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

Лекция 1. Базовые понятия информации 5

Введение 5

Информация, энтропия и избыточность при передаче данных 8

Информационные процессы 8

Основные структуры данных 9

Обработка данных 10

Способы представления информации и два класса ЭВМ 10

Кодирование информации 10

Представление данных в ЭВМ. 11

Форматы файлов 11

Кодирование чисел 12

Кодирование текста 13

Кодирование графической информации 14

Кодирование звука 14

Типы данных 15

Выводы 17

Вопросы и задания 17

Лекция 2. Компьютер – общие сведения 18

Материнская плата 18

Интерфейсные шины 20

Основные внешние устройства компьютера 21

Выводы 24

Вопросы и задания 24

Лекция 3. Многоуровневая компьютерная организация 25

Архитектура компьютера 25

Классическая структура ЭВМ - модель фон Неймана 27

Особенности современных ЭВМ 29

Выводы 30

Вопросы и задания 30

Лекция 4. Математическое обеспечение компьютеров 30

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ 30

Библиотеки стандартных программ и ассемблеры 31

Высокоуровневые языки и системы автоматизированного программирования 32

Диалоговые ОС и СУБД 32

Прикладные программы и CASE – технологии 33

Компьютерные сети и мультимедиа 33

Операционные системы 34

Лекция 5.Вычислительные системы - общие сведения 36

Введение 36

Общие требования 36

Классификация компьютеров по областям применения 38

Персональные компьютеры и рабочие станции 38

Суперкомпьютеры 41

Увеличение производительности ЭВМ, за счет чего? 42

Параллельные системы 43

Использование параллельных вычислительных систем 44

Выводы 46

Вопросы и задания 46

Лекция 6. Структурная организация ЭВМ - процессор 46

Введение 46

Микропроцессорная система 47

Что такое микропроцессор? 49

Назначение элементов процессора 50

АЛУ 51

Устройство управления 51

Микропроцессорная память 53

Структура адресной памяти процессора 53

Интерфейсная часть МП 55

Тракт данных типичного процессора 55

Базовые команды 56

Трансляторы 57

Архитектура системы команд и классификация процессоров 58

Микроархитектура процессора Pentium II 60

Выводы 61

Вопросы и задания 61

Лекция 7. Структурная организация ЭВМ - память 62

Общие сведения 62

Иерархия памяти компьютера 64

Оперативная память, типы ОП 66

Кэш-память 66

Кэш-память прямого отображения 67

Тэг Строка Слово (байт) 68

Способы организации кэш-памяти 70

Разновидности строения кэш-памяти 72

Выводы 73

Вопросы и задания 73

Лекция 8. Логическая организация памяти 74

Виртуальная память 74

Страничная организация памяти 75

Преобразование адресов 76

Сегментная организация памяти. 77

Свопинг 81

Выводы 82

Вопросы и задания 83

Лекция 9. Методы адресации 83

Лекция 10. Внешняя память компьютера 86

Введение 86

Жесткий диск (Hard Disk Drive) 86

Конструкция жесткого диска 87

Основные характеристики НМД: 88

Способы кодирования данных 89

Интерфейсы НМД 90

Структура хранения информации на жестком диске 90

Таблица размещения файлов 91

Кластер 91

Методы борьбы с кластеризацией 92

Магнито-оптические диски 93

Дисковые массивы и уровни RAID 94

Лазерные компакт-диски CD - ROM 96

CD-R 96

CD-RW 97

DVD 97

Выводы 98

Вопросы и задания 98

Лекция 11. Основные принципы построения систем ввода/вывода 98

Физические принципы организации ввода-вывода 99

Интерфейс 99

Магистрально-модульный способ построения ЭВМ 100

Структура контроллера устройства 103

Опрос устройств и прерывания. Исключительные ситуации и системные вызовы 103

Организация передачи данных 105

Прямой доступ к памяти (Direct Memory Access – DMA) 106

Логические принципы организации ввода-вывода 107

Структура системы ввода-вывода 108

Буферизация и кэширование 109

Структура шин современного ПК 110

PCI Express 113

Чипсет 114

Выводы 115

Вопросы и задания 116

Лекция 12. Особенности архитектуры современных высокопроизводительных ВС 116

Классификация архитектур по параллельной обработке данных 117

Параллелизм вычислительных процессов 118

Параллелизм на уровне команд – однопроцессорные архитектуры 119

Конвейерная обработка 120

Суперскалярные архитектуры 122

Мультипроцессорные системы на кристалле 124

Технология Hyper-Threading  124

Многоядерность — следующий этап развития 128

Выводы 130

Вопросы и задания 130

Лекция 13. Архитектура многопроцессорных ВС 130

Введение 130

SMP архитектура 130

MPP архитектура 133

Гибридная архитектура (NUMA) 134

Организация когерентности многоуровневой иерархической памяти. 135

 PVP архитектура 136

Кластерная архитектура 136

Проблемы выполнения сети связи процессоров в кластерной системе. 136

Выводы 139

Лекция 14. Кластерные системы 140

Концепция кластерных систем 140

Разделение на High Availability и High Performance системы 142

Проблематика High Performance кластеров 142

Проблематика High Availability кластерных систем 143

Смешанные архитектуры 144

Лекция 15 Многомашинные системы – вычислительные сети 145

Введение 145

Простейшие виды связи сети передачи данных 146

Связь компьютера с периферийным устройством 146

Связь двух компьютеров 148

Многослойная модель сети 149

Функциональные роли компьютеров в сети 150

Одноранговые сети 152

Сети с выделенным сервером 153

Гибридная сеть 156

Сетевые службы и операционная система 157

Лекция 17. Сети и сетевые операционные системы 158

Введение 158

Для чего компьютеры объединяют в сети 158

Сетевые и распределенные операционные системы 159

Взаимодействие удаленных процессов как основа работы вычислительных сетей 159

Основные вопросы логической организации передачи информации между удаленными процессами 161

Понятие протокола 162

Многоуровневая модель построения сетевых вычислительных систем 164

Проблемы адресации в сети 167

Одноуровневые адреса 167

Двухуровневые адреса 167

Удаленная адресация и разрешение адресов 168

Локальная адресация. Понятие порта 170

Полные адреса. Понятие сокета (socket) 171

Проблемы маршрутизации в сетях 171

Связь с установлением логического соединения и передача данных с помощью сообщений 174

Синхронизация удаленных процессов 175

Заключение 175

Список литературы: 175