МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ

Кафедра ЭВА

доцент, к.т.н., Мартиросян С.Т.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

«Электронно-вычислительные машины и компьютерные сети»

по курсу «Организация ЭВМ и систем»

для студентов специальности 220100 – Вычислительная техника, системы, комплексы и сети

МОСКВА – 2011

УДК 651.14

Мартиросян С.Т., Электронно-вычислительные машины и компьютерные сети. Учебное пособие по курсу «Организация ЭВМ и систем», для студентов специальности 220100 – Москва, МГИЭМ, 2011 – 552 стр.

В пособии излагаются основы построения сети Интернет. Основные фундаментальные принципы и технологии, которые легли в его основу. Выполнен обзор понятийного аппарата объединенных сетей. Описаны современные концепции телекоммуникационных сетей и структур. Подробно излагаются основные протоколы Интернета.

Пособие рекомендовано для студентов и аспирантов, обучающихся по специальности 220100.

Рецензенты:

Заместитель генерального директора и Руководитель отдела проектирования компании «Стинс Коман» к.т.н. Хижняк П.Л.;

Проректор по науке МГИЭМ и заведующий кафедрой «ЭВА», д.т.н., профессор Азаров В.Н.

Тем. план 2009. поз 5

Содержание

Лекция 1. Информационные процессы в ЭВМ 7

Введение 7

Основные структуры данных 8

Обработка данных 9

Способы представления информации и два класса ЭВМ 9

Кодирование информации 9

Представление данных в ЭВМ. 10

Форматы файлов 10

Кодирование чисел 11

Кодирование текста 12

Кодирование графической информации 12

Кодирование звука 13

Типы данных 14

Байт Байт 14

Выводы 16

Лекция 2. Компьютер – общие сведения 16

Основные узлы ПК – «Материнская плата» 17

Интерфейсные шины 19

Основные внешние устройства компьютера 21

Выводы 23

Вопросы и задания 24

Лекция 3. Многоуровневая компьютерная организация 25

Архитектура компьютера 25

Классическая структура ЭВМ - модель фон Неймана 27

1 Двоичная система счисления - компьютеры на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления; 27

1. Принцип программного управления и хранимой в памяти программы - компьютер работает под управлением программы, программа должна размещаться в одном из блоков компьютера - в запоминающем устройстве (первоначально программа задавалась путем установки перемычек на коммутационной панели); 27

2. Принцип однородности - команды, так же как и данные, с которыми оперирует компьютер, хранятся в одном блоке памяти и записываются в двоичном коде, то есть по форме представления команды и данные однотипны и хранятся в одной и той же области памяти; 27

3. Принцип адресности – основная память структурно состоит из нумерованных ячеек, т.е. доступ к командам и данным осуществляется по адресу. Трудности физической реализации запоминающего устройства большого быстродействия и большой памяти требуют иерархической организации памяти; 27

4. В компьютере используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над двоичными кодами осуществляются одновременно над всеми разрядами). 28

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 34

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

Увеличение производительности ЭВМ, за счет чего? 41

Параллельные системы 41

Суперкомпьютеры 43

Разновидности высокопроизводительных систем и области их применения 44

Ограничения производительности ВС 46

Выводы 47

Вопросы и задания 47

Лекция 6 (а). Структурная организация ЭВМ - процессор 47

Введение 47

Микропроцессорная система 48

Что такое микропроцессор? 50

да 50

данные, команды адреса команд и данных 50

АЛУ 51

результат признаки рез-та 51

Микроархитектура процессора 52

Лекция 6 (с) 60

Устройство управления 60

Микропроцессорная память 62

Структура адресной памяти процессора 62

Интерфейсная часть МП 63

Трансляторы 64

Классификация процессоров 68

Микроархитектура процессора Pentium II 69

Выводы 71

Вопросы и задания 71

Лекция 7. Структурная организация ЭВМ - память 71

Классификация памяти 73

Распределение системной памяти 73

Оперативная память, типы ОП 75

Кэш-память 76

Кэш-память прямого отображения 77

Тэг Строка Слово (байт) 78

Способы организации кэш-памяти 79

Алгоритм псевдо LRU. 81

Разновидности строения кэш-памяти 83

Выводы 84

Вопросы и задания 85

Лекция 8. Логическая организация памяти 85

Виртуальная память 86

Страничная организация памяти 88

Преобразование адресов 89

Сегментная организация памяти. 90

Свопинг 92

Выводы 93

Вопросы и задания 93

Лекция 9. Методы адресации 93

Лекция 10. Внешняя память компьютера 99

Введение 99

Жесткий диск (Hard Disk Drive) 100

Общее устройство НЖМД 100

Пластины (диски) 101

Головка записи-чтения 102

Позиционер 104

Контроллер 104

Производительность 104

Структура хранения информации на жестком диске 105

Таблица размещения файлов 105

Кластер 106

Магнитооптические диски 106

Лазерные компакт-диски CD - ROM 107

CD-R 108

CD-RW 108

DVD 108

Дисковые массивы и уровни RAID 109

RAID 0: Базовая конфигурация. 109

RAID1: Зеркальные диски. 110

Выводы 112

Вопросы и задания 112

Лекция 11. Основные принципы построения систем ввода/вывода 112

Физические принципы организации ввода-вывода 113

Магистрально-модульный способ построения ЭВМ 113

Структура контроллера устройства ввода-вывода 116

Опрос устройств и прерывания. Исключительные ситуации и системные вызовы 117

Организация передачи данных 119

Стандартные интерфейсы и шины систем ввода-вывода 121

PCI Express 124

Чипсет 124

Выводы 125

Вопросы и задания 126

Лекция 12. Особенности архитектуры современных высокопроизводительных ВС 126

Классификация архитектур по параллельной обработке данных 128

Параллелизм вычислительных процессов 130

Параллелизм на уровне команд – однопроцессорные архитектуры 130

Конвейерная обработка 131

Суперскалярные архитектуры 134

Мультипроцессорные системы на кристалле 135

Технология Hyper-Threading  135

Многоядерность — следующий этап развития 139

Выводы 141

Вопросы и задания 141

Лекция 13. Архитектура многопроцессорных ВС 141

Введение 141

Одной из отличительных особенностей многопроцессорной вычислительной системы является сеть обмена, с помощью которой процессоры соединяются друг с другом и/или с памятью. Существуют две основные модели межпроцессорного обмена: одна основана на передаче сообщений, другая - на использовании общей памяти. К первой группе относятся машины с общей (разделяемой) основной памятью, объединяющие до нескольких десятков (обычно менее 32) процессоров. В многопроцессорной системе с общей памятью один процессор осуществляет запись в конкретную ячейку, а другой процессор производит считывание из этой ячейки памяти. 141

SMP архитектура 141

SMP архитектура (symmetric multiprocessing) - симметричная многопроцессорная архитектура. Главной особенностью систем с архитектурой SMP является наличие общей физической памяти, разделяемой всеми процессорами. 141

Сравнительно небольшое количество процессоров в таких машинах позволяет иметь одну централизованную общую память и объединить процессоры и память с помощью одной шины. Такой способ организации со сравнительно небольшой разделяемой памятью в настоящее время является наиболее популярным. Структура подобной системы представлена на рис. 13.1. 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 14. Кластерные системы 149

Концепция кластерных систем 149

1. Высокая готовность 150

2. Высокое быстродействие 150

3. Масштабирование 150

4. Общий доступ к ресурсам 150

5. Удобство обслуживания 150

Разделение на High Availability и High Performance системы 151

Проблематика High Performance кластеров 152

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 159

Функциональные роли компьютеров в сети 160

Одноранговые сети 161

Сети с выделенным сервером 162

Гибридная сеть 166

Сетевые службы и операционная система 166

Лекция 17. Сети и сетевые операционные системы 168

Введение 168

Для чего компьютеры объединяют в сети 168

Сетевые и распределенные операционные системы 169

Взаимодействие удаленных процессов как основа работы вычислительных сетей 169

Основные вопросы логической организации передачи информации между удаленными процессами 171

Понятие протокола 172

Многоуровневая модель построения сетевых вычислительных систем 173

Проблемы адресации в сети 177

Одноуровневые адреса 177

Двухуровневые адреса 177

Удаленная адресация и разрешение адресов 178

Локальная адресация. Понятие порта 180

Полные адреса. Понятие сокета (socket) 181

Проблемы маршрутизации в сетях 181

Связь с установлением логического соединения и передача данных с помощью сообщений 184

Синхронизация удаленных процессов 185

Заключение 185

Список литературы: 185

Лекция 1. Информационные процессы в эвм Введение

Мы понимаем под информацией все, так или иначе оформленные сведения или сообщения о вещах и явлениях, которые уменьшают степень неопределенности, хаотичности знаний об этих вещах или явлениях. Информация не есть нечто статичное, неизменное, она не существует вне взаимодействия объектов. Как правило, с ней все время что-то происходит, т.е. осуществляются информационные процессы. Эти процессы можно разделить на четыре группы – сбор, хранение, обработка и передача информации.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

КС КС КС КС

СБОР

ХРАНЕНИЕ

ОБРАБОТКА

ПЕРЕДАЧА

Канал Связи (параметр - пропускная способность)

СООБЩЕНИЕ

(отформатир-ные

данные, интерпретация информационных кодов)

ДАННЫЕ

(зарегистрированные сигналы, датчик)

преобразователь)

Сигналы

КС

ОБЪЕКТ

Рис. 1.1 Информационные процессы

Восприятие информации приемником – преобразователем осуществляется при помощи сигналов. Сигналы имеют различную физическую природу и являются продуктами энергообмена, имеющие в своей основе материальную природу. Технические средства, преобразующие сигналы в форму, удобную для восприятия (человеком, техническим средством) называются первичными преобразователями информации или датчиками.

Данные – это зарегистрированные сигналы. Данные, несоответствующие ни каким целям объекта, не несут для него информацию и, поэтому, пропадают, возвращая объект в то состояние, в котором он был до получения этих данных.

Данные, зафиксированные в некоторой материальной форме, способные сохраняться и передаваться уже представляют собой скрытую, зашифрованную информацию и называются сообщением. Для того, что бы из данных получить информацию надо иметь алгоритм преобразования или механизм интерпретации информационных кодов. Материальная среда, определяющая взаимодействие между источником и приемником сообщения, называется каналом связи.

Данные не тождественны информации.

Примеры: состязание бегунов, пловцов – регистрация начального и конечного положения стрелки механического секундомера – перемещение стрелки это регистрация данных (однако информации о времени преодоления дистанции пока нет) – метод пересчета одной физической величины в другую (четверть круга – 15 секунд) позволяет получить информацию о скорости перемещения бегуна. Другой пример – напишем последовательность нескольких телефонных номеров:

302 65 21; 145 44 75; 194 05 67 и т.д.

Непосвященный человек воспримет эти цифры как данные ему ни о чем не говорящие. Если теперь подписать рядом с числами название и имена абонентов – это уже данные, с которыми можно работать, использовать - т.е. ИНФОРМАЦИЯ. Для получения информации необходим алгоритм обработки данных, механизм интерпретации данных. Прежде чем данные обрабатывать их нужно отформатировать или, лучше сказать, структурировать.