных устройств может быть оправдано только в том случае, если они имеют лучшие характеристики, чем интегрированное устройство. Наличие встроенной звуковой карты можно определить по названию кодека, обычно АС97, а встроенной сетевой карты — по обозначению LAN, после которого обычно указывается пропускная способность в мегабитах в секунду. Встроенные видеокарты могут обозначаться либо их названием, либо просто сокращением «в/к». Пример 1 MB S-775 ASUSTeK P5V800-MX Материнская плата с Socket 775 (для процессоров Pentium IV и Pentium D). Есть встроенная видеокарта и сетевая карта с пропускной способностью 1000 Мбит/с. Имеется интерфейс подключения AGP (для внешней видеокарты). Имеются интерфейс подключения IDE с пропускной способностью 133 Мбайт в секунду, а также Serial ATA. Поддерживается тип оперативной памяти DDR с максимальной пропускной способностью 3200 Мбайт/с. Производитель материнской платы — ASUSTeK. Пример 2 CPU Soc-754 AMD Athlon64 3200+(2200/800MHz) BOX, L2/L1=512K/128K, Newcastle 0.13мкм, 1.50V(89W) (ADA3200) Процессор Athlon64 с сокетом 754. Рейтинговая тактовая частота — 3200 Мгц, реальная тактовая частота — 2200 МГц. Поставка — BOX (с кулером). Пример 3 В/к AGP 256Mb DDR RadeonX1600Рго Advantage Sapphire DVI TV-out (oem) 128bit Видеокарта с интерфейсом AGP. Тип видеопамяти — DDR, объем видеопамяти — 256 Мбайт. Имеется телевизионный выход. Поставка oem (для сборки). 2. Задания и порядок их выполнения Задание 1. Предложите состав аппаратных средств ЭВМ заданной по индивидуальному варианту функциональности.
Задание 2. Разработайте структурную схему ПК с указанием желательных значений характеристик компонентов.
Задание 3. Укажите функциональные характеристики системной платы согласно варианту задания
Контрольные вопросы 1. Какие устройства входят в состав ПК? 2. Основные характеристики материнской платы? 3. Основные характеристики ЦП? 4. Основные характеристики ОЗУ? Список литературы 1. Максимов Н. В., Партыка Т. Л., Попов И. И. М17 Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: Учебник.. — М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005. — 512 с.: ил. — (Профессиональное образование). 2. Сенкевич А. В. Архитектура ЭВМ и вычислительные системы: учебник для студентов СПО – М.: Издательский центр «Академия», 2014. 3. Новожилов О. Архитектура ЭВМ и систем. Учебное пособие. – Юрайт, 2016. Лабораторная работа № 3 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ЧИСЕЛ В РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМАХ СЧИСЛЕНИЯ Цель работы. Изучение методов перевода чисел из одной системы счисления в другую. Изучение способов представления числовой информации в компьютере. 1. Теоретическая часть В позиционных системах счисления количественный эквивалент (значение) цифры зависит от ее места (позиции) в записи числа. В системе счисления с основанием q (q-ичная система счисления) единицами разрядов служат последовательные степени числа q, иначе говоря, q единиц какого-либо разряда образуют единицу следующего разряда. Для записи чисел в q-ичной системе счисления требуется различных цифр (0, 1, …q-1). В позиционной системе счисления число в развернутой форме может быть представлено в следующем виде:  (1)где: А- само число; q — основание системы счисления; ai—цифры, принадлежащие алфавиту данной системе счисления; n — число целых разрядов числа; m — число дробных разрядов числа. Примером позиционной системы счисления является арабская десятичная система, в которой основание Р=10, для изображения используется 10 цифр от 0 до 9; Пример. Десятичное число  в развернутой форме запишется так: Существует множество позиционных систем счисления. Наиболее распространенные приведены в таблице:
В информатике нашли применение двоичная, восьмеричная, десятичная и шестнадцатеричная. Соответствие чисел в основных системах счисления
|