Архитектура ЭВМ и вычислительных систем


СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Серия основана в 2001 году



Н.В. Максимов, Т.Л. Партыка, И.И. Попов



АРХИТЕКТУРА ЭВМ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ
СИСТЕМ

        УЧЕБНИК

5-е издание, переработанное и дополненное

Рекомендовано Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебника для студентов учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по группе специальностей 09.00.00 «Информатика
и вычислительная техника»


        znanium.com


Москва

2021

ИНФРА-М

УДК 004.2(075.32)
ББК 32.973-02я723

    M17



     Рецензенты:
        Бачинин Ю.Г. — кандидат технических наук, доцент кафедры «Проектирование АИС» Российской экономической академии имени Г.В. Плеханова;
        Емельянов А.А. — доктор экономических наук, профессор, декан факультета «Информатика» Московского международного института эконометрики, информатики, финансов и права

     Максимов Н.В.
М17 Архитектура ЭВМ и вычислительных систем : учебник / Н.В. Максимов, Т.Л. Партыка, И.И. Попов. — 5-е изд., перераб. и доп. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2021. — 511 с. — (Среднее профессиональное образование).


          ISBN 978-5-00091-511-0 (ФОРУМ)
          ISBN 978-5-16-013573-1 (ИНФРА-М, print)
          ISBN 978-5-16-106243-2 (ИНФРА-М, online)


         Рассмотрены вопросы организации и функционирования вычислительных устройств, машин и систем. Описаны логические, информационные, алгоритмико-вычислительные основы построения систем. Значительное внимание уделено архитектурам вычислительных машин и систем, их классификациям, составным компонентам — информационно-вычислительным средам и коммутационно-коммуникационным средам. В качестве примера подробно представлены технические, структурные, архитектурные компоненты персональных машин и средства их комплексирования.
         Соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования последнего поколения.
         Для студентов учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по группе специальностей 09.00.00 «Информатика и вычислительная техника».


УДК 004.2(075.32)
ББК 32.973-02я723








ISBN 978-5-00091-511-0 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-013573-1 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-106243-2 (ИНФРА-М, online)


© Максимов Н.В., Партыка Т.Л.,

  Попов И.И., 2016
© ФОРУМ, 2016

            Введение










   Человечество прошло длинный путь, прежде чем достигло современного уровня развития и применения компьютеров и информационных технологий.
   Вплоть до XVII в. деятельность общества в целом и каждого человека в отдельности была направлена на овладение веществом, т. е. есть познание свойств вещества и изготовление сначала примитивных, а потом все более сложных орудий труда вплоть до механизмов и машин, позволяющих изготовлять материальные ценности.
   Затем в процессе становления индустриального общества на первый план вышла проблема овладения энергией — сначала тепловой, затем электрической и атомной, что позволило освоить массовое производство потребительских ценностей и, как следствие, повысить уровень жизни людей и изменить характер их труда.
   В то же время человечеству свойственна потребность выражать, запоминать и распространять информацию об окружающем мире — эти устремления привели к появлению письменности, книгопечатания, живописи, фотографии, радиосвязи, телевидения.
   В далеком прошлом люди считали на пальцах или 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, позволяющие осуществлять торговые сделки, рассчитывать астрономические циклы, проводить другие вычисления. Спустя несколько тысячелетий появились первые ручные вычислительные средства.
   В наши дни сложнейшие вычислительные задачи, как и множество других операций, казалось бы, не связанных с числами,

Введение

решаются именно с помощью компьютеров. Это еще один тип машин, построенный для того, чтобы увеличить эффективность и качество выполняемых работ и повысить производительность труда. Однако ни одна другая машина в истории не принесла столь быстрых и глубоких изменений (посадка аппаратов на поверхность Луны и исследование планет Солнечной системы, управление медицинской аппаратурой, решение сложных экономических и управленческих задач и многое другое).
   Электронные вычислительные машины (ЭВМ) за последние полвека преобразили цивилизацию, вовлекая человечество в процесс информатизации, который охватывает все сферы, все отрасли общественной жизни, прочно входят в жизнь каждого человека, воздействуют на его образ мышления и поведение.
   ЭВМ являются важнейшим из факторов информатизации, которые включают в себя:
   • технические средства (ЭВМ и системы);
   • программные средства и системы (программный фактор);
   • информационный фактор — собственно информация, т. е. сигналы, сообщения, массивы данных, файлы и базы данных (БД);
   • интеллектуальные усилия и человеческий труд (человеческий, гуманитарный фактор).
   Перечисленные факторы соответствуют также историческим этапам развития информатизации. Можно выделить следующие фазы, на каждой из которых доминирует какой-либо из упомянутых факторов:
   • технический период, за который сложились основные представления о структуре универсальных электронных вычислительных машин (ЭВМ), определилась архитектура и типы устройств — с 1946 по 1964 гг. (приблизительно);
   • программный период — выработалась современная классификация программных средств, их структур и взаимосвязей, сложились языки программирования, были разработаны первые компиляторы и принципы процедурной обработки — с 1954 по 1970 гг.;
   • информационный период — в центре внимания исследователей и разработчиков оказываются структуры данных, языки описания (ЯОД) и манипулирования (ЯМД) данными, непроцедурные подходы к построению систем обработки информации — с 1970 г. по настоящее время;

Введение

5

   • гуманитарный период, связанный с резким возрастанием круга пользователей автоматизированных информационных технологий (АИТ) и повышением роли интерфейсных и навигационных возможностей соответствующих систем (с начала 90-х гг. прошлого века). Традиционные АИТ были подчинены производителям информации (информационных систем) и доводили одинаковое содержание (создавали однотипные возможности) до всех адресатов. Новые АИТ направлены на индивидуального пользователя, предоставляя возможность получения информации, нужной именно ему.
   Конечно, данная периодизация условна, и говорить об окончании технического периода или исчерпании пределов развития не приходится. Именно ЭВМ развиваются наиболее высокими темпами, увлекая за собой остальные факторы информатизации.
   Настоящий учебник посвящается данной проблематике.
   Первая глава посвящена истории развития вычислительных устройств, машин и приборов, основным аспектам основ ЭВМ — информационным (представление, кодирование, обработка информации в ЭВМ), логическим (основные функции, операции, элементы и узлы) и алгоритмическим (структура и основные элементы программ и алгоритмов).
   В главе 2 рассматриваются различные принципы классификации вычислительных машин, узлы ЭВМ, представления об архитектуре ЭВМ, вычислительных систем (ВС) и суперкомпьютеров.
   В третьей главе рассматриваются общие принципы структуры и архитектуры процессоров, технологии повышения их производительности, конкретные микроархитектуры процессоров Intel, AMD, IBM, система команд x86 в представлениях макроассемблера.
   Глава 4 посвящена вопросам организации оперативной памяти, внутренним интерфейсам и (кратко) внешним интерфейсам, а также разновидностям архитектуры набора микросхем системной платы (чипсет).
   К сожалению, из-за ограничений на объем книги был опущен целый ряд вопросов, связанных с современным состоянием периферийных устройств ЭВМ, которые однако подробно рассмотрены, например, в работах авторов [10, 11, 15].
   Учебник базируется на материалах, накопленных авторами в процессе практической, исследовательской, а также преподавательской деятельности (МИФИ, МИСИ, РГГУ, РЭА

Введение

им. Г.В. Плеханова, МФПА). Авторы выражают благодарность рецензентам, а также коллегам, принявшим участие в обсуждении материала, — Н.В. Максимову (МИФИ), К.И. Курбакову (РЭА им. Г.В. Плеханова), а также студентам РГГУ, МФПА, РЭА им. Г.В. Плеханова за предоставленные иллюстративные материалы.

Глава 1


            ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА И МАШИНЫ ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ







   Закладка фундамента компьютерной революции происходила медленно и далеко не гладко. Отправной точкой этого процесса можно считать изобретение счетов (более 1500 лет назад). Они оказались очень эффективным инструментом и вскоре распространились по всему миру (кое-где применяясь и по сей день). С XVII в. европейские мыслители были увлечены идеей создания счетных устройств.
   Первая счетная машина появилась лишь в 1642 г. Ее изобрел французский математик Паскаль (см. табл. 1.1). Построенная на основе зубчатых колес, она могла суммировать десятичные числа. Все четыре арифметических действия выполняла машина, созданная в 1673 г. немецким математиком Лейбницем, которая стала прототипом арифмометров, использовавшихся с 1820 г. вплоть до 1960 гг. XX в. Впервые идея программно-управляемой счетной машины, имеющей арифметическое устройство, устройства управления, ввода и печати (хотя и использующей десятичную систему счисления), была выдвинута в 1822 г. английским математиком Бэббиджем. Проект опережал технические возможности своего времени и не был реализован.
   Каждому, знакомому с современными компьютерами, механические счетные машины и приборы покажутся, пожалуй, забавными и неуклюжими устройствами. Однако, ознакомившись с историей развития 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.
   Выполнявшиеся в 40-х годах XX в. работы по созданию вычислительных машин с программным управлением, были тесно связаны с появлением новой фундаментальной науки — кибер

Глава 1. Вычислительные устройства и машины...

нетики, или науки об управлении и коммуникации. Судьба этой науки в нашей стране (бывшем СССР) была трудной. Долгое время она считалась «буржуазной 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.



1.1. Вычислительные устройства и приборы, история вопроса


   Рассмотрим вначале табл. 1.1, в которой приведены краткие сведения об истории развития вычислительных средств и методов в лицах, событиях и объектах («время — события — люди») [10-12].


Таблица 1.1. Основные события в истории развития вычислительных методов, приборов, автоматов и машин


Авторы и изделия

Джон Непер (1550—1617)

Вильгельм Шиккард (1592—1636)

                 Хронология и описание (комментарий)


     Шотландец Джон Непер в 1614 г. опубликовал «Описание удивительных таблиц логарифмов». Он установил, что сумма логарифмов чисел a и b равна логарифму произведения этих чисел. Поэтому умножение удается свести к операции сложения. Им же был разработан инструмент перемножения чисел — «костяшки Непера», состоявший из набора сегментированных стерженьков, при перемещении которых при сложении чисел в прилегающих друг к другу по горизонтали сегментах получали результат их умножения. «Костяшки Непера» вскоре были вытеснены логарифмической линейкой (Р. Биссакар, конец 1620 г.) и другими вычислительными устройствами (в основном механического типа)


     Считалось, что первую механическую счетную машину изобрел великий французский математик и физик Б. Паскаль в 1642 г. Однако в 1957 г. Ф. Гаммер (ФРГ, директор Кеплеровского научного центра) обнаружил доказательства создания Вильгельмом Шиккардом механической вычислительной машины приблизительно за два десятилетия до изобретения Паскаля. Он назвал ее «часы для счета». Машина предназначалась для выполнения четырех арифметических действий и состояла из частей: суммирующего устройства; множительного устройства; механизма для промежуточных результатов. Суммирующее устройство состояло из зубчатых передач и представляло простейшую форму арифмометра. Предложенная схема механического счета считается классической

1.1. Вычислительные устройства и приборы, история вопроса

9

Продолжение табл. 1.1

Авторы и изделия

Хронология и описание (комментарий)

                            Однако эту простую и эффективную схему пришлось изобретать заново, так как сведения о машине Шиккарда не стали всеобщим достоянием


Блэз Паскаль (1623 —1662)

Машина Б. Паскаля

Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646—1716)

Жозеф-Мари Жаккар (1775—1834)

    В 1642 г., когда Паскалю было 19 лет, была изготовлена первая действующая модель суммирующей машины. Через несколько лет Блэз Паскаль создал механическую суммирующую машину («паскалина»), которая позволяла складывать числа в десятичной системе счисления. В этой машине цифры шестизначного числа задавались путем соответствующих поворотов дисков (колес) с цифровыми делениями, а результат операции можно было прочитать в шести окошках — по одному на каждую цифру. Диск единиц был связан с диском десятков, диск десятков — с диском сотен и т. д. Другие операции выполнялись с помощью довольно неудобной процедуры повторных сложений, и в этом заключался основной недостаток «паскали-ны». Приблизительно за десятилетие он построил более 50 различных вариантов машины. Изобретенный Паскалем принцип связанных колес явился основой, на которой строилось большинство вычислительных устройств на протяжении следующих трех столетий


     В 1672 г., находясь в Париже, Лейбниц познакомился с голландским математиком и астрономом Христианом Гюйгенсом. Видя, как много вычислений приходится делать астроному, Лейбниц решил изобрести механическое устройство для расчетов. В 1673 г. он завершил создание механического калькулятора. Развив идеи Паскаля, Лейбниц использовал операцию сдвига для поразрядного умножения чисел. Сложение производилось на нем по существу так же, как и на «паскалине», однако Лейбниц включил в конструкцию движущуюся часть (прообраз подвижной каретки будущих настольных калькуляторов) и ручку, с помощью которой можно было крутить ступенчатое колесо или — в последующих вариантах машины — цилиндры, расположенные внутри аппарата


    Развитие вычислительных устройств связано с появлением перфорационных карт и их применением. Появление же перфорационных карт связано с ткацким производством. В 1804 г. инженер Жозеф-Мари Жаккар построил полностью автоматизированный станок (станок Жаккара), способный воспроизводить сложнейшие узоры. Работа станка программировалась с помощью колоды перфокарт, каждая из которых управляла одним ходом челнока. Переход к новому рисунку происходил заменой колоды перфокарт

Глава 1. Вычислительные устройства и машины...

Продолжение табл. 1.1

Авторы и изделия

Хронология и описание (комментарий)

Чарльз Бэббидж (1791—1871)

Аналитическая машина Ч. Бэббиджа

Огаста Ада Байрон (графиня Лавлейс) (1815—1852)

    Он обнаружил погрешности в таблицах логарифмов Непера, которыми широко пользовались при вычислениях астрономы, математики, штурманы дальнего плавания. В1821 г. приступил к разработке своей вычислительной машины, которая помогла бы выполнить более точные вычисления. В 1822 г. была построена разностная машина (пробная модель), способная рассчитывать и печатать большие математические таблицы. Это было очень сложное, большое устройство и предназначалось для автоматического вычисления логарифмов. Работа модели основывалась на принципе, известном в математике как «метод конечных разностей»: при вычислении многочленов используется только операция сложения и не выполняется умножение и деление, которые значительно труднее поддаются автоматизации. В последующем он пришел к идее создания более мощной — аналитической машины. Она не просто должна была решать математические задачи определенного типа, а выполнять разнообразные вычислительные операции в соответствии с инструкциями, задаваемыми оператором. По замыслу это был первый универсальный программируемый компьютер. Аналитическая машина в своем составе должна была иметь такие компоненты, как «мельница» (арифметическое устройство по современной терминологии) и «склад» (память). Инструкции (команды) вводились в аналитическую машину с помощью перфокарт (использовалась идея программного управления Жаккара с помощью перфокарт). Шведский издатель, изобретатель и переводчик Пер Георг Шойц, воспользовавшись советами Бэббиджа, построил видоизмененный вариант этой машины. В 1855 г. машина Шойца была удостоена золотой медали на Всемирной выставке в Париже. В дальнейшем один из принципов, лежащих в основе идеи аналитической машины, — использование перфокарт — нашел воплощение в статистическом табуляторе, построенном американцем Германом Холлеритом (для ускорения обработки результатов переписи населения в США в 1890 г.)


    Графиня Огаста Ада Лавлейс, дочь поэта Байрона, совместно с Ч. Бэббиджем работала над созданием программ для его счетных машин. Ее работы в этой области были опубликованы в 1843 г. Однако в то время считалось неприличным для женщины издавать свои сочинения под полным именем, и Лавлейс поставила на титуле только свои инициалы.
    В материалах Бэббиджа и комментариях Лавлейс намечены такие понятия, как «подпрограмма» и «библиотека подпрограмм», «модификация команд» и «индексный регистр», которые стали употребляться только в 50-х гг. XX в. Сам термин «библиотека» был введен Бэббиджем, а термины «рабочая ячейка» и «цикл» предложила А. Лавлейс. «Можно с полным