Горнец Н.Н., Рощин А.Г. Организация ЭВМ и систем (2006)

УДК 681. 3(075. 8) ББК 32.81я73 Г697 Рецензенты; ~ кафедрой «Программное об«сне,е,гне ЭВМ технологии* Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана, д-р техн. наук, проф. Б. Г. Труом, зав. кафедрой МГИЭиМ (Технический университет), д-р техн, наук, проф. В. С.Жданов Гориец Н.Н. Г697 Организация ЭВМ и систем: учеб.

пособие для студ. высш. учеб. заведений / Н.Н.Горнец, А.Г.Рощин, В.В.Соломенцев. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. — 320 с. 18ВХ 5-7695-2269-0 Рассмотрены основы теории построения вычислительных машин, принципы организации микропроцессоров, персональных компьютеров и многопроцессорных вычислительных систем. Приведены показатели их быстродействия и производительности. Изложены тенденции развития архитектур как персональных, так и многопроцессорных ЭВМ. Даны схемы наиболее распространенных периферийных устройств и методы сопряжения их с центральной частью машины.

Для студентов высших учебных заведений. УДК 681.3(075.8) ББК 32.81я73 Оригинал-макет данного издания является собственностью Издательского центра «Академия», и его воспроизведение любым способом без согласия правообладателя запрещается Ю Горнец Н.Н., Рощин А.Г., Соломенцев В.В., 2006 Ф Образовательно-издательский центр *Академия, 2006 1ЗВН 5-7695-2269-0 © Оформление. Издательский центр «Академия», 2006 ПРЕДИСЛОВИЕ В настоящем учебном пособии рассмотрены работа компьютера в целом, состав, назначение и принципы действия основных его компонентов, а также структура процессора„организация памяти и работа средств сопряжения основных устройств между собой, т.е. работа интерфейсов. Приведены некоторые способы повышения производительности и надежности путем объединения нескольких процессоров или машин в многопроцессорные и многомашинные системы, способы объединения машин в локальные сети и обеспечения надежности аппаратуры для работы компьютеров в такого рода сетях.

Конечно, большие многопроцессорные и многомашинные компьютерные системы никак нельзя назвать «персональными». Они предназначены для обеспечения работы многих пользователей одновременно и требуют особых средств и специальных режимов. Нельзя не учитывать важность систем, решающих сложнейшие задачи, например прогнозирование погоды.

Число таких систем от года к году не уменьшается. Основное внимание в учебном пособии уделено построению аппаратуры, а не разработке программных средств. В то же время необходимо помнить, что без программ вычислительная машина представляет собой «кучу бесполезного железа»; ошибки в программном обеспечении столь же существенны, как и ошибки при разработке аппаратуры. Неудачно составленная программа может выполняться очень медленно, при этом затрачиваются огромные вычислительные ресурсы. Однако и ошибки при разработке аппаратуры недопустимы: примером могут служить первые модели процессора Репйшп, в которых была обнаружена ошибка, приводившая к неправильным результатам при выполнении некоторых операций над числами с плавающей точкой. В основу учебного пособия положен опыт преподавания дисциплин «Организация ЭВМ, комплексов и систем», «Вычислительные системы», «Периферийные устройства ЭВМ» в Московском государственном техническом университете гражданской авиации (МГГУГА).

Авторы выражают благодарность проф. МГТУГА В.Е. Смирнову за предоставленные материалы для гл. 7 «Интерфейсы». ВВЕДЕНИЕ Без вычислительных машин, или компьютеров, в настоящее время невозможна ни одна сфера человеческой деятельности. Компьютеры стали частью не только сферы производства, но и домашнего быта. Множество людей проводят часы за экраном своего компьютера, получая последние новости, биржевые сводки, цены, технические сведения, прогнозы погоды и многое другое из сети Интернет, а также используют компьютер для игр и развлечений.

При написании этого учебного пособия авторы также широко пользовались компьютером и материалами из Интернета. Это позволило не только подготовить рукопись значительно быстрее, но и сделать ее полнее и современнее. Термин «электронная вычислительная машина», или ЭВМ, совершенно не означает, что она предназначена только для каких-либо вычислений. Это уже не просто вычислительные машины, а системы обработки данных, способные хранить информацию, редактировать, обновлять, выполнять сортировку и поиск нумсных данных, формировать таблицы, диаграммы и отчеты, осуществлять логические преобразования, выдачу результатов и т.п. По этой причине в настоящее время вычислительную машину (особенно персональную) принято называть английским термином «компьютер».

Повсеместное внедрение компьютеров в современную жизнь, регулярное обновление их аппаратных и программных средств, постоянная модернизация и появление все новых компонентов требуют глубокого знания принципов их работы. Аппаратные средства компьютеров, а именно современные процессоры, память, периферийные устройства и устройства подключения вычислительных машин к сетям, описаны в учебной литераауре явно недостаточно.

Возможно, это вызвано тем, что, покупая «готовый» компьютер, потребитель не пытается узнать, как он устроен. Больше всего покупателя интересуют стандартные программные средства и их возможности для удовлетворения своих потребностей. Но невозможно понять работу программных средств, не обладая хотя бы минимальными знаниями об аппаратуре.

Небольшие по габаритным размерам, но обладающие достаточной вычислительной мощностью компьютеры стали широко доступными. Объединение нескольких таких машин между собой, т.е. создание компьютерных сетей, обеспечило получение самой разнообразной информации. В настоящее время компьютерами пользуется все цивилизованное человечество, это стало возможным благодаря дружественым программам и интерфейсам, ставшим непременной частью компьютера.

Получила развитие всемирная сеть Интернет, объединившая средства вычислительной техники и техники связи и дающая возможность узнавать и сообщать последние новости. Теперь практически все машины тем или иным способом взаимодействуют с глобальными и локальными сетями, т.е. компьютеры становятся компонентами все более крупных систем. Для подключения к такой сети не требуется сложных и дорогостоящих аппаратных средств — достаточно простых и недорогих адаптеров, модемов и каналов передачи данных. При этом скорость получения информации будет определяться быстродействием самой машины и пропускной способностью каналов связи, работой программ, размещением и надежностью всех компонентов, участвующих в доставке информации пользователю.

ГЛАВА 1 СТРУКТУРА СОВРЕМЕННОГО КОМПЬЮТЕРА 1.1. Основные понятия Компьютер — это устройство, предназначенное для обработки и преобразования информации. Долгое время его называли электронной вычислительной машиной (ЭВМ), цифровой вычислительной машиной (ЦВМ) или электронной цифровой вычислительной машиной (ЭЦВМ).

Первая электронная цифровая вычислительная машина, или программируемый калькулятор ЕХ1АС вЂ” Е1есГгоп1с Хшпепса1 1пгейгагог апд Сотршег, — была создана в Пенсильванском университете под руководством Д. Мочли и П. Эккерта в 1945 г. На роль первой машины претендуют также разработанный в начале 1940-х гг. Дж. Атанасовым и К. Берри специализированный калькулятор АВС и предназначенный для расшифровки кодов немецкой шифровальной машины вычислитель Со!оззцз, созданный под руководством М. Ньюмена.

В 1951 г. под руководством С.А. Лебедева была создана первая советская машина — малая электронная счетная машина (МЭСМ), а в начале 1953 г. — большая (БЭСМ), быстродействие которой оценивалось в 8000 операций/с. Все эти машины были ламповыми и впоследствии были отнесены к ЭВМ первого поколения. Этот период ознаменовался поиском инженерных решений для построения различных устройств. Появление транзисторов позволило значительно усложнить структуру машин, относимых ко второму поколению. Появились так называемые индексные регистры, упрощающие доступ к массивам данных.

В качестве оперативной начали использовать память на ферритовых сердечниках. Управление вводом-выводом возлагалось на отдельные блоки, что позволило выполнять загрузку данных одновременно с арифметическими операциями, но потребовало специальных средств для синхронизации процессов. В этот же период были созданы первые языки программирования высокого уровня: Фортран, Алгол, Кобол.

К машинам второго поколения относятся советские машины «Урал», «Минск-22», «Минск-32», БЭСМ-2 и др. Интегральные схемы позволили еще больше усложнить машину и увеличить ее мощность. Получило распространение конвей- ерное выполнение команд, начала применяться параллельная обработка, в устройствах управления стали использовать принцип микропрограммирования. Появился стандартный интерфейс для подключения периферийных устройств. Именно в это время начали выпускать машины серии 1ВМ/360 (370) и ЕС ЭВМ, с появлением которых и связан термин «поколение ЭВМ». В дальнейшем к ЭВМ третьего поколения стали относить любые машины, построенные на интегральных схемах малой и средней интеграции. Машины на базе больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС) стали называть машинами четвертого поколения.

Память машин начали строить на полупроводниковых элементах. В этот же период была разработана концепция машины с сокращенным набором команд (В)БС). В 1980-х гг. появилась японская программа по созданию ЭВМ пятого поколения. Однако широкое распространение персональных компьютеров привело к падению интереса к «поколениям ЭВМ» и теперь этот термин выходит из употребления. Сегодня компьютер стал устройством, способным хранить и обрабатывать огромное количество информации. В течение многих лет передача различных сведений производилась посредством устной речи, графики, рукописных или печатных символов, а обработка информации осуществлялась исключительно мозгом человека. С появлением компьютера эта монополия нарушилась, что потребовало создания средств для загрузки и выгрузки информации в его обрабатывающую часть.

Были созданы периферийные устройства, предназначенные для преобразования информации (например, графического изображения в текст), кодирования (т.е. замены отдельных символов их кодовыми эквивалентами) и изменения формы представления кодированной информации (например, штрихи в комбинацию высоких и низких уровней потенциала). Это вызвано тем, что способы представления и обработки информации в компьютере отличаются от тех, что используются мозгом человека и другими объектами внешнего мира. Представленные в формализованном виде сведения часто называют данными, представление данных осуществляется квантами информации.