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 – 2006
Содержание
Лекция 1. Базовые понятия информации 7
Введение 7
Информация, энтропия и избыточность при передаче данных 9
Информационные процессы 10
Основные структуры данных 11
Обработка данных 11
Способы представления информации и два класса ЭВМ 11
Представление данных в ЭВМ. 12
Выводы 13
Вопросы и задания 14
Лекция 2. Компьютер – общие сведения 14
АЛУ 14
Центральное процессорное устройство 15
Устройства ввода/вывода 16
Память 16
Классификация запоминающих устройств 17
Оперативная память 18
Основные внешние устройства компьютера 20
Основные характеристики персональных компьютеров 23
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. 30
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
Назначение процессора и его устройство 47
АЛУ 47
Устройство управления 48
Микропроцессорная память 49
Основная (оперативная) память - структура адресной памяти 50
Интерфейсная часть МП 52
Тракт данных типичного процессора 52
Базовые команды 53
Трансляторы 54
Архитектура системы команд и классификация процессоров 55
Микроархитектура процессора Pentium II 57
Выводы 58
Вопросы и задания 58
Лекция 6 Структурная организация ЭВМ - память 59
Общие сведения 59
Иерархия памяти компьютера 61
Оперативная память, типы ОП 62
Логическая организация памяти 63
Связывание адресов 63
Функции системы управления памятью 64
Кэш-память 65
Кэш-память прямого отображения 66
Тэг Строка Слово (байт) 67
Способы организации кэш-памяти 68
Разновидности строения кэш-памяти 71
Выводы 72
Вопросы и задания 72
Лекция 7 Логическая организация памяти 72
Введение 72
Адресная, ассоциативная и стековая организация памяти 73
Стековая память 75
Сегментная организация памяти. 75
Косвенная адресация 77
Типы адресов 78
Понятие виртуальной памяти 79
Страничное распределение 79
Свопинг 82
Выводы 83
Вопросы и задания 83
Лекция 8 Внешняя память компьютера 83
Введение 83
Жесткий диск (Hard Disk Drive) 83
Конструкция жесткого диска 84
Основные характеристики НМД: 85
Способы кодирования данных 86
Интерфейсы НМД 87
Структура хранения информации на жестком диске 87
Таблица размещения файлов 88
Кластер 88
Методы борьбы с кластеризацией 89
Магнито-оптические диски 90
Дисковые массивы и уровни RAID 91
Лазерные компакт-диски CD - ROM 93
CD-R 93
CD-RW 94
DVD 94
Выводы 95
Вопросы и задания 95
Лекция 9 Основные принципы построения систем ввода/вывода 95
Физические принципы организации ввода-вывода 96
Интерфейс 96
Магистрально-модульный способ построения ЭВМ 96
Структура контроллера устройства 99
Опрос устройств и прерывания. Исключительные ситуации и системные вызовы 100
Организация передачи данных 102
Прямой доступ к памяти (Direct Memory Access – DMA) 103
Логические принципы организации ввода-вывода 104
Структура системы ввода-вывода 105
Буферизация и кэширование 106
Заключение 107
Структура шин современного ПК 108
PCI Express 111
Чипсет 111
Выводы 113
Вопросы и задания 113
Лекция 10. BIOS и его настройки 113
Введение 113
Начальная загрузка компьютера 113
ЦПУ 114
B I O S 114
Вход в BIOS и основные параметры системы 116
Общие свойства – стандартная настройка параметров 117
Свойства BIOS 118
Свойства других чипсетов 119
Свойства интегрированных устройств 119
Свойства слотов PCI 121
Управление питанием 121
Пароли 122
Лекция 11 Особенности архитектуры современных ВС 123
Область применения и способы оценки производительности МВС 124
Классификация архитектур по параллельной обработке данных 126
Параллелизм вычислительных процессов 127
Параллелизм на уровне команд – однопроцессорные архитектуры 128
Конвейерная обработка 129
Суперскалярные архитектуры 131
Мультипроцессорные системы на кристалле 133
Технология Hyper-Threading 133
Многоядерность — следующий этап развития 137
Многопроцессорные архитектуры – параллелизм на уровне процессоров 139
Векторные компьютеры 139
Использование параллельных вычислительных систем 140
Выводы 141
Вопросы и задания 141
Лекция 12 Архитектура многопроцессорных ВС 141
Введение 141
SMP архитектура 141
MPP архитектура 143
Гибридная архитектура (NUMA) 144
Организация когерентности многоуровневой иерархической памяти. 145
PVP архитектура 146
Кластерная архитектура 146
Проблемы выполнения сети связи процессоров в кластерной системе. 146
Выводы 149
Лекция 13 Кластерные системы 149
Концепция кластерных систем 150
Разделение на High Avalibility и High Performance системы 151
Проблематика High Performance кластеров 152
Проблематика High Availability кластерных систем 152
Смешанные архитектуры 153
Лекция 14 Высокопроизводительные процессоры 155
Ассоциативные процессоры 155
Конвейерные процессоры 156
Матричные процессоры 157
Клеточные и ДНК процессоры 158
ДНК-процессоры 158
Клеточные компьютеры 160
Трансгенные технологии 160
Коммуникационные процессоры 161
Процессоры баз данных 162
Потоковые процессоры 163
Нейронные процессоры 163
Искусственные нейронные сети 165
Нейрокомпьютеры 165
Процессоры с многозначной (нечеткой) логикой 166
Лекция 15 Многомашинные системы – вычислительные сети 169
Введение 169
Простейшие виды связи сети передачи данных 169
Связь компьютера с периферийным устройством 170
Связь двух компьютеров 171
Многослойная модель сети 173
Функциональные роли компьютеров в сети 174
Одноранговые сети 175
Сети с выделенным сервером 176
Гибридная сеть 179
Сетевые службы и операционная система 180
Лекция 16. Файловая система компьютера 181
Введение 181
Общие сведения о файлах 183
Организация файлов и доступ к ним 184
Операции над файлами 186
Директории. Логическая структура файлового архива 187
Разделы диска. Организация доступа к архиву файлов. 189
Операции над директориями 189
Защита файлов 190
Контроль доступа к файлам 190
Списки прав доступа 190
Заключение 191
Лекция 17. Сети и сетевые операционные системы 192
Введение 192
Для чего компьютеры объединяют в сети 192
Сетевые и распределенные операционные системы 193
Взаимодействие удаленных процессов как основа работы вычислительных сетей 193
Основные вопросы логической организации передачи информации между удаленными процессами 195
Понятие протокола 196
Многоуровневая модель построения сетевых вычислительных систем 197
Проблемы адресации в сети 201
Одноуровневые адреса 201
Двухуровневые адреса 201
Удаленная адресация и разрешение адресов 202
Локальная адресация. Понятие порта 204
Полные адреса. Понятие сокета (socket) 205
Проблемы маршрутизации в сетях 205
Связь с установлением логического соединения и передача данных с помощью сообщений 208
Синхронизация удаленных процессов 209
Заключение 209
Лекция 18. Система счисления и архитектура ЭВМ 209
Введение 209
Системы счисления и их роль в истории компьютеров 210
«Золотое сечение» и компьютер Фибоначчи 213
Геометрическое определение "золотого сечения" 214
Алгебраические свойства золотой пропорции 215
Фибонччи и компьютеры 219
"Троичный принцип" Николая Брусенцова. 223
Список литературы: 223