Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И.И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем (2005)

Н. В. Максимов, Т. Л. Партыка,И. И. ПоповАРХИТЕКТУРА ЭВМИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМРекомендовано Министерством образования Российской Федерациив качестве учебника для студентов учреждений среднегопрофессионального образования, обучающихся по группеспециальностей 2200 Информатикаи вычислительная техникаМоскваФОРУМ - ИНФРА-М2005УДК 004.2(075.32)ББК 32.973-02я723М17Рецензенты:к т. н , доцент кафедры «Проектирование АИС»РЭА им. Г. В.

Плеханова Ю. Г Бачинин,доктор экономических наук, профессор, декан факультета «Информатика»в НОУ «Московский международный институт эконометрики,информатики, финансов и права» (ММИЭИФП) А А. ЕмельяновМ17Максимов Н. В., Партыка Т. Л., Попов И. И.Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: Учебник.. — М.:ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005.

— 512 с.: ил. — (Профессиональноеобразование).ISBN 5-8199-0160-6 (ФОРУМ)ISBN 5-16-002257-0 (ИНФРА-М)Рассмотрены вопросы организации и функционирования вычислительных устройств, машин и систем. Описываются логические, информационные, алгоритмико-вычислительные основы построения систем. Значительное внимание уделено архитектурам вычислительных машин исистем, их классификациям, составным компонентам — информационно-вычислительным средам и коммутационно-коммуникационным средам. В качестве примера подробно представлены технические, структурные, архитектурные компоненты персональных машин и средства ихкомплексирования.Для студентов учреждений среднего профессионального образования,обучающихся по группе специальностей 2200 Информатика и вычислительная техника.Б/ШЛИОТЕКАУДК 004.2(075.32)ББК 32.973-02я723ОУ"ВолгоградскийISBN 5-8199-0160-6 (ФОРУМ)ISBN 5-16-002257-0 (ИНФРА-М)© Н.

В. Максимов,Т. Л. Партыка,И. И. Попов, 2005© ИД «ФОРУМ», 2005ВведениеЧеловек научился добывать и поддерживать огонь 30—40 тысячлет назад. Однако только примерно в середине XVIII столетия онсмог использовать это умение для создания первых паровых машин.Промышленная революция конца XVIII — начала XIX в. самым радикальным образом преобразовала производство. Руки и физическую силу человека постепенно заменили механизмы, машины,станки.

Научное и промышленное применение электричества, разработка и использование приборов и средств автоматизации позволили уже в XX в. не только механизировать, но и автоматизироватьмногие технологические процессы. Одновременно возрастание объема информации, связанное с бурным развитием науки, усложнением техники и технологии, ускорением темпов развития производства и общественной жизни, привело к такому же увеличению затратнервной энергии и умственного труда. В ряде случаев, особенно всфере управления производством, экономикой и социальными процессами, уже невозможно стало обходиться без совершенных технических средств, способных взять на себя часть интеллектуальной работы.

Необходимо было передать автоматам значительную долю информационной деятельности человека. Таким универсальным«информационным автоматом» стал компьютер (электронная вычислительная машина, ЭВМ).Человечество прошло большой и трудный исторический путьперед тем, как достичь современного уровня развития и применения компьютеров, информационных и сетевых технологий.В далеком доисторическом прошлом люди считали на пальцахили делали насечки на костях.

Древнейшим «счетным инструментом», который был представлен самой природой в распоряжение человека, была его собственная рука. На заре человеческой цивилизации были изобретены различные системы счисления, позволяющиеосуществлять торговые сделки, рассчитывать астрономические циклы, проводить другие вычисления. Спустя несколько тысячелетийпоявились первые ручные вычислительные средства." ш «MrВведениеВ наши дни сложнейшие вычислительные задачи, как и множество других операций, казалось бы, не связанных с числами, решаются именно с помощью компьютеров. Это еще один тип машин,построенных для того, чтобы увеличить эффективность и качествовыполняемых работ и повысить производительность труда. Он посуществу обладает единственной способностью — обрабатывать свысокой быстротой импульсы электрического поля. Истинное величие заключено в человеке, его гении, который нашел способ преобразовать разнообразную информацию, поступающую из реальногомира, в последовательность нулей и единиц двоичного кода, т.

е.выразить ее на цифровом языке, идеально подходящем для электронных схем компьютера. Однако ни одна другая машина в истории не принесла в наш мир столь быстрых и глубоких изменений(посадка аппаратов на поверхность Луны и исследование планетСолнечной системы, управление медицинской аппаратурой в операционных, решение сложных экономических и управленческих задач, принятие управленческих решений, управление телефоннымистанциями и многое др.).Каждому, знакомому с современными компьютерами, механические счетные машины и приборы покажутся, пожалуй, забавнымии неуклюжими устройствами.

Однако, ознакомившись с историейразвития счетных машин, можно поразиться изобретательности,хитроумию и настойчивости их создателей. Уместно вспомнить слова Б. Паскаля о том, что для создания «арифметической машины»ему потребовалось все ранее приобретенные знания по геометрии,физике и механике.Закладка фундамента компьютерной революции происходиламедленно и далеко не гладко. Отправной точкой этого процессаможно считать изобретение счетов (более 1500 лет назад). Они оказались очень эффективным инструментом и вскоре распространились по всему миру (в некоторых странах применяются и по сейдень).

В XVII в. европейские мыслители были увлечены идеей создания счетных устройств.Работы, выполняемые в 40-х годах XX в. по созданию вычислительных машин с программным управлением, были тесно связаны споявлением новой фундаментальной области науки — кибернетики,или науки об управлении и коммуникации. Судьба этой науки в нашей стране (в бывшем СССР) была трудной. Долгое время она считалась буржуазной «вульгарной лженаукой».

Только в начале 50-х гг.прошлого века появились первые советские вычислительные машины. Несмотря на это, роль отечественных ученых в области кибернетики и вычислительной техники неоценима.ВведениеСовременный компьютер — это универсальное многофункциональное электронное автоматическое устройство для работы с информацией. Компьютеры в современном обществе взяли на себязначительную часть работ, связанных с информацией. По историческим меркам компьютерные технологии обработки информацииеще очень молоды и находятся в самом начале своего развития, однако уже сегодня они преобразуют или вытесняют традиционныепроцессы обработки информации.Содержанием предлагаемого учебника является попытка краткого изложения основных сведений, отражающих этапы развития,классы, структуры, функции и технические средства вычислительных машин и систем.В первой главе рассмотрены основные события в истории развития вычислительных устройств, машин и приборов, различныепринципы классификации вычислительных машин.

Рассмотренытакже основные аспекты основ вычислительной техники — информационные (представление, кодирование, обработка информации вЭВМ), логические основы (основные функции, операции, элементыи узлы) и алгоритмические основы (структура и основные элементыпрограмм и алгоритмов).Во второй главе речь идет об основных представлениях об архитектурных и структурных компонентах вычислительных машин исистем. Рассмотрены базовые представления об архитектуре ЭВМ,типы, устройство, структура и функционирование процессоров,а также основные направления повышения их производительности,организация оперативной памяти и интерфейсов ЭВМ. Здесь же содержатся краткий обзор и характеристики таких внешних устройств,как накопители (магнитные ленты, магнитные, оптические и другиетипы дисковых устройств), средства диалогового (терминалы, манипуляторы), а также пакетного (принтеры, плоттеры, сканеры, дигитайзеры) ввода-вывода информации.Третья глава посвящена проблематике вычислительных систем.Рассмотрены различные подходы (М.

Флинн и другие исследователи) к их классификации, примеры некоторых архитектур вычислительных систем, абстрактные представления об архитектуре вычислительных машин, систем и сетей, использующие такие понятия,как процессорные среды, запоминающие (среды памяти), а такжекоммутационные и коммуникационные среды. В связи с этимвкратце рассмотрены перспективные типы процессоров ЭВМ, системы памяти, коммуникационные среды, коммутаторы вычислительных систем, а также приведены характеристики некоторых вычислительных систем и суперкомпьютеров.ВведениеВ четвертой главе рассмотрены некоторые приложения принципов организации и функционирования ЭВМ и систем к наиболеепопулярному их представителю — персональному компьютеру (ПК,ПЭВМ). Вкратце рассмотрены история, общая структура и устройство ПК на процессорах INTEL, эволюция процессоров Intel и иханалогов, режимы процессора, система команд реального режимапроцессоров i80x86 (в терминах макроассемблера — MASM).

Рассмотрены также особенности защищенного режима процессора ивопросы, связанные с BIOS и ее настройкой.Настоящий учебник базируется на материалах, которые авторынакопили в процессе практической, исследовательской, а также преподавательской (МИФИ, МИСИ, МГУ, РГГУ, РЭА им. Г. В. Плеханова) деятельности. Авторы выражают благодарность коллегам, принявшим участие в обсуждении материала: А. Г. Романенко (РГГУ),К.