- •Московский государственный институт
- •Лекция 1. Базовые понятия информации Введение
- •Информация, энтропия и избыточность при передаче данных
- •Информационные процессы
- •Основные структуры данных
- •Обработка данных
- •Способы представления информации и два класса эвм
- •Кодирование информации
- •Представление данных в эвм.
- •Форматы файлов
- •Кодирование чисел
- •Кодирование текста
- •Кодирование графической информации
- •Кодирование звука
- •Типы данных
- •Вопросы и задания
- •Лекция 2. Компьютер – общие сведения
- •Материнская плата
- •Интерфейсные шины
- •Основные внешние устройства компьютера
- •Вопросы и задания
- •Лекция 3. Многоуровневая компьютерная организация
- •Архитектура компьютера
- •Классическая структура эвм - модель фон Неймана
- •Особенности современных эвм
- •Вопросы и задания
- •Библиотеки стандартных программ и ассемблеры
- •Высокоуровневые языки и системы автоматизированного программирования
- •Диалоговые ос и субд
- •Прикладные программы иCase– технологии
- •Компьютерные сети и мультимедиа
- •Операционные системы
- •Лекция 5.Вычислительные системы - общие сведения Введение
- •Общие требования
- •Классификация компьютеров по областям применения
- •Персональные компьютеры и рабочие станции
- •Суперкомпьютеры
- •Увеличение производительности эвм, за счет чего?
- •Параллельные системы
- •Использование параллельных вычислительных систем
- •Закон Амдала и его следствия
- •Вопросы и задания
- •Лекция 6. Структурная организация эвм - процессор Введение
- •Что известно всем
- •Микропроцессорная система
- •Что такое микропроцессор?
- •Назначение элементов процессора
- •Устройство управления
- •Микропроцессорная память
- •Структура адресной памяти процессора
- •Интерфейсная часть мп
- •Тракт данных типичного процессора
- •Базовые команды
- •Трансляторы
- •Архитектура системы команд и классификация процессоров
- •Микроархитектура процессораPentiumIi
- •512 Кбайт
- •Вопросы и задания
- •Лекция 7. Структурная организация эвм - память Общие сведения
- •Верхняя
- •Расширенная
- •Верхняя память (Upper Memory Area) – это 384 Кбайт, зарезервированных у верхней границы системной памяти. Верхняя память разделена на несколько частей:
- •Первые 128 Кбайт являются областью видеопамяти и предназначены для использовании видеоадаптерами, когда на экран выводится текст или графика, в этой области хранятся образы изображений;
- •Видеопамять
- •Иерархия памяти компьютера
- •Оперативная память, типы оп
- •Тэг Строка Слово (байт)
- •Способы организации кэш-памяти
- •1. Где может размещаться блок в кэш-памяти?
- •2. Как найти блок, находящийся в кэш-памяти?
- •3. Какой блок кэш-памяти должен быть замещен при промахе?
- •4. Что происходит во время записи?
- •Разновидности строения кэш-памяти
- •Вопросы и задания
- •Лекция 8. Логическая организация памяти
- •Виртуальная память
- •Основная память
- •Дисковая память
- •Страничная организация памяти
- •Преобразование адресов
- •Сегментная организация памяти.
- •Свопинг
- •Вопросы и задания
- •Лекция 9. Методы адресации
- •Лекция 10. Внешняя память компьютера Введение
- •Жесткий диск (Hard Disk Drive)
- •Конструкция жесткого диска
- •Основные характеристики нмд:
- •Способы кодирования данных
- •Интерфейсы нмд
- •Структура хранения информации на жестком диске
- •Кластер
- •Методы борьбы с кластеризацией
- •Магнито-оптические диски
- •Дисковые массивы и уровни raid
- •Лазерные компакт-дискиCd-rom
- •Вопросы и задания
- •Лекция 11. Основные принципы построения систем ввода/вывода
- •Физические принципы организации ввода-вывода
- •Интерфейс
- •Магистрально-модульный способ построения эвм
- •Структура контроллера устройства
- •Опрос устройств и прерывания. Исключительные ситуации и системные вызовы
- •Организация передачи данных
- •Прямой доступ к памяти (Direct Memory Access – dma)
- •Логические принципы организации ввода-вывода
- •Структура системы ввода-вывода
- •Буферизация и кэширование
- •Структура шин современного пк
- •Мост pci
- •Вопросы и задания
- •Лекция 12. Особенности архитектуры современных высокопроизводительных вс
- •Классификация архитектур по параллельной обработке данных
- •Вычислительные Системы
- •Параллелизм вычислительных процессов
- •Параллелизм на уровне команд – однопроцессорные архитектуры
- •Конвейерная обработка
- •Суперскалярные архитектуры
- •Мультипроцессорные системы на кристалле
- •Технология Hyper-Threading
- •Многоядерность — следующий этап развития
- •Вопросы и задания
- •Лекция 13. Архитектура многопроцессорных вс Введение
- •Smp архитектура
- •MpPархитектура
- •Гибридная архитектура (numa)
- •Организация когерентности многоуровневой иерархической памяти.
- •Pvp архитектура
- •Кластерная архитектура
- •Проблемы выполнения сети связи процессоров в кластерной системе.
- •Лекция 14. Кластерные системы
- •Концепция кластерных систем
- •Разделение на High Availability и High Performance системы
- •Проблематика High Performance кластеров
- •Проблематика High Availability кластерных систем
- •Смешанные архитектуры
- •Лекция 15 Многомашинные системы – вычислительные сети Введение
- •Простейшие виды связи сети передачи данных
- •Связь компьютера с периферийным устройством
- •Связь двух компьютеров
- •Многослойная модель сети
- •Функциональные роли компьютеров в сети
- •Одноранговые сети
- •Сети с выделенным сервером
- •Гибридная сеть
- •Сетевые службы и операционная система
- •Лекция 17. Сети и сетевые операционные системы Введение
- •Для чего компьютеры объединяют в сети
- •Сетевые и распределенные операционные системы
- •Взаимодействие удаленных процессов как основа работы вычислительных сетей
- •Основные вопросы логической организации передачи информации между удаленными процессами
- •Понятие протокола
- •Многоуровневая модель построения сетевых вычислительных систем
- •Проблемы адресации в сети
- •Одноуровневые адреса
- •Двухуровневые адреса
- •Удаленная адресация и разрешение адресов
- •Локальная адресация. Понятие порта
- •Полные адреса. Понятие сокета (socket)
- •Проблемы маршрутизации в сетях
- •Связь с установлением логического соединения и передача данных с помощью сообщений
- •Синхронизация удаленных процессов
- •Заключение
- •Список литературы:
Лекция 5.Вычислительные системы - общие сведения Введение
Один из основателей и глава компании IntelГордон Мур в 1965 году сформулировал статистическую закономерность, названную позднее – законом Мура:
«Число транзисторов на чипе и производительность компьютеров возрастает вдвое каждые 18 месяцев».
Закон Мура связан с тем, что некоторые экономисты называют эффективным циклом. Действительно, увеличение производительности машин приводит к падению цен, это вызывает появление новых прикладных программ (никому не приходило в голову разрабатывать компьютерные игры для машин стоимостью 10 млн. долларов). Новые прикладные программы – новые рынки – появление новых компаний – повышение конкуренции – понижение цены – новое качество. И над всем этим его величество – потребитель, который предъявляет свои требования к продукту, которые постоянно растут.
Общие требования
К современным компьютерам и вычислительным системам предъявляются следующие требования:
Отношение стоимость/производительность
Надежность и отказоустойчивость
Масштабируемость
Совместимость и мобильность программного обеспечения
Отношение стоимость/производительность
Начнем с очевидного. Суперкомпьютеры – приоритет производительность, стоимостные характеристики на втором плане. Персональные компьютеры – на первом месте стоимостные характеристики, производительность на втором плане.
Между этими двумя крайними направлениями находятся конструкции, основанные на отношении стоимость/ производительность, в которых разработчики находят баланс между стоимостными параметрами и производительностью. Типичными примерами такого рода компьютеров являются миникомпьютеры и рабочие станции.
Производительность
Зачастую производительность вычислительной машины подменяют термином быстродействие и при этом считают, что производительность это – среднестатистическое число операций (кроме операций ввода/вывода), выполняемых машиной в единицу времени.Не вдаваясь в тонкости классификации примем этот подход. Различаютпиковую производительность – производительность процессора без учета времени обращения к оперативной памяти;номинальную – производительность процессора с учетом обращений к ОП;системную – общее время выполнения задания с учетом базовых технических и программных средств.
Пиковая производительность компьютера вычисляется однозначно, и эта характеристика является базовой, по которой производят сравнение высокопроизводительных вычислительных систем. Чем больше пиковая производительность, тем теоретически быстрее пользователь сможет решить свою задачу. Пиковая производительность есть величина теоретическая и, вообще говоря, не достижимая при запуске конкретного приложения. Реальная же производительность, достигаемая на данном приложении, зависит от взаимодействия программной модели, в которой реализовано приложение, с архитектурными особенностями машины, на которой приложение запускается.
В качестве единиц измерения используются:
MIPS(MillionInstructionPerSecond) – миллион целочисленных операций в секунду;
MFLOPS(MillionFloatingOperationsPerSecond) – миллион операций над числами с плавающей запятой в секунду, ну и конечно их производныеT,G,…
Системная производительность измеряется с помощью синтезированных тестовых
программ. Результаты оценки ЭВМ конкретной архитектуры приводятся относительно базового образца.
Надежность
Важнейшей характеристикой вычислительных систем является надежность. Повышение надежности основано на принципе предотвращения неисправностей путем снижения интенсивности отказов и сбоев за счет применения электронных схем и компонентов с высокой и сверхвысокой степенью интеграции, снижения уровня помех, облегченных режимов работы схем, обеспечение тепловых режимов их работы, а также за счет совершенствования методов сборки аппаратуры.
Отказоустойчивость- это такое свойство вычислительной системы, которое обеспечивает ей, как логической машине, возможность продолжения действий, заданных программой, после возникновения неисправностей. Введение отказоустойчивости требует избыточного аппаратного и программного обеспечения.
Масштабируемость
Масштабируемость представляет собой принципиальную возможность бесконфликтного изменения конфигурации компьютера в процессе эксплуатации, адаптируя его к конкретным условиям эксплуатации. Масштабируемость должна обеспечиваться архитектурой и конструкцией компьютера, а также соответствующими средствами программного обеспечения.
Добавление каждого нового процессора в действительно масштабируемой системе должно давать прогнозируемое увеличение производительности и пропускной способности при приемлемых затратах. Одной из основных задач при построении масштабируемых систем является минимизация стоимости расширения компьютера и упрощение планирования. В идеале добавление процессоров к системе должно приводить к линейному росту ее производительности. Однако это не всегда так. Потери производительности могут возникать, например, при недостаточной пропускной способности шин из-за возрастания трафика между процессорами и основной памятью, а также между памятью и устройствами ввода/вывода. В действительности реальное увеличение производительности трудно оценить заранее, поскольку оно в значительной степени зависит от динамики поведения прикладных задач.
Совместимость
Совместимость проявляется на аппаратном и программном уровнях. Аппаратная совместимость дает возможность комплексировать аппаратуру разных производителей, что предполагает унификацию разъемов, электрических параметров и логики сигналов различных устройств. Программная совместимость обеспечивает работоспособность программы, написанной для одного компьютера, на другом без какой либо перекомпиляции и редактирования.
Концепция программной совместимости впервые в широких масштабах была применена разработчиками системы IBM/360. Основная задача при проектировании всего ряда моделей этой системы заключалась в создании такой архитектуры, которая была бы одинаковой с точки зрения пользователя для всех моделей системы независимо от цены и производительности каждой из них. Огромные преимущества такого подхода, позволяющего сохранять существующий задел программного обеспечения при переходе на новые (как правило, более производительные) модели были быстро оценены как производителями компьютеров, так и пользователями и начиная с этого времени практически все фирмы-поставщики компьютерного оборудования взяли на вооружение эти принципы, поставляя серии совместимых компьютеров. Следует заметить однако, что со временем даже самая передовая архитектура неизбежно устаревает и возникает потребность внесения радикальных изменений в архитектуру и способы организации вычислительных систем.