Организация ЭВМ и систем

Мы начинаем первое знакомство с величайшим достижением нашей цивилизации, стоящем в одном ряду с изобретением книгопечатания и открытием электричества – компьютером. Сначала мы вспомним базовые понятия информатики, как науки, изучающей основные аспекты получения, хранения, преобразования и передачи информации. Затем мы раскроем сущность, принцип работы компьютера как технического устройства.

Лекция 1. Базовые понятия информации 7
Введение 7
Информация, энтропия и избыточность при передаче данных 9
Информационные процессы 9
Основные структуры данных 10
Обработка данных 11
Способы представления информации и два класса ЭВМ 11
Представление данных в ЭВМ. 11
Выводы 13
Вопросы и задания 13
Лекция 2. Компьютер – общие сведения 14
Центральное процессорное устройство 15
Устройства ввода/вывода 16
Память 16
Классификация запоминающих устройств 17
Оперативная память 18
Основные внешние устройства компьютера 19
Основные характеристики персональных компьютеров 22
Выводы 24
Вопросы и задания 24
Лекция 3. Многоуровневая компьютерная организация 24
Архитектура компьютера 24
Классическая структура ЭВМ - модель фон Неймана 26
Особенности современных ЭВМ 28
Выводы 29
Вопросы и задания 29
Лекция 4. 29
Математическое обеспечение компьютеров 29
Библиотеки стандартных программ и ассемблеры 31
Высокоуровневые языки и системы автоматизированного программирования 31
Диалоговые ОС и СУБД 32
Прикладные программы и CASE – технологии 32
Компьютерные сети и мультимедиа 33
Операционные системы 33
Лекция 5.Вычислительные системы - общие сведения 35
Введение 35
Общие требования 36
Классификация компьютеров по областям применения 37
Персональные компьютеры и рабочие станции 37
Суперкомпьютеры 40
Увеличение производительности ЭВМ, за счет чего? 42
Параллельные системы 42
Использование параллельных вычислительных систем 44
Выводы 45
Вопросы и задания 45
Лекция 6 Структурная организация ЭВМ - процессор 45
Введение 45
Назначение процессора и его устройство 46
АЛУ 47
Устройство управления 47
Микропроцессорная память 49
Основная (оперативная) память - структура адресной памяти 49
Интерфейсная часть МП 51
Тракт данных типичного процессора 52
Базовые команды 53
Трансляторы 54
Архитектура системы команд и классификация процессоров 55
Микроархитектура процессора Pentium II 56
Выводы 58
Вопросы и задания 58
Лекция 6 Структурная организация ЭВМ - память 58
Общие сведения 58
Иерархия памяти компьютера 61
Оперативная память, типы ОП 62
Логическая организация памяти 63
Связывание адресов 63
Функции системы управления памятью 64
Кэш-память 64
Кэш-память прямого отображения 66
Способы организации кэш-памяти 68
Разновидности строения кэш-памяти 70
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 77
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) 84
Конструкция жесткого диска 85
Основные характеристики НМД: 86
Способы кодирования данных 86
Интерфейсы НМД 87
Структура хранения информации на жестком диске 88
Таблица размещения файлов 88
Кластер 89
Методы борьбы с кластеризацией 89
Магнито-оптические диски 90
Дисковые массивы и уровни RAID 91
Лазерные компакт-диски CD - ROM 93
CD-R 94
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 97
Структура контроллера устройства 100
Опрос устройств и прерывания. Исключительные ситуации и системные вызовы 100
Организация передачи данных 102
Прямой доступ к памяти (Direct Memory Access – DMA) 104
Логические принципы организации ввода-вывода 105
Структура системы ввода-вывода 105
Буферизация и кэширование 106
Заключение 107
Структура шин современного ПК 108
PCI Express 111
Чипсет 112
Выводы 113
Вопросы и задания 113
Лекция 10. BIOS и его настройки 113
Введение 113
Начальная загрузка компьютера 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 120
Свойства слотов PCI 121
Управление питанием 122
Пароли 123
Лекция 11 Особенности архитектуры современных ВС 123
Область применения и способы оценки производительности МВС 124
Классификация архитектур по параллельной обработке данных 125
Параллелизм вычислительных процессов 127
Параллелизм на уровне команд – однопроцессорные архитектуры 127
Конвейерная обработка 128
Суперскалярные архитектуры 131
Мультипроцессорные системы на кристалле 132
Технология Hyper-Threading 132
Многоядерность — следующий этап развития 136
Многопроцессорные архитектуры – параллелизм на уровне процессоров 138
Векторные компьютеры 138
Использование параллельных вычислительных систем 139
Выводы 140
Вопросы и задания 140
Лекция 12 Архитектура многопроцессорных ВС 140
Введение 140
SMP архитектура 140
MPP архитектура 142
Гибридная архитектура (NUMA) 143
Организация когерентности многоуровневой иерархической памяти. 144
PVP архитектура 145
Кластерная архитектура 145
Проблемы выполнения сети связи процессоров в кластерной системе. 145
Выводы 148
Лекция 13 Кластерные системы 148
Концепция кластерных систем 149
Разделение на High Avalibility и High Performance системы 150
Проблематика High Performance кластеров 151
Проблематика High Availability кластерных систем 152
Смешанные архитектуры 153
Лекция 14 Высокопроизводительные процессоры 154
Ассоциативные процессоры 154
Конвейерные процессоры 155
Матричные процессоры 156
Клеточные и ДНК процессоры 158
ДНК-процессоры 158
Клеточные компьютеры 159
Трансгенные технологии 160
Коммуникационные процессоры 160
Процессоры баз данных 162
Потоковые процессоры 162
Нейронные процессоры 163
Искусственные нейронные сети 164
Нейрокомпьютеры 164
Процессоры с многозначной (н