Московский государственный институт
ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ
Кафедра ЭВА
доцент, к.т.н., Мартиросян С.Т.
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
по курсу «Организация ЭВМ и систем»
для студентов специальности 220100 – Вычислительная техника, системы, комплексы и сети
МОСКВА – 2007
Содержание
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 13
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 24
Архитектура компьютера 25
Классическая структура ЭВМ - модель фон Неймана 26
Особенности современных ЭВМ 29
Выводы 29
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 32
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 37
Персональные компьютеры и рабочие станции 38
Суперкомпьютеры 41
Увеличение производительности ЭВМ, за счет чего? 42
Параллельные системы 42
Использование параллельных вычислительных систем 44
Выводы 45
Вопросы и задания 46
Лекция 6. Структурная организация ЭВМ - процессор 46
Введение 46
Микропроцессорная система 47
Что такое микропроцессор? 48
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 65
Кэш-память 66
Кэш-память прямого отображения 67
Тэг Строка Слово (байт) 68
Способы организации кэш-памяти 69
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 97
Вопросы и задания 98
Лекция 11. Основные принципы построения систем ввода/вывода 98
Физические принципы организации ввода-вывода 98
Интерфейс 99
Магистрально-модульный способ построения ЭВМ 99
Структура контроллера устройства 102
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 107
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 116
Параллелизм вычислительных процессов 118
Параллелизм на уровне команд – однопроцессорные архитектуры 119
Конвейерная обработка 119
Суперскалярные архитектуры 122
Мультипроцессорные системы на кристалле 124
Технология Hyper-Threading 124
Многоядерность — следующий этап развития 127
Выводы 129
Вопросы и задания 129
Лекция 13. Архитектура многопроцессорных ВС 129
Введение 129
SMP архитектура 129
MPP архитектура 130
Гибридная архитектура (NUMA) 132
Организация когерентности многоуровневой иерархической памяти. 133
PVP архитектура 133
Кластерная архитектура 134
Проблемы выполнения сети связи процессоров в кластерной системе. 134
Выводы 137
Лекция 14. Кластерные системы 137
Концепция кластерных систем 138
Разделение на High Availability и High Performance системы 139
Проблематика High Performance кластеров 140
Проблематика High Availability кластерных систем 140
Смешанные архитектуры 141
Лекция 15 Многомашинные системы – вычислительные сети 143
Введение 143
Простейшие виды связи сети передачи данных 144
Связь компьютера с периферийным устройством 144
Связь двух компьютеров 146
Многослойная модель сети 147
Функциональные роли компьютеров в сети 148
Одноранговые сети 149
Сети с выделенным сервером 150
Гибридная сеть 154
Сетевые службы и операционная система 154
Лекция 17. Сети и сетевые операционные системы 156
Введение 156
Для чего компьютеры объединяют в сети 156
Сетевые и распределенные операционные системы 157
Взаимодействие удаленных процессов как основа работы вычислительных сетей 157
Основные вопросы логической организации передачи информации между удаленными процессами 159
Понятие протокола 160
Многоуровневая модель построения сетевых вычислительных систем 161
Проблемы адресации в сети 165
Одноуровневые адреса 165
Двухуровневые адреса 165
Удаленная адресация и разрешение адресов 166
Локальная адресация. Понятие порта 168
Полные адреса. Понятие сокета (socket) 169
Проблемы маршрутизации в сетях 169
Связь с установлением логического соединения и передача данных с помощью сообщений 172
Синхронизация удаленных процессов 173
Заключение 173
Список литературы: 173