Архітектура комп’ютерних систем - Робоча програма навчальної дисципліни (Силабус)

Реквізити навчальної дисципліни

Програма навчальної дисципліни

1. Опис навчальної дисципліни, її мета, предмет вивчання та результати навчання

Силабус освітнього компонента «Архітектура комп’ютерних систем» складено відповідно до освітньої-професійної програми підготовки бакалаврів «Інформаційне забезпечення робототехнічних систем» спеціальності 126 – Інформаційні системи та технології.

Метою цієї дисципліни є розуміння та освоєння базових концепцій та принципів архітектури комп'ютерних систем, що дозволить студентам розробляти ефективне програмне забезпечення та вдосконалювати комп'ютерні системи для різних застосувань. Архітектура комп'ютерних систем є важливою складовою навчання для студентів, які спеціалізуються в галузі інформаційних систем та технологій. Метою навчальної дисципліни є формування та закріплення у студентів наступних компетентностей: (К3 1) Здатність до абстрактного мислення, аналізу та синтезу; (К3 2) Здатність застосовувати знання у практичних ситуаціях; (К3 3) Здатність до розуміння предметної області та професійної діяльності; (К3 4) Здатність спілкуватися державною та іноземною мовами як усно, так і письмово; (К3 5) Здатність вчитися і оволодівати сучасними знаннями; (К3 6) Здатність до пошуку, оброблення та аналізу інформації з різних джерел; (К3 7) Здатність розробляти та управляти проєктами. (КС 3) Здатність до проектування, розробки, налагодження та вдосконалення системного, комунікаційного та програмно-апаратного забезпечення інформаційних систем та технологій, Інтернету речей (IoT), комп’ютерноінтегрованих систем та системної мережної структури, управління ними; (КС 4) Здатність проектувати, розробляти та використовувати засоби реалізації інформаційних систем, технологій та інфокомунікацій (методичні, інформаційні, алгоритмічні, технічні, програмні та інші); (КС 10) Здатність вибору, проектування, розгортання, інтегрування, управління, адміністрування та супроводжування інформаційних систем, технологій, інфокомунікацій, сервісів та інфраструктури організацій; (КС 20) Здатність використовувати знання основ електроніки і мікросхемотехніки, сучасної елементної бази при проектуванні мікропроцесорних пристроїв робототехнічних систем.

Предмет навчальної дисципліни - основні поняття архітектури комп'ютерних систем, що вивчає принципи побудови та функціонування комп'ютерних систем на різних рівнях абстракції, починаючи від апаратного забезпечення і закінчуючи операційними системами, а також використання середовища Quartus Prime.

Програмні результати навчання, на формування та покращення яких спрямована дисципліна: (ПРН 5) Аргументувати вибір програмних та технічних засобів для створення інформаційних систем та технологій на основі аналізу їх властивостей, призначення і технічних характеристик з урахуванням вимог до системи і експлуатаційних умов; мати навички налагодження та тестування програмних і технічних засобів інформаційних систем та технологій; (ПРН 6) Демонструвати знання сучасного рівня технологій інформаційних систем, практичні навички програмування та використання прикладних і спеціалізованих комп’ютерних систем та середовищ з метою їх запровадження у професійній діяльності; (ПРН 7) Обґрунтовувати вибір технічної структури та розробляти відповідне програмне забезпечення, що входить до складу інформаційних систем та технологій; (ПРН 12) Знати основи побудови та застосовувати сучасні операційні системи та пакети прикладних програм відповідно до професійних завдань; (ПРН 16) Знати основи електроніки та мікросхемотехніки, сучасні архітектури мікропроцесорних систем, комп’ютерних систем та мереж.

2.Пререквізити та постреквізити дисципліни (місце в структурно-логічній схемі навчання за відповідною освітньою програмою)

Дисципліна для підготовки бакалаврів за спеціальністю «Інформаційні системи та технології», яка відноситься до циклу професійної підготовки та зв’язана з ЗО-05 «Вища математика» та ЗО-06 «Фізика», забезпечує вивчення дисципліни ПО-14 «Інформаційно-сенсорні системи роботів» та ПО-21 «Комп’ютерна електроніка та мікропроцесорні системи».

3.Зміст навчальної дисципліни

Розділ 1. Структура та принципи роботи комп'ютера. Розділ 2. Порядок виконання команд і програм у комп'ютері. Розділ 3. Процесор універсального комп'ютера. Розділ 4. Організація системного інтерфейсу та архітектура системної плати. Розділ 5. Організація пам’яті. Розділ 6. Паралельні комп’ютерні системи. Розділ 7. Нейрокомп’ютери.

4.Навчальні матеріали та ресурси

Основна література:

1. Харрис, Д. М. Цифровая схемотехника и архитектура компьютера / Дэвид М. Харрис, Сара Л. Харрис. - Нью-Йорк : Elsevier. inc : Изд-во Morgan Kaufman, 2013. - 1662 с.
2. Архітектура комп’ютерних систем: лабораторний практикум [Електронний ресурс] : навчальний посібник для студ. спеціальності 126 «Інформаційні системи та технології» / Є. О. Батрак ; КПІ ім. Ігоря Сікорського. – Електронні текстові дані– Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2020. – 110 с.
3. В.Д. Тарарака. Архітектура комп’ютерних систем. – Житомир : ЖДТУ, 2018. – 383 с.
4. А.О. Мельник. Архітектура комп’ютера. – Луцьк, Волинська обласна друкарня, 2008. – 470 с.
5. Персональный компьютер: Учеб. курс для вузов / С.В. Глушаков, И.В Мельников. – Харьков 2000. – 501 с.
6. System Verilog Tutorial [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http: //www.asic- world.com/systemverilog/tutorial.html.
7. Пошаговая инструкция: создаем проект Quartus II [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://marsohod.org/11-blog/78-newproject.
8. Язык описания аппаратуры Verilog HDL [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://marsohod.org/verilog.

Додаткова література:

1. Валецька Т.М. Комп'ютерні мережі. Апаратні засоби: навчальний посібник.-К.: Центр навчальної літератури, 2007. – 208 с.
2. Локазюк В. М. Мікропроцесори та мікро-ЕОМ у виробничих системах: посібник. – К.: Видавничий центр « Академія », 2002. – 368 с.
3. Организация ЭВМ. –5-е изд. /К. Хамахер, З. Вранешич, С. Заки. – СПб.: Киев: Издательская группа ВНV, 2003. – 848 с.
4. Поворознюк А.И. Архитектура компьютеров. Архитектура микропроцессорного ядра и системных устройств: учеб. пособие. Ч.1. – Харьков: Торнадо, 2004. – 355 с.
5. Рябенький В.М., Жуйков В.Я., Гулий В.Д. Цифрова схемотехніка: навч. посібник. – Львів: «Новий світ – 2000», 2009. – 736 с.
6. Тарарака В.Д. Обчислювальна техніка. Ч.І. Основи побудови ЕОМ: навчальний посібник. – Житомир: ЖВІРЕ, 2003. – 348 с.
7. Тарарака В.Д. Обчислювальна техніка. Ч. ІІ. Апаратні засоби персональних комп'ютерів: навчальний посібник. - Житомир ЖВІРЕ, 2004. – 308 с.

Навчальний контент

5.Методика опанування навчальної дисципліни (освітнього компонента)

Зміст розділів дисципліни. |||| |---|---|---| | № | Назва розділу дисципліни | Зміст розділу | | 1 | Структура та принципи роботи комп'ютера. | Історія створення перших комп’ютерів. Основні функції комп’ютерів. Основні функціональні вузли та характеристики апаратних засобів комп’ютера. Типи сучасних комп’ютерів (настільні, портативні, кишенькові). Базова архітектура комп’ютера. Рівні деталізації типів комп’ютера.| | 2 | Порядок виконання команд і програм у комп'ютері. | Представлення даних в комп’ютері. Основні характеристики архітектури системи команд. Класифікація архітектури системи команд. Типи місця зберігання операндів в архітектурі системи команд. Типи та формати команд.| | 3 | Процесор універсального комп'ютера. | Структура та функції процесора. Особливості процесорів із складною та простою системою команд. Конвеєрне виконання команд у процесорі.Паралельне виконання команд у процесорі.| | 4 | Організація системного інтерфейсу та архітектура системної плати. | Поняття інтерфейсу та його характеристики. Види інтерфейсів. Організація системного інтерфейсу. Організація шин комп’ютера. Архітектура системної плати. Архітектура системи вводу / виводу (I / O - Input / Output).| | 5 | Організація пам’яті. | Ієрархія пам'яті комп’ютера. Типи та параметри пам'яті. Структура основної пам'яті. Зовнішня пам’ять комп’ютерних систем. Організація захисту пам’яті.| | 6 | Паралельні комп’ютерні системи. | Паралельні обчислення. Паралельні комп'ютерні системи. Топології обчислювальних систем. Управління пам'яттю обчислювальних систем.| | 7 | Нейрокомп'ютери. | Історія виникнення та розвиток нейрокомп’ютерів. Основні переваги нейрокомп’ютерів. Проблема ефективного паралелізму. Сучасні нейрокомп'ютери.|

Практичні заняття.

6.Самостійна робота студента

Самостійна робота студентів полягає в самостійному вивченні окремих тем, практичної реалізації типових завдань за цими темами. Контроль виконання самостійної роботи проводиться при поточних контрольних заходах і на проміжній атестації за підсумками освоєння.

Перелік питань для самостійної роботи студентів по розділам:

1. Розділ 1. Операція додавання. Аналіз коду в SystemVerilog HDL. Аналіз отриманих результатів. Аналіз отриманої структурної логічної схеми та перевірка схеми. Перевірка операції додавання в програмі Quartus та допоміжних інструментів.
2. Розділ 2. Операція віднімання. Аналіз коду в SystemVerilog HDL. Аналіз отриманих результатів. Аналіз отриманої структурної логічної схеми та перевірка схеми. Перевірка операції віднімання в програмі Quartus та допоміжних інструментів.
3. Розділ 3. Операція множення. Аналіз коду в SystemVerilog HDL. Аналіз отриманих результатів. Аналіз отриманої структурної логічної схеми та перевірка схеми. Перевірка операції множення в програмі Quartus та допоміжних інструментів.
4. Розділ 4. Операція ділення. Аналіз коду в SystemVerilog HDL. Аналіз отриманих результатів. Аналіз отриманої структурної логічної схеми та перевірка схеми. Перевірка операції ділення в програмі Quartus та допоміжних інструментів.
5. Розділ 5. Операція АЛП. Аналіз коду в SystemVerilog HDL. Аналіз отриманих результатів. Аналіз отриманої структурної логічної схеми та перевірка схеми. Перевірка операції АЛП в програмі Quartus та допоміжних інструментів.
6. Розділ 6. Операція тригер, регістр, JK-тригер, JK-регістр. Аналіз коду в SystemVerilog HDL. Аналіз отриманих результатів. Аналіз отриманої структурної логічної схеми та перевірка схеми. Перевірка операції тригер, регістр, JK-тригер, JK-регістр в програмі Quartus та допоміжних інструментів.
7. Розділ 7. Операція JK-засувка, ROM, RAM. Аналіз коду в SystemVerilog HDL. Аналіз отриманих результатів. Аналіз отриманої структурної логічної схеми та перевірка схеми. Перевірка операції JK-засувка, ROM, RAM в програмі Quartus та допоміжних інструментів.

Політика та контроль

7.Політика навчальної дисципліни (освітнього компонента)

1. Результати навчання, контрольні заходи та дедлайни оголошуються на першому занятті.
2. Відвідування лекцій і практичних не є обов’язковим, однак студент має складати завдання відповідно до графіка занять. Відвідування лекцій, практичних занять, а також відсутність на них не оцінюється. Штрафні бали за відсутність на заняттях не виставляються. Однак, студентам рекомендується відвідувати заняття, оскільки на них викладається теоретичний матеріал та розвиваються практичні навички, а також відбувається обмін досвідом, аналіз помилок.
3. Дисципліна викладається з врахуванням чітко визначених строків, достатнім обсягом часу на виконання завдань, наданням індивідуальних відгуків до виконаних завдань, порад, зауважень та пропозицій.
4. Підготовка до практичних занять у зручний для студентів час.
5. Участь в обговоренні та оцінювання робіт одногрупників.
6. Надання можливості студентам об'єднуватися в команди та будувати командну роботу щодо вивчення матеріалу.
7. У разі використання контенту, захищеного авторським правом, результатів аналітичних досліджень та/або іншої інформації, студенти мають обов’язково вказувати джерело. Політика та принципи академічної доброчесності визначені у розділі 3 Кодексу честі Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» (https://kpi.ua/code).
8. За умови відсутності україномовного інтерфейсу, під час роботи з деякими вебресурсами та інструментами використовується англомовна версія. Деякий навчальний матеріал пропонується вивчати в оригіналі англійською мовою.

8.Види контролю та рейтингова система оцінювання результатів навчання (РСО)

Поточний контроль: контрольні роботи. Календарний контроль: провадиться двічі на семестр, як моніторинг поточного стану виконання вимог силабусу. Семестровий контроль: іспит Умови допуску до семестрового контролю: Необхідною умовою допуску до іспиту є зарахування контрольної роботи та всіх практичних робіт, а також стартовий рейтинг (rC) не менше 60 % від R, тобто 60 балів. Рейтинг студента з дисципліни складається з балів, що він отримує за:

1. виконання та захист 7 практичних робіт;
2. одна контрольна роботу;
3. відповідь на іспиті (у разі відсутності автоматизованого рейтингу).

Система рейтингових (вагових) балів та критерії оцінювання

1. Робота на практичних заняттях Вагові бали за практичні роботи: 1 – 7 робіт max 9 балів за одну роботу. Максимальна кількість балів на всіх лабораторних заняттях дорівнює: 9 балів х 7 = 63 балів. Максимальна кількість балів за роботу зменшується, якщо:

• студент не знає частини теоретичного матеріалу –1..–3 бали;
• не виконано попередню підготовку до роботи –1..–2 бали; Поточний контроль Ваговий бал - 37. Максимальна кількість балів за контрольну роботу дорівнює 37 бал х 1 = 37 балів. В кожному варіанті контрольної роботи містяться завдання різного рівня складності, в залежності від якого вони при правильному виконанні оцінюються від 3 до 5 балів (вони вказані біля кожного завдання окремо). Максимальна кількість балів за завдання зменшується на 5 балів, якщо дано правильну, але неповну відповідь; на 2 бал, якщо дано правильну відповідь, але допущено несуттєву помилку. Штрафні та заохочувальні бали за:
• відсутність на занятті без поважної причини -2 бали;
• несвоєчасне подання практичних робіт або КР -2 бали;

Розрахунок шкали (R) рейтингу Сума вагових балів контрольних заходів протягом семестру складає: RС = 63 + 37 = 100 балів. Необхідною умовою допуску до іспиту є зарахування контрольної роботи та всіх практичних робіт, а також стартовий рейтинг (rC) не менше 60 % від R, тобто 60 балів. Для отримання студентом відповідних оцінок (ЕСТS та традиційних) його рейтингова оцінка R переводиться згідно з таблицею:

Робочу програму навчальної дисципліни (Силабус): Складено доцент, к.т.н., Батрак Євгеній Олександрович Ухвалено кафедрою ІСТ (протокол № 16 від 12.06.2024) Погоджено Методичною комісією факультету[1] (протокол № 10 від 21.06.2024)