Конспект лекций по курсу «Организация ЭВМ и систем» для студентов специальности 220100 Вычислительная техника, системы, комплексы и сети

Лекция 1. Базовые понятия информации 3

Введение 3

Информация, энтропия и избыточность при передаче данных 5

Информационные процессы 6

Основные структуры данных 7

Обработка данных 7

Способы представления информации и два класса ЭВМ 8

Кодирование информации 8

Представление данных в ЭВМ. 9

Форматы файлов 9

Кодирование чисел 10

Кодирование текста 11

Кодирование графической информации 12

Кодирование звука 13

Типы данных 14

Выводы 16

Вопросы и задания 16

Лекция 2. Компьютер – общие сведения 17

Материнская плата 17

Интерфейсные шины 19

Основные внешние устройства компьютера 20

Выводы 24

Вопросы и задания 24

Лекция 3. Многоуровневая компьютерная организация 24

Архитектура компьютера 24

Классическая структура ЭВМ - модель фон Неймана 27

Особенности современных ЭВМ 29

Выводы 30

Вопросы и задания 30

Лекция 4. Математическое обеспечение компьютеров 31

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ 31

Библиотеки стандартных программ и ассемблеры 32

Высокоуровневые языки и системы автоматизированного программирования 33

Диалоговые ОС и СУБД 33

Прикладные программы и CASE – технологии 34

Компьютерные сети и мультимедиа 34

Операционные системы 35

Лекция 5.Вычислительные системы - общие сведения 37

Введение 37

Общие требования 37

Классификация компьютеров по областям применения 39

Персональные компьютеры и рабочие станции 40

Суперкомпьютеры 42

Увеличение производительности ЭВМ, за счет чего? 44

Параллельные системы 44

Использование параллельных вычислительных систем 46

Выводы 47

Вопросы и задания 47

Лекция 6. Структурная организация ЭВМ - процессор 48

Введение 48

Микропроцессорная система 49

Что такое микропроцессор? 51

Назначение элементов процессора 52

АЛУ 53

Устройство управления 53

Микропроцессорная память 55

Структура адресной памяти процессора 55

Интерфейсная часть МП 57

Тракт данных типичного процессора 58

Базовые команды 60

Трансляторы 61

Архитектура системы команд и классификация процессоров 62

Микроархитектура процессора Pentium II 63

Выводы 65

Вопросы и задания 66

Лекция 7. Структурная организация ЭВМ - память 66

Общие сведения 66

Иерархия памяти компьютера 69

Оперативная память, типы ОП 71

Кэш-память 71

Кэш-память прямого отображения 73

Тэг Строка Слово (байт) 74

Способы организации кэш-памяти 75

Разновидности строения кэш-памяти 78

Выводы 79

Вопросы и задания 80

Лекция 8. Логическая организация памяти 80

Виртуальная память 80

Страничная организация памяти 82

Преобразование адресов 83

Сегментная организация памяти. 84

Свопинг 88

Выводы 89

Вопросы и задания 89

Лекция 9. Методы адресации 90

Лекция 10. Внешняя память компьютера 93

Введение 93

Жесткий диск (Hard Disk Drive) 93

Конструкция жесткого диска 94

Основные характеристики НМД: 96

Способы кодирования данных 96

Интерфейсы НМД 97

Структура хранения информации на жестком диске 98

Таблица размещения файлов 98

Кластер 99

Методы борьбы с кластеризацией 100

Магнито-оптические диски 101

Дисковые массивы и уровни RAID 101

Лазерные компакт-диски CD - ROM 104

CD-R 104

CD-RW 105

DVD 105

Выводы 106

Вопросы и задания 106

Лекция 11. Основные принципы построения систем ввода/вывода 106

Физические принципы организации ввода-вывода 107

Интерфейс 107

Магистрально-модульный способ построения ЭВМ 108

Структура контроллера устройства 111

Опрос устройств и прерывания. Исключительные ситуации и системные вызовы 112

Организация передачи данных 113

Прямой доступ к памяти (Direct Memory Access – DMA) 115

Логические принципы организации ввода-вывода 116

Структура системы ввода-вывода 116

Буферизация и кэширование 118

Структура шин современного ПК 119

PCI Express 123

Чипсет 123

Выводы 125

Вопросы и задания 125

Лекция 12. Особенности архитектуры современных высокопроизводительных ВС 125

Классификация архитектур по параллельной обработке данных 126

Параллелизм вычислительных процессов 128

Параллелизм на уровне команд – однопроцессорные архитектуры 129

Конвейерная обработка 129

Суперскалярные архитектуры 132

Мультипроцессорные системы на кристалле 134

Технология Hyper-Threading  134

Многоядерность — следующий этап развития 138

Выводы 140

Вопросы и задания 140

Лекция 13. Архитектура многопроцессорных ВС 140

Введение 140

SMP архитектура 140

MPP архитектура 142

Гибридная архитектура (NUMA) 143

Организация когерентности многоуровневой иерархической памяти. 144

 PVP архитектура 145

Кластерная архитектура 145

Проблемы выполнения сети связи процессоров в кластерной системе. 145

Выводы 148

Лекция 14. Кластерные системы 149

Концепция кластерных систем 149

Разделение на High Availability и High Performance системы 151

Проблематика High Performance кластеров 151

Проблематика High Availability кластерных систем 152

Смешанные архитектуры 153

Лекция 15 Многомашинные системы – вычислительные сети 155

Введение 155

Простейшие виды связи сети передачи данных 156

Связь компьютера с периферийным устройством 156

Связь двух компьютеров 158

Многослойная модель сети 160

Функциональные роли компьютеров в сети 161

Одноранговые сети 162

Сети с выделенным сервером 163

Гибридная сеть 167

Сетевые службы и операционная система 168

Лекция 17. Сети и сетевые операционные системы 169

Введение 169

Для чего компьютеры объединяют в сети 170

Сетевые и распределенные операционные системы 170

Взаимодействие удаленных процессов как основа работы вычислительных сетей 171

Основные вопросы логической организации передачи информации между удаленными процессами 173

Понятие протокола 174

Многоуровневая модель построения сетевых вычислительных систем 175

Проблемы адресации в сети 179

Одноуровневые адреса 179

Двухуровневые адреса 179

Удаленная адресация и разрешение адресов 180

Локальная адресация. Понятие порта 182

Полные адреса. Понятие сокета (socket) 183

Проблемы маршрутизации в сетях 183

Связь с установлением логического соединения и передача данных с помощью сообщений 186

Синхронизация удаленных процессов 187

Заключение 187

Список литературы: 188