Архитектура ЭВМ

Цели и задачи дисциплины

Дисциплина "Архитектура ЭВМ" направлена на формирование у студентов системных знаний о принципах организации и функционирования современных вычислительных систем, а также навыков анализа и оптимизации производительности программного обеспечения с учётом особенностей аппаратной архитектуры. Основные цели: — Ознакомить студентов с фундаментальными принципами построения компьютеров (архитектуры фон Неймана и Гарвардская, классификация по Флинну, система команд, конвейерная обработка, иерархия памяти). — Научить анализировать влияние аппаратных характеристик (кэш-память, TLB, энергопотребление, интерфейсы ввода-вывода) на производительность программ. — Развить практические навыки наблюдения и интерпретации работы реальных вычислительных систем с использованием диагностических утилит Windows (CPU-Z, AIDA64, VTune, Resource Monitor и др.). — Сформировать компетенции по выбору аппаратной платформы и обоснованию архитектурных решений при проектировании системного ПО. Задачи дисциплины — Изучить представление данных, арифметику и систему команд современных процессоров. — Освоить принципы конвейерной и суперскалярной обработки, виды задержек выполнения. — Проанализировать иерархию памяти, когерентность кэша, промахи и способы их минимизации. — Познакомиться с интерфейсами ввода-вывода, прямым доступом к памяти (DMA), многоядерностью и управлением энергопотреблением. — На практических занятиях научиться использовать диагностические инструменты для измерения и анализа характеристик реальной системы (без написания программ). — Научить обосновывать выбор аппаратной платформы для различных задач системного программирования.

Краткое содержание дисциплины

Дисциплина «Архитектура ЭВМ» изучает внутреннее устройство современных вычислительных систем на уровне, необходимом для разработки и оптимизации системного и высокопроизводительного программного обеспечения. Курс начинается с введения в классификацию компьютеров и базовые архитектурные принципы (фон Неймана, Гарвардская), переходит к представлению данных (целые числа, IEEE-754, endianness, выравнивание) и системе команд (RISC vs CISC). Рассматриваются механизмы повышения производительности процессора: конвейерная обработка, суперскалярность, спекулятивное выполнение и виды задержек. Значительная часть посвящена иерархии памяти: кэш-память (L1/L2/L3, ассоциативность, политика замещения, протокол MESI), принцип локальности, промахи TLB, huge pages, а также оперативная память (DDR4/DDR5) и виртуальная память. Изучаются интерфейсы ввода-вывода (PCI Express, NVMe), прямой доступ к памяти (DMA), многоядерные архитектуры (SMP, big.LITTLE), энергопотребление (P-state, C-state, Turbo Boost) и критерии выбора аппаратной платформы для системного ПО. Практическая часть дисциплины "Архитектура ЭВМ" ориентирована на наблюдение и анализ реальной системы без программирования: студенты используют утилиты (CPU-Z, AIDA64, VTune, Resource Monitor, ThrottleStop и др.) для измерения характеристик процессора, памяти, кэша, энергопотребления, ввода-вывода и обоснования выбора платформы. Дисциплина формирует компетенции ПК-5, ПК-11, ПК-16, ОПК-7, развивая понимание взаимосвязи аппаратного и программного уровней вычислительных систем.

Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

Выпускник должен обладать:

ОПК-7 Способен участвовать в настройке и наладке программно-аппаратных комплексов
ПК-5 Способен разрабатывать требования и проектировать программное обеспечение
ПК-11 Способен разрабатывать, оптимизировать и отлаживать системное программное обеспечение
ПК-16 Способен осуществлять выбор платформ и инструментальных программно-аппаратных средств для реализации информационных систем