МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Факультет компьютерных наук и информационных технологий
УТВЕРЖДАЮ
___________________________
"__" __________________20__ г.
Рабочая программа дисциплины
ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА ЭВМ
Направление подготовки
230100 – Информатика и вычислительная техника
Профессионально-образовательная программа
Сети ЭВМ и телекоммуникации
Квалификация (степень) выпускника
Магистр
Форма обучения
Очная
Саратов,
2013
1. Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины «Периферийные устройства ЭВМ» являются: получение студентами теоретических знаний о принципах построения и функционировании интерфейсов периферийных устройств современной вычислительной техники; приобретение студентами практических навыков работы с различными интерфейсами периферийных устройств, подключаемых к ЭВМ; умение квалифицированно организовывать сопряжение между функциональными цифровыми узлами вычислительных систем.
2. Место дисциплины в структуре ООП магистратуры
Данная учебная дисциплина входит в раздел «Профессиональный цикл.
Вариативная часть» ФГОС-3. Является дисциплиной по выбору.
Для изучения дисциплины необходимы знания и умения в области:
 электротехники и электроники;
 системного программного обеспечения;
 аппаратно-программной организации ЭВМ;
 теории операционных систем.
Компетенции, сформированные при изучении данной дисциплины, могут быть полезны при изучении следующих дисциплин: «Периферийные
устройства ЭВМ».
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА ЭВМ
Данная дисциплина способствует формированию следующих компетенций:
 способен совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и общекультурный уровень (ОК-1);
 способен к самостоятельному обучению новым методам исследования,
к изменению научного и научно-производственного профиля своей
профессиональной деятельности (ОК-2);
 использует на практике умения и навыки в организации исследовательских и проектных работ, в управлении коллективом (ОК-4);
 способен самостоятельно приобретать с помощью информационных
технологий и использовать в практической деятельности новые знания
и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не
связанных со сферой деятельности (ОК-6);
 способен к профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов (в соответствии с целями магистерской программы)
(ОК-7).
 применять перспективные методы исследования и решения профессиональных задач на основе знания мировых тенденций развития вычислительной техники и информационных технологий (ПК-1);
 разрабатывать и реализовывать планы информатизации предприятий и
их подразделений на основе Web- и CALS-технологий (ПК-3);
 формировать технические задания и участвовать в разработке аппаратных и/или программных средств вычислительной техники (ПК-4);
 применять современные технологии разработки программных комплексов с использованием CASE-средств, контролировать качество
разрабатываемых программных продуктов (ПК-6);
 организовывать работу и руководить коллективами разработчиков аппаратных и/или программных средств информационных и автоматизированных систем (ПК-7).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
- знать:
 принципы обмена информацией между цифровыми функциональными
узлами в ЭВМ и системах;
 физические основы схемотехники сопряжения цифровых устройств;
 классификацию, характеристики и назначение интерфейсов периферийного устройств;
 способы подключения и управления периферийными устройствами в
ЭВМ и системах;
 принципы построения структурных, функциональных и принципиальных схем сопряжения цифровых измерительных устройств;
- уметь:
 квалифицированно оценивать область применения конкретных интерфейсов сопряжения цифровых функциональных узлов;
 грамотно использовать интерфейсы сопряжения цифровых функциональных узлов при решении практических задач;
 осуществлять обоснованный выбор стандартного периферийного оборудования;
 разрабатывать алгоритмы управления стандартным и специализированным периферийным оборудованием;
- владеть:
 методами проектирования устройств, подключаемые к различным интерфейсам ЭВМ;
 навыками проектирования программных систем, управляющих периферийным оборудованием;
 методами поиска источников научно-технической информации в области схемотехники интерфейсов сопряжения цифровых функциональных узлов;
 методиками сбора, переработки и представления научно-технических
материалов по результатам исследований к опубликованию в печати, а
также в виде обзоров, рефератов, отчётов, докладов и лекций.
4. Структура
и
содержание
дисциплины
ПЕРИФЕРИЙНЫЕ
УСТРОЙСТВА ЭВМ
Общая трудоёмкость дисциплины составляет 3 зачётных единицы 108
часов.
№
п/п
1
1
2
3
4
5
6
7
8
Раздел дисциплины
Семестр
2
3
Организация системы 3
ввода-вывода вычислительной системы
Способы обмена ин3
формацией между
устройствами и реализация аппаратных интерфейсов вычислительных систем
Малые периферийные 3
интерфейсы и универсальная последовательная шина
Контроллерные сети
3
Системные и внутри- 3
системные интерфейсы
Сетевые и беспровод- 3
ные интерфейсы
Высокопроизводи3
тельные стандартные
периферийные интерфейсы
Классификация и ха3
рактеристики периферийных устройств
Промежуточная аттестация
ИТОГО
Неделя семестра
4
1-2
Виды учебной работы, включая самостоятельную работу
студентов и трудоёмкость (в часах)
Са
Ла
мо
босто
раВсеяте
Ле тор
го
ль
кц ны
чана
ии
е
сов
я
зараняботия
та
5
6
7
8
12
2
2
8
3-4
14
2
2
10
5-6
14
2
2
10
7-8
9-10
14
14
2
2
2
2
10
10
11-12
14
2
2
10
13-14
14
2
2
10
15-16
12
2
2
8
Формы текущего
контроля успеваемости (по неделям семестра)
Формы промежуточной аттестации (по семестрам)
9
Контрольная работа №1
Зачёт
108
16
16
76
РАЗДЕЛ 1. Организация системы ввода-вывода вычислительной системы
Тема 1.1. Основы архитектурной организации вычислительных систем
Принципы Фон-Неймановской архитектуры. Достоинства и недостатки
Принстонской архитектуры. Достоинства и недостатки Гарвардской архитектуры.
Тема 1.2. Организация вычислительной системы. Элементы вычислительного ядра и системы ввода-вывода
Процессор и память. Контроллер ввода-вывода. Процессор вводавывода. Интерфейс и протокол. Порт ввода-вывода. Пространство вводавывода. Конфигурирование портов ввода-вывода.
Тема 1.3. Принципы организации систем ввода-вывода
Организация систем ввода-вывода (СВВ) универсальных и управляющих ЭВМ. Схемотехника цифровых портов ввода-вывода. Сопряжение цифровых и аналоговых функциональных узлов.
РАЗДЕЛ 2. Способы обмена информацией между устройствами
и реализация аппаратных интерфейсов вычислительных систем
Тема 2.1. Синхронный и асинхронный обмен данными
Синхронные операции ввода-вывода. Система прерываний. Классификация прерываний. Функции системы прерываний и их реализация. Аппаратный опрос. Характеристики систем прерываний. Контроллер прерываний
8259A.
Тема 2.2. Организация обмена в режиме прямого доступа к памяти
Общие принципы организации прямого доступа к памяти (ПДП). ПДПконтроллеры персонального компьютера.
Тема 2.3. Аппаратные интерфейсы и интерфейсные системы
Характеристики и функции аппаратных интерфейсов. Классификация
аппаратных интерфейсов. Интерфейсные системы.
Тема 2.4. Технические особенности реализации аппаратных интерфейсов
Характеристики и виды линий связи. Симметричная и несимметричная
схема передачи сигналов. Симметричная и несимметричная схема передачи
сигналов. Виды кодирования. Помехоустойчивость и сбалансированные схемы. Приёмопередатчик последовательного интерфейса. Особенности параллельных интерфейсов. Мультиплексирование, конвейеризация, блочная передача. Устройства гальванической изоляции в аппаратных интерфейсах. Горячее подключение и автоконфигурирование.
РАЗДЕЛ 3. Малые периферийные интерфейсы и универсальная
последовательная шина
Тема 3.1. Интерфейс RS-232
Последовательный интерфейс стандарта EIA RS-232-C. Контроллер последовательного обмена, универсальный синхронный/асинхронный приёмопередатчик (UART/USART). Сигнальные линии последовательного интерфейса. Управление потоком. Формат последовательной передачи данных. Работа с последовательным каналом.
Тема 3.2. Интерфейс SPI
Последовательный синхронный стандарт полного дуплекса, четырёхпроводный (four-wire) интерфейс. Принцип организации шины SPI. Достоинства и недостатки шины SPI.
Тема 3.3. Интерфейс Centronics
Порт параллельного интерфейса — LPT-порт. Модификации стандартного параллельного порта (SPP, EPP, ECP и др.) Стандарт IEEE 1284. Алгоритм управления по интерфейсу Centronics. Режимы параллельного порта.
Тема 3.4. Интерфейс USB
Универсальная последовательная шина. Топология шины USB. Спецификации на шину USB. Контроллер шины USB. Концентраторы и оконечные
устройства. Каскадирование узлов на шине USB. Модель и протокол передачи данных в USB.
РАЗДЕЛ 4. Контроллерные сети
Тема 4.1. Интерфейс RS-485
Стандарт TIA-485-A – стандарт передачи данных по двухпроводному полудуплексному многоточечному последовательному каналу
связи. Особенности передачи сигналов в RS-485.
Тема 4.2. Интерфейс 1-Wire
Интерфейс передачи данных по одной сигнальной линии. Характеристики сети MicroLan. Уникальные идентификаторы и особенности
адресации устройств. Доступные команды и протокол передачи данных
Тема 4.3. Интерфейс I2C
Двунаправленная двухпроводная (two-wire интерфейс) шина «межмикросхемного» (inter-IC) управления. Концепция шины I2C. Принцип работы
шины I2C. Синхронизация и протокол передачи данных. Форматы обмена данными по шине I2C (7-битный адрес). Арбитраж на шине I2C.
Тема 4.4. Интерфейс CAN
Стандарт CAN. Стандарт физического уровня ISO 11898. Синхронизация и разрешение коллизий. Виды и формат кадров. Топология сети и особенности её конфигурирования. Арбитраж доступа к сети без потерь пропускной способности. Устойчивость к помехам и контроль ошибок передачи
и приёма. Стандарты протоколов высокого уровня.
Тема 4.5. Приборный интерфейс GPIB
Стандарт IEEE-488 — Интерфейсная шина общего назначения.
ГОСТ 26.003-80 — «Система интерфейса для измерительных устройств с
байт-последовательным, бит-параллельным обменом информацией», «многопроводный магистральный канал общего пользования». Особенности и характеристики шины цифровых измерительных приборов.
РАЗДЕЛ 5. Системные и внутрисистемные интерфейсы
Тема 5.1. Системные интерфейсы ЭВМ
Организация обмена информацией в ЭВМ посредством системных интерфейсов. Классификация и характеристики системных интерфейсов ЭВМ.
Тема 5.2. Интерфейсы ISA
Архитектура ЭВМ с системным интерфейсом ISA. Характеристики и
организация системного интерфейса ISA. Программная модель системной
шины ISA.
Тема 5.3. Интерфейсы PCI и PCI Express
Процессорно-независимая шина PCI. Контроллер шины PCI и дополнительного контроллеры шины расширения ISA, EISA или МСА. Инициализация и конфигурирование устройств на шине PCI. Характеристики и спецификации интерфейса PCI. История развития версий шины PCI. Программная
модель шины PCI. Шина PCI Express. Высокопроизводительный физический
последовательный протокол передачи данных шины PCI Express.
Тема 5.4. Внутрисистемный интерфейс AMBA
Расширенная высокопроизводительная шина AMBA. Системные магистральные шины AHB и ASB. Шина периферии APB. Библиотека периферийных компонентов PrimeCell. Набор спецификаций для интерфейса
AMBA.
Тема 5.5. Интерфейсы подключения оперативной памяти
Типы оперативной памяти. Современная динамическая оперативная
память. Синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных — DDR SDRAM. Оперативная память видеоадаптеров.
РАЗДЕЛ 6. Сетевые и беспроводные интерфейсы
Тема 6.1. Сетевой интерфейс Ethernet
Семейство стандартов IEEE 802.3. Сеть топологии общая шина. Аппаратные адреса устройств. Режимы работы семейства стандартов Ethernet.
Тема 6.2. Беспроводной сетевой интерфейс Wi-fi
Семейство стандартов IEEE 802.11. Сходства и особенности Wi-fi и
Ethernet. Безопасность беспроводных, сетевых интерфейсов. Режимы работы
семейства стандартов Wi-fi.
Тема 6.3. Персональные беспроводные сети
Семейство стандартов IEEE 802.15. Беспроводные сенсорные сети
ZigBee. Беспроводная персональная сеть Bluetooth.
Тема 6.4. Интерфейсы ближнего взаимодействия
Интерфейс NFC. Семейство стандартов SO/IEC 14443. Бесконтактные
карты в системах контроля и управления доступом. Радиочастотная идентификация RFID.
РАЗДЕЛ 7. Высокопроизводительные стандартные периферийные интерфейсы
Тема 7.1. Интерфейсы SCSI и SAS
Высокопроизводительная шина SCSI. Аппаратные RAID-массивы.
Версии интерфейса SCSI. Последовательный интерфейс SAS. Совместимость
интерфейса SAS с интерфейсом SATA.
Тема 7.2. Интерфейсы PATA и SATA
Параллельный интерфейс АТА. Режимы UltraDMA. Параллельный и
последовательный интерфейсы ATA. ATAPI — реализация системы команд
SCSI поверх оборудования IDE/ATA/SATA.
Тема 7.3. Интерфейсы USB и FireWire
Стандартизация, разработка и версии спецификаций универсальной последовательной шины — USB. Стандарт IEEE 1394. Последовательная высо-
коскоростная шина — FireWire. Этапы конкуренции и отличия между шинами USB и FireWire.
РАЗДЕЛ 8. Классификация и характеристики периферийных
устройств
Тема 8.1. Системные периферийные устройства
Таймеры, контроллеры прерываний, COM-порт, LPT-порт, USBконтроллеры, часы реального времени.
Тема 8.2. Стандартны периферийные устройства
Клавиатура и мышь. Интерфейс PS/2, COM-порты, LPT-порт. Интерфейс USB и дополнительные устройства USB: принтеры, сканеры, электронные ключи, микрофоны, флеш-накопители, адаптеры сетевых и беспроводных интерфейсов. Дополнительные устройства, использующие интерфейсы
PCI и PCI Express. Оптические и жёсткие накопители использующие параллельные (PATA/IDE) и последовательные (SATA) интерфейсы.
Тема 8.3. Специализированные периферийные устройства
USB и PCI-контроллеры для дополнительных интерфейсов (CAN,
FireWire, SATA). Подключение дополнительных устройств специализированного оборудования (учебного, медицинского, промышленного).
5. Образовательные технологии
Предусматривается широкое использование в учебном процессе в
учебном процессе презентаций для проведения семинаров, предоставление
электронных пособий, физических демонстрационных моделей и оригинальных спецификаций интерфейсам и протоколам, а также технологии для совместного взаимодействия через интернет.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА ЭВМ
а) основная литература:
1. Таненбаум, Эндрю С. Архитектура компьютера. 5-е изд. — СПб. Питер,
2010 – ISBN 978-5-469-01274-0.
б) дополнительная литература:
1. Ключев А.О., Ковязина Д.Р., Петров Е.В., Платунов А.Е. Интерфейсы
периферийных устройств. Учебное пособие – СПб.: СПбГУ ИТМО,
2010. – 290 с.
URL: http://books.ifmo.ru/book/612/book_612.htm
URL: http://window.edu.ru/resource/751/72751
(дата обращения 01.06.2013)
2. Белов А. В. Самоучитель разработчика устройств на микроконтроллерах AVR. 2-е изд. – Санкт-Петербург: Наука и техника, 2010 – 527 с. –
ISBN 978-5-94387-808-4.
3. Таненбаум, Эндрю С. Компьютерные сети. 4-е изд. — СПб. Питер, 2007
– ISBN 978-5-318-00492-6.
4. Ключев А.О., Ковязина Д.Р., Кустарев П.В.,. Платунов А.Е Аппаратные
и программные средства встраиваемых систем – Санкт-Петербург: ,
2010. – 290 с. URL: http://books.ifmo.ru/book/575/book_575.htm
(дата обращения 01.06.2013)
5. Ключев А.О., Кустарев П.В., Ковязина Д.Р., Петров Е.В. Программное
обеспечение встроенных вычислительных систем – Санкт-Петербург: ,
2009. – 212 с.
URL: http://books.ifmo.ru/book/460/book_460.htm
URL: http://window.edu.ru/resource/411/63411
(дата обращения 01.06.2013)
6. Гук М. Аппаратные интерфейсы IBM PC : Энциклопедия. -2-е изд. –
СПб.: Питер, 2003. – 922 с. – ISBN 5-318-00047-9.
7. Вахлаева К. П., Савин А. Н., Федорова А. Г. Организация и программная модель процессора Intel 8086: учебное пособие для студентов вузов
– Саратов: ИЦ "Наука", 2013 – 55 с.
8. Бройдо В. Л., Ильина. О. П. Архитектура ЭВМ и систем: Учебник 2-е
изд. – СПб.: Питер, 2009 – ISBN 978-5-388-00384-3.
9. Радиотехнические цепи и сигналы / С.И. Баскаков. – 4-е изд., перераб. и
доп. – М.: Высш. шк., 2003. – 462 с. – ISBN 5-06-003843-2.
10.Микроконтроллеры. Разработка встраиваемых приложений: учеб. пособие / А.Е. Васильев. – СПб.: БХВ-Петербург, 2008. – 298 с. – ISBN
978-5-9775-0052-4.
11.I2C Bus. URL: http://www.i2c-bus.org (дата обращения 01.06.2013)
12.I2C-bus specification and user manual (Rev. 03, 06/2007) // NXP Semiconductors. 2006.
URL: http://www.nxp.com/documents/user_manual/UM10204.pdf (дата обращения 01.06.2013)
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА ЭВМ
Для проведения лекционных занятий необходимы маркерная доска,
компьютер с проектором, интернет.
Для проведения семинарских занятий необходимы маркерная доска,
проектор с возможностью подключения специально подготовленного ноутбука с демонстрационным программным обеспечением, беспроводной доступ
к интернет.
Для проведения лабораторных занятий необходимы маркерная доска,
компьютер
с
проектором,
интернет,
демонстрационные
программно-
аппаратные стенды и средства разработки для них, из числа необходимых ресурсов информационного обеспечения.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с
учётом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению 230100 «Информатика и вычислительная техника» и программе подготовки «Сети ЭВМ
и телекоммуникации».
Автор
Ассистент
___________ Е. А. Синельников
Программа одобрена на заседании кафедры дискретной математики и
информационных технологий от «20» мая 2013 года, протокол № 16.
Заведующий кафедрой
Дискретной математики и информационных технологий,
к. ф.-м. н., доцент
___________ Л. Б. Тяпаев
Декан факультета КНиИТ,
к. ф.-м. н., доцент
___________ А. Г. Федорова