ЭВМ и периферийные устройства

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) 
 
ФАКУЛЬТЕТ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ (ФДО) 
 
 
 
 
А. Н. Сычев 
 
 
 
 

 

ЭВМ И ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА 

 

 
 
 
 
 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
Томск 
2016

УДК
681.3 
 
ББК 
32.973 
 

С 958 
 
 
Л. А. Торгонский, канд. тех. наук, доцент кафедры 
безопасности информационных систем ТУСУР; 
В. М. Зюзьков, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры вычислительной 
математики и компьютерного моделирования НИ ТГУ 
 
Сычев А. Н. 
С958 
ЭВМ и периферийные устройства : учеб. пособие / А. Н. Сычев. – 
Томск : ФДО, ТУСУР, 2016. – 113 с. 
 
В учебном пособии рассматриваются как центральная часть компьютера, 
так и его периферийные устройства, в том числе запоминающие устройства и 
специальное оборудование для САПР.  
Приведены сведения о принципах работы современных разнообразных и 
многочисленных периферийных устройств, методах их сопряжения с центральной частью компьютера. Изложены назначение, принципы построения и функционирования устройств памяти. Описаны различные интерфейсы, служащие 
для подключения периферийных устройств к компьютеру. 
Для студентов вузов, обучающихся по направлению «Информатика и вычислительная техника». 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
© Сычев А. Н., 2016 
© Оформление. 
ФДО, ТУСУР, 2016 

Оглавление 

Введение ............................................................................................................ 4 
1 Основные понятия, классификация и структура ЭВМ ....................... 6 
1.1 Основные определения. История и поколения ЭВМ .......................... 6 
1.2 Классификация ЭВМ .............................................................................. 9 
1.3 Структура и принцип действия ЭВМ.................................................. 15 
1.4 Состав и структура системной платы компьютера ........................... 18 
1.5 Системные шины................................................................................... 26 
1.6 Архитектура ЭВМ ................................................................................. 32 
1.7 Архитектура центрального процессора .............................................. 35 
2 Запоминающие устройства ...................................................................... 40 
2.1 Требования к памяти компьютера ....................................................... 40 
2.2 Иерархия памяти компьютера ............................................................. 40 
2.3 Накопитель на жестких магнитных дисках ........................................ 45 
2.4 Накопитель на оптических дисках ...................................................... 49 
2.5 Твердотельный накопитель .................................................................. 51 
2.6 Флеш-накопитель .................................................................................. 52 
3 Периферийные устройства ....................................................................... 57 
3.1 Периферийные устройства и их интерфейс ....................................... 57 
3.2 Внутренние соединения. Типы внутренних шин и слотов ............... 62 
3.3 Контроллеры периферии (адаптеры, карты) ...................................... 64 
3.4 Внешние соединители (порты) ............................................................ 66 
3.5 Основные виды периферийных устройств ......................................... 70 
3.6 Видеоподсистема .................................................................................. 76 
3.7 Блок питания .......................................................................................... 83 
4 Специальное оборудование для САПР .................................................. 94 
4.1 Плоттер ................................................................................................... 94 
4.2 Устройства числового программного управления ............................ 98 
4.3 Трёхкоординатный 3D-принтер......................................................... 103 
Заключение ................................................................................................... 109 
Литература.................................................................................................... 110 
Глоссарий ...................................................................................................... 112 
 

Введение 

 
Основой любого компьютера является центральный процессор, который 
вместе с основной памятью образует его центральную часть. При этом эффективность работы центральной части компьютера всецело зависит от её окружения – периферийных устройств, весьма разнообразных по своей структуре и 
функциям.  
Современные периферийные устройства – это сложные устройства с локальным микропроцессорным управлением, обмен информацией которых с 
центральной частью компьютера происходит через стандартные интерфейсы. 
Они обладают «встроенным интеллектом», позволяющим выполнять сложные 
функции управления и преобразования способов представления информации 
[13]. 
В данном учебном пособии будут рассмотрены как центральная часть 
компьютера, так и его периферийные устройства, в том числе запоминающие 
устройства и специальное оборудование для САПР. 
 
Соглашения, принятые в учебном пособии 
Для улучшения восприятия материала в данном пособии используются 
следующие пиктограммы и специальное выделение важной информации. 
 ·····························································  
Эта пиктограмма означает определение или новое понятие. 
 ·····························································  
 ·····························································  
Эта пиктограмма означает «Внимание!». Здесь выделена важная информация, требующая акцента на ней. Автор может поделиться с читателем опытом, чтобы помочь избежать некоторых 
ошибок. 
 ·····························································  

 ·························  
 Выводы  ···························  

Эта пиктограмма означает выводы. Здесь автор подводит итоги, обобщает 
изложенный материал или проводит анализ. 
 ·······································································  

·····························································  
Контрольные вопросы по главе 
 ·····························································  

1 Основные понятия, классификация 

и структура ЭВМ 

1.1 Основные определения. История и поколения ЭВМ 
 ·····························································  
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) [1]. 
 ·····························································  
Заметим, что вопросы, связанные с терминологией, являются весьма важными при изучении любых дисциплин [2], поэтому определим основные понятия в области компьютерной техники [3], опираясь на действующий отечественный стандарт ГОСТ 15971–90 [4]. При этом, учитывая стремительное 
развитие техники и международные стандарты, некоторые «классические» 
определения потребуют уточнения и/или расширения.  
 ·····························································  
Вычислительная машина (ВМ, Computer) – совокупность 
технических средств, создающая возможность проведения обработки информации и получения результата в необходимой форме. 
Как правило, в состав ВМ входит и системное программное обеспечение (ПО) [4]. 
Электронно-вычислительная машина (ЭВМ, Electronic 
Computer) – программируемое функциональное устройство, состоящее из одного или нескольких взаимосвязанных центральных процессоров, периферийных устройств, управление которыми осуществляется 
посредством 
программ, 
располагающихся 
в 
оперативной памяти. Эта машина может производить большой 
объем вычислений, содержащих большое количество арифметических, логических и других операций без вмешательства пользователя в течение периода выполнения (стандарт ISO 2382/1–93). 
 ·····························································  

В то же время ГОСТ 15971–90 определяет ЭВМ как вычислительную машину, основные функциональные устройства которой выполнены на электронных компонентах. 
Отметим, что термины «ЭВМ» и «компьютер» являются синонимами, поэтому далее будем использовать и тот и другой, в зависимости от контекста. 
 ·····························································  
Система обработки данных – совокупность технических 
средств (ТС) и программного обеспечения (ПО), предназначенная 
для информационного обслуживания пользователей и технических 
объектов. В состав технических средств входят сами ЭВМ, 
устройства сопряжения ЭВМ с объектами, аппаратура передачи 
данных и линии связи.  
 ·····························································  
Первая электронная цифровая вычислительная машина, или программируемый калькулятор ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), 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 ABC и предназначенный для расшифровки кодов немецкой шифровальной 
машины вычислитель Colossus, 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 8 000 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 [1]. 
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 конвейерное 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 IBM/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 
(RISC). 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 [1]. 
В качестве наглядного примера обновления поколений ЭВМ и эволюции 
компьютерной техники в Советском Союзе представим интересную временную 
диаграмму установки и смены ЭВМ в Вычислительном центре Сибирского отделения Академии наук СССР (ВЦ СО АН СССР) (рис. 1.1) [5]. 
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. 

Рис. 1.1 – Временная диаграмма установки и смены ЭВМ  
в ВЦ СО АН СССР [5] 

1.2 Классификация ЭВМ 
Представим основные типы ЭВМ (рис. 1.2), определённые стандартом 
ГОСТ 15971–90. В этой классификации используются различные критерии: 
функциональные возможности, назначение, габаритные размеры, тип носителя, 
категория пользователя. 
Если при классификации ЭВМ принять в качестве базового критерия область их применения, то в соответствии с этим признаком можно будет выделить следующие основные классы ЭВМ [2. C. 10; 6]: 
1. Супер-ЭВМ. 
2. Мэйнфреймы. 
3. Серверы. 

Мини-ЭВМ (М-700, СМ-2, СМ-4)
Поколениемини-ЭВМ
Мини-ЭВМНР-200

4. Настольные ЭВМ (персональные ЭВМ и рабочие станции). 
5. Портативные (мобильные) ЭВМ. 
6. Встраиваемые системы. 

 

Рис. 1.2 – Классификация ЭВМ по ГОСТ 15971–90 

Следует отметить, что помимо области применения данное разделение 
основывается также на существенном различии архитектур указанных классов 
ЭВМ. 
1. Супер-ЭВМ (суперкопьютер) 
 ·····························································  
Супер-ЭВМ (суперкомпьютер) – ЭВМ, относящаяся к классу 
ВМ, имеющих самую высокую производительность, которая может быть достигнута на данном этапе развития технологии, и в 
основном 
предназначенных 
для 
решения 
сложных 
научнотехнических задач (ГОСТ 15971–90).  
 ·····························································  
Суперкомпьютер – это ЭВМ мелкосерийного или штучного производства, многократно превосходящая по вычислительной мощности массово выпускаемые компьютеры.  
Отличительные признаки супер-ЭВМ: 

• не является изделием массового производства, следовательно, при ее 
изготовлении и применении используются уникальные технологии, 
более дорогие и, возможно, менее удобные, чем массовые технологии; 

• ориентирована на вычисления, на заметное, минимум на порядок, 
снижение времени выполнения сложных расчетов по сравнению с 
персональными ЭВМ или рабочими станциями. 

 
 

ЭВМ 

Супер-ЭВМ 
ЭВМ общего 
назначения 

Мини-ЭВМ 
Микро-ЭВМ 

Персональная 
ЭВМ 

Специализированная ЭВМ 
общего 

назначения

Бортовая 
ЭВМ 

2. Мэйнфрейм 
 ·····························································  

Мэйнфрейм – это компьютер, обычно в компьютерном цен
тре, который обладает широким спектром возможностей и ресурсов и с которым могут быть соединены другие компьютеры, 
причем так, что они могут использовать разделяемые возможности и ресурсы [7].  
 ·····························································  

Мэйнфрейм – синоним понятия «большая универсальная ЭВМ». Слово 
«мэйнфрейм» появилось в 70–80-е гг. XX в., когда большие универсальные 
ЭВМ состояли из центрального процессора и множества подсистем: дисковых, 
ленточных, терминальных контроллеров и т. п. Практически все фирмы, которые производили подобную технику (основная доля рынка приходилась на 
продукцию IBM, Hitachi, Amdahl), придерживались примерно одинаковой архитектуры. Каждая из подсистем ЭВМ располагалась в отдельной стойке. Отсюда и название «мэйнфрейм» (main frame – главная стойка); оно закрепилось 
за центральной стойкой, где находились процессор и пульт управления 
(рис. 1.3). 

 

Рис. 1.3 – Советский мэйнфрейм начала 1980-х гг. – ЭВМ ЕС-1052 
(Политехнический музей, г. Москва) 

Мэйнфреймы до сегодняшнего дня остаются наиболее мощными (не считая супер-ЭВМ) вычислительными системами общего назначения, обеспечивающими непрерывный круглосуточный режим эксплуатации.