Кафедра К3 Прикладная математика, информатика
и вычислительная техника

Цель и задачи изучения дисциплины. Её содержание. Понятие структуры и архитектуры вычислительной машины. История развития вычислительной техники, поколения ЭВМ. Концепция машины с хранимой в памяти программой. Принципы Фон Неймана. Классификация вычислительных машин.

• Понятие системы счисления. Перевод целых и дробных чисел из одной системы счисления в другую. Двоичная и шестнадцатеричная системы счисления. Десятичная двоично кодированная система счисления. Представление целых чисел. Прямой, обратный и дополнительный коды. Представление чисел с фиксированной запятой, с плавающей запятой. Форматы представления данных. Стандарт IEEE-754.
• Выполнение арифметических операций. Сложение, вычитание. Умножение на 2 в степени +/-К. Умножение и деление чисел с фиксированной точкой. Арифметика с плавающей запятой.

• Понятие архитектуры системы команд (АСК). Классификация АСК: CISK, RISK, VLIW. Функциональная и структурная организация классической ВМ. Понятие машинного цикла. Основные этапы цикла. Связь с понятиями микропрограммы и микрокоманды. Процессоры с CISC и RISC архитектурой. Архитектура VLIW. Форматы команд. Система команд. Способы адресации операндов и команд. АСК на примере процессора NIOS II.
• Основные направления совершенствования архитектуры процессоров. Конвейеризация вычислений. Синхронные и асинхронные конвейеры. Конфликты в конвейере команд. Структурный риск, риск по данным, риск по управлению. Проблема условного перехода и методы её решения. Проблема неупорядоченной выдачи команд и способы её решения: переименование регистров и переупорядочивание команд. Суперконвейерные и суперскалярные процессоры. Многоядерные процессоры.

• Иерархическая организация памяти. Характеристики ЗУ внутренней памяти. Основная память. Микросхемы памяти. Оперативные ЗУ. Статические и динамические ЗУ. Модули основной памяти. Постоянные ЗУ.
• Кэш —память. Типы кэш-памяти. Полностью ассоциативный кэш, кэш с прямым отображением, ассоциативный по множеству кэш. Алгоритмы замещения информации в заполненной кэш памяти. Совмещенный и разделенный кэш. Уровни кэш-памяти.
• Понятие виртуальной памяти. Сегментная организация памяти, страничная организация памяти. Защита памяти.
• Характеристики внешней памяти. Магнитные диски. RAID-массивы. Твердотельные накопители. Оптические диски. Магнитные ленты.

• Конвейеризация вычислений. Синхронные и асинхронные, линейные и нелинейные конвейеры. Конвейер команд и конфликты в нём. Структурный риск, риск по данным, риск по управлению. Проблема условного перехода и методы её решения.
• Суперконвейерные процессоры и суперскалярные процессоры. Проблема неупорядоченной выдачи команд и способы её решения: переименование регистров и переупорядочивание команд. Многоядерные процессоры.

• Адресное пространство ввода-вывода. Раздельное пространство, совмещенное пространство. Устройства ввода-вывода. Периферийные устройства. Способы организации ввода/вывода: программно-управляемый ввод/вывод, ввод/вывод в режиме прерывания, прямой доступ к памяти.
• Векторные прерывания в процессорных системах х86. Контроллер приоритетных прерываний. Прямой доступ к памяти. Контроллер прямого доступа к памяти. Структура и принцип действия.

Понятие шины. Типы шин: системная шина, шина ввода/ вывода, шина «процессор — память». Иерархия шин. Аспекты физической реализации шин. Выделенные и мультиплексируемые шины. Арбитраж шин. Особенности синхронного и асинхронного протоколов. Методы повышения эффективности шин.

Понятие вычислительной системы. Классификация вычислительных систем по Флинну. Векторные и векторно-конвейерные вычислительные системы. Матричные вычислительные системы. Ассоциативные вычислительные системы. Память вычислительных систем. Суперэвм.

Микроконтроллеры (МК). Типовая структура микроконтроллера. Структурно-функциональная организация и особенности различных семейств МК. Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Системы на кристалле. Закономерности, проблемы и тенденции развития.

Основные понятия компьютерных сетей. Топологии компьютерных сетей. Модель OSI. Линии передачи данных. Коммутация и маршрутизация при передаче данных в сети. Активное сетевое оборудование. Локальные вычислительные сети. Технология Ethernet. Стек протоколов TCP/IP. Глобальные сети. Сеть Internet.

1. Цилькер Б. Я., Орлов С. А. Организация ЭВМ и систем. Учебник для вузов. 2-е изд. — СПб.: Питер, 2011 — 688 стр. (http://en.bookfi.net/book/720223)
2. Мелехин В. Ф., Павловский Е. Г. Вычислительные машины, системы и сети. Учебник для вузов. — М. Издательский центр «Академия», 2006. — 560 с. (http://en.bookfi.net/book/489946)
3. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. Учебное пособие. 2-е изд. — СПБ: БХВ-Петербург, 2007 — 782 с. (http://en.bookfi.net/book/556972)
4. Олифер В. Г., Олифер Н. А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. 3-е изд. — СПБ: Питер, 2006 —957 с. (http://en.bookfi.net/book/555529)
5. Жмакин А. П. Архитектура ЭВМ. 2-е изд., перераб. и доп. — СПб.: БХВ — Петербург, 2010. —352 с. (https://ru.b-ok.cc/book/2385105/87a1cd)
6. Гуров В. В., Чуканов В. О. Основы теории и организации ЭВМ. — М.: Интернет-Университет Информационных Технологий; БИНОМ. 2006. — 272 с. (https://freedocs.xyz/pdf-41038494)

7. Амосов В. В. Схемотехника и средства проектирования цифровых устройств. — СПб.: БХВ — Петербург, 2007. — 560 с. (https://www.razym.ru/tehnicheskaya/electronika/259217-amosov-v-shemotehnika-i-sredstva-proektirovaniya-cifrovyh-ustroystv-2012.html)
8. Древс Ю. Г. Организация ЭВМ и вычислительных систем: Учебник для студ. вузов, обуч. по напр. «Информатика и вычислительная техника». — М.: Высшая школа, 2006. — 500 с.

• Ефремов Н. В., Бородин А. А. Инструментальные средства проектирования и отладки цифровых систем на программируемом кристалле фирмы «Altera». Учебное пособие. — М.: ФГБОУ ВПО МГУЛ, 2012. — 151 с.
• Ефремов Н. В. Создание процессорной системы на кристалле ПЛИС и последующее её исследование: учебно-методическое пособие. — М.: ФГБОУ ВПО МГУЛ, 2012. — 61 с.

• IEEE Standard for Floating-Point Arithmetic (IEEE 754) (http://irem.univ-reunion.fr/IMG/pdf/ieee-754-2008.pdf)
• ГОСТ 19.701-90 (ИСО 5807-85) Схемы алгоритмов, программ, данных и систем. (http://docs.cntd.ru/document/9041994)

• Электронно-библиотечная система издательства «Лань» (электронная учебная, методическая и научная литература по тематике дисциплины)
• Электронные издания Издательства МГТУ им. Н.Э. Баумана (электронная учебная, методическая и научная литература по тематике дисциплины)
• Электронный каталог библиотеки МГУЛ (учебная, методическая и научная литература по тематике дисциплины)
• Электронная образовательная среда МФ (для обеспечения учебно-методическими материалами, проверки знаний студентов по различным разделам дисциплины, подготовленности их к проведению и защите лабораторных работ)
• ALTERA DE 2-115. Development and Education Board. Описание учебного стенда на сайте компании INTEL.
• Учебные стенды «Altera DE 2-115» и «Altera DE 2-70». Видеоматериалы.
• Altera Monitor Program user manual. Описание приложения АМР на сайте компании Intel.