Архитектура средств вычислительной техники. Общие сведения об ЭВМ. Процессоры и устройства управления

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
 
В.Ф. ГРЕБЕННИКОВ, В.А. ОВЧЕРЕНКО 
 
 
 
 
АРХИТЕКТУРА СРЕДСТВ  
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ  
ТЕХНИКИ 
 
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭВМ 
ПРОЦЕССОРЫ И УСТРОЙСТВА  
УПРАВЛЕНИЯ 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2019 

 

УДК 004.2(075.8) 
          Г 79 
 
Рецензенты: 
канд. техн. наук, доцент В.К. Мищенко 
канд. техн. наук, доцент В.К. Береснев 
 
Работа подготовлена на кафедре вычислительной техники  
для студентов всех форм обучения по направлениям 09.03.01 
 «Информатика и вычислительная техника»  
и 09.03.04 «Программная инженерия» 
 
 
Гребенников В.Ф. 
Г 79 
  
Архитектура средств вычислительной техники. Общие сведения об ЭВМ. Процессоры и устройства управления: учебное 
пособие / В.Ф. Гребенников, В.А. Овчеренко. – Новосибирск: 
Изд-во НГТУ, 2019. – 76 c. 
 
ISBN 978-5-7782-4003-2 
 
В учебном пособии рассматриваются основные принципы организации ЭВМ, приведен ряд их наиболее популярных классификаций, 
выделены ключевые характеристики ЭВМ, а также дано описание 
важнейших этапов проектирования ЭВМ. Основное внимание уделено вопросам построения процессоров и способам организации их 
работы. Рассмотрены структуры арифметико-логических устройств 
(АЛУ), как основного ядра процессоров, а также принципы организации и архитектуры устройств управления (схемно-логических и микропрограммных). 
 
 
УДК 004.2(075.8) 
 
 
 
ISBN 978-5-7782-4003-2  
 
 
 
 
© Гребенников В.Ф., Овчеренко В.А., 2019 
© Новосибирский государственный 
    технический университет, 2019 

 

ПОНЯТИЕ АРХИТЕКТУРЫ ЭВМ 

С середины 1960-х годов кардинально изменился подход к созданию 
вычислительных машин. Вместо разработки аппаратуры и средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая 
из синтеза аппаратных (hardware), программных (software) и аппаратно-программных (firmware) средств. При этом на главный план 
выдвинулась концепция взаимодействия. Так возникло новое понятие – 
архитектура ЭВМ. 
Под архитектурой ЭВМ принято понимать совокупность общих 
принципов организации средств ЭВМ, их основных характеристик, 
определяющих функциональные возможности при решении соответствующих типов задач. Архитектура ЭВМ охватывает обширный круг 
проблем, связанных с созданием комплекса средств и учитывающих 
большое количество определяющих факторов. Среди этих факторов самыми главными являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство в эксплуатации, а одним из основных компонентов архитектуры считаются аппаратные средства. 
Архитектуру вычислительного средства необходимо отличать от его 
структуры. Структура вычислительного средства определяет его текущий состав на определенном уровне детализации и описывает связи 
внутри средства. Архитектура же определяет основные правила взаимодействия составных элементов вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой необходимо для формирования 
правил их взаимодействия. Термин «архитектура» также употребляют 
для теоретической классификации способа обработки данных (например, «архитектура фон Неймана», «параллельная архитектура» и т. п.). 
Однако при подобной трактовке из рассмотрения выпадают вопросы 
физического построения вычислительных средств: состав устройств, 
число регистров процессора, наличие специального блока для обработки вещественных чисел, тактовая частота центрального процессора 

и т. д. Этот круг вопросов принято определять понятием организация 
(или структурная организация). 
Архитектура и организация – это две стороны описания ЭВМ и 
ВС. Применительно к вычислительным системам термин «архитектура» 
дополнительно распространяется на вопросы распределения функций 
между составляющими ВС и взаимодействия этих составляющих. 
К сожалению, название предмета предполагает рассмотрение 
необычайно широкого круга вопросов. Так, ЭВМ могут быть аналоговые, цифро-аналоговые, цифровые. По области применения – универсальные, специализированные, например, процессоры цифровой обработки сигналов (ПЦОС или DSP). Подобный перечень может быть 
продолжен. Поэтому основное внимание при изучении дисциплины уделяется аппаратным и аппаратно-программным средствам универсальных цифровых ЭВМ. 
В данном учебном пособии рассматриваются принципы организации ЭВМ в целом, различные варианты архитектур процессоров, структуры арифметико-логических устройств (АЛУ), устройств управления 
(схемно-логических и микропрограммных). 
В дальнейшем мы предполагаем рассмотрение вопросов    построения систем прерывания программ, организации сверхоперативной, оперативной и внешней памяти, подсистем ввода-вывода, а также принципов организации интерфейсов ЭВМ, контроля функционирования как 
отдельных узлов и блоков, так и ЭВМ в целом, затронем некоторые вопросы защиты данных и ограничения доступа к компьютеру. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭВМ 

1.1. Классификация ЭВМ 

Рассмотрим некоторые из наиболее популярных классификаций. 
По принципу действия 
Критерием деления вычислительных машин здесь является форма 
представления информации, с которой они работают. 
1. Аналоговые (АВМ) – вычислительные машины  непрерывного 
действия, работают с информацией,  представленной в непрерывной 
(аналоговой) форме, т. е. в виде непрерывного  ряда значений какойлибо физической величины (чаще всего электрического напряжения). 
Основные достоинства и недостатки АВМ: 
 простота и удобство в эксплуатации; 
 программирование задач, как правило, не трудоемкое; 
 скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана достаточно большой (больше, чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность 2–5 %). 
На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики. 
2. Цифровые (ЦВМ) – вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее – в цифровой форме. 
3. Гибридные (ГВМ) – вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, 
и в аналоговой форме, они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. 
ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами. 

Наиболее широкое применение получили ЦВМ с электрическим 
представлением дискретной информации – электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания об их цифровом характере. 
По назначению 
1. Универсальные (общего назначения) - предназначены для решения самых различных технических задач, экономических, математических, информационных и других, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. 
Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах. 
2. Проблемно-ориентированные – служат для решения более узкого круга задач. Задачи, как правило, связаны с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам. Они обладают ограниченными по 
сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами. 
К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, 
всевозможные управляющие вычислительные комплексы. 
3. Специализированные – используются для решения узкого круга 
задач или реализации строго определенной группы функций. 
Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их 
структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы. 
К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными 
несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами; 
устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных 
систем. 
По размерам и функциональным возможностям 
1. Сверхбольшие (супер-ЭВМ). 
2. Большие (универсальные ЭВМ общего назначения). 
3. Малые (или мини). 
I. К супер-ЭВМ относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов – десятки миллиардов операций в секунду. 

Суперкомпьютеры используются для решения сложных и больших 
научных задач (метеорология, гидродинамика и т. п.), в управлении, 
разведке, в качестве централизованных хранилищ информации и т. д. 
Архитектура суперкомпьютеров основана на идеях параллелизма и 
конвейеризации вычислений. 
В этих машинах параллельно выполняется множество похожих операций (это называется мультипроцессорной обработкой). Таким образом, сверхвысокое быстродействие обеспечивается не для всех задач, а 
только для поддающихся распараллеливанию. 
Конвейеризация – это техника, в результате которой задача или команда разбивается на некоторое число подзадач, выполняемых последовательно. Каждая подкоманда выполняется на своем логическом 
устройстве. Все логические устройства (ступени) соединяются последовательно таким образом, что выход i-ой ступени связан с входом (i + 1)ой ступени, все ступени работают одновременно. Множество ступеней 
называется конвейером. Выигрыш во времени достигается при выполнении нескольких задач за счет параллельной работы ступеней, с вовлечением на каждом такте новой задачи или команды. 
Отличительной особенностью суперкомпьютеров являются векторные процессоры, оснащенные аппаратурой для параллельного выполнения операций с многомерными цифровыми объектами – векторами и матрицами. 
В них встроены векторные регистры и параллельный конвейерный 
механизм обработки. Если на обычном процессоре программист выполняет операции над каждым компонентом вектора поочереди, то на векторном – выдает сразу векторные команды. 
Наряду с векторно-конвейерной системой обработки данных существует и скалярная система, основанная на выполнении обычных арифметических операций над отдельными числами или парами чисел. Системы, использующие скалярную обработку данных, по своей производительности уступают супер-ЭВМ, но у них наблюдаются тенденции, 
характерные для высокопроизводительных вычислительных систем: 
необходимость распараллеливания больших задач между процессорами. 
Типовая модель супер-ЭВМ имеет примерно следующие характеристики: 
 высокопараллельная многопроцессорная вычислительная система (МПВС) с быстродействием примерно 100000 МFLOPS; 

 емкость оперативной памяти 10 Гбайт, дисковой памяти 1–10 Тбайт; 
 разрядность: 64; 128 бит. 
В зависимости от степени распараллеливания процессов различают четыре типа архитектур (так называемая классификация 
Флинна) (рис. 1). 

 
Рис. 1. Архитектуры ЭВМ 

1. SISD – Single Instruction Single Data (ОКОД – одиночный поток 
команд / одиночный поток данных); без использования параллелизма. 
2. SIMD – Single Instruction Multiple Data (ОКМД – одиночный поток команд (ПК) / Множественный поток данных (ПД1…ПДN); несколько процессоров (ПЭ1...П) по одному алгоритму (одной команде) 
обрабатывают одновременно несколько потоков данных. Это класс так 
называемых потоковых процессоров. 
3. MISD – Multiple Instruction Single Data (МКОД – множественный поток команд (ПК1…ПКN) / одиночный поток данных (ПД)); конвейерная обработка, когда одновременно на вход поступает один поток 

данных (одно данное), но он последовательно обрабатывается большим 
количеством процессоров различного функционального назначения. 
4. MIMD - Multiple Instruction Multiple Data (МКМД – множественный поток команд (ПК1...ПКN) / множественный поток данных 
(ПД1…ПДN)); самый сложный случай, когда используются и конвейерная, и параллельная обработки. 
II. Большие ЭВМ – это самые мощные компьютеры. Их применяют 
для обслуживания очень крупных организаций и даже целых отраслей 
народного хозяйства. 
За рубежом компьютеры этого класса называют мэйнфреймами 
(mainframe). В России за ними закрепился термин «большие ЭВМ». 
Штат обслуживания большой ЭВМ составляет десятки человек. На 
базе таких суперкомпьютеров создают вычислительные центры, включающие несколько отделов или групп: системного и прикладного программирования, подготовки данных, технического обеспечения, информационного обеспечения, выдачи данных. 
К мэйнфреймам относятся, как правило, компьютеры, имеющие следующие характеристики: 
 производительность не менее 100 MIPS; 
 основную память емкостью от 512 до 10 000 Мбайт; 
 внешнюю память не менее 100 Гбайт; 
 многопользовательский режим работы (обслуживают одновременно от 16 до 1000 пользователей). 
Основные направления эффективного применения мэйнфреймов – 
это решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами 
данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами. 
Последнее направление – использование мэйнфреймов в качестве 
больших серверов вычислительных сетей (часто отмечается специалистами среди наиболее актуальных). 
Большие ЭВМ отличаются высокой стоимостью оборудования и обслуживания, поэтому работа таких суперкомпьютеров организована по 
непрерывному циклу. 
Родоначальником современных больших ЭВМ, по стандартам которого в последние несколько десятилетий развивались ЭВМ этого класса 
в большинстве стран мира, является фирма IBM 
III. Малые ЭВМ (мини-ЭВМ) – надежные, недорогие и удобные в 
эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по 
сравнению с мэйнфреймами возможностями. 

Мини-ЭВМ обладают следующими характеристиками: 
 производительность – до 100 МIPS; 
 емкость основной памяти – 4–512 Мбайт; 
 емкость дисковой памяти – 2–100 Гбайт; 
 число поддерживаемых пользователей – 16–512. 
Все модели мини-ЭВМ разрабатываются на основе микропроцессорных комплектов (16-, 32-, 64-разрядных микропроцессоров). 
Основные особенности мини-ЭВМ: 
1) широкий диапазон производительности в конкретных условиях 
применения; 
2) аппаратная реализация большинства системных функций вводавывода информации; 
3) простая реализация микропроцессорных и многомашинных систем; 
4) высокая скорость обработки прерываний; 
5) возможность работы с форматами данных различной длины. 
К достоинствам мини-ЭВМ можно отнести: специфичную архитектуру с большой модульностью; лучшее (чем у мэйнфреймов), соотношение «производительность/цена», повышенная точность вычислений. 
Мини-ЭВМ ориентированы на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов. Наряду с использованием для управления технологическими процессами мини-ЭВМ успешно применяется 
для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в 
системах автоматизированного проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта. 
IV. Микро-ЭВМ обязаны своим появлением созданию микропроцессоров, что не только конструктивно изменило процессорный блок 
ЭВМ, но и привело к необходимости разработки малогабаритных 
устройств для его периферийных устройств. 
Микро-ЭВМ получили широкое распространение во всех сферах 
экономики, промышленности и оборонного комплекса благодаря малым размерам, высокой производительности, высокой надежности и небольшой стоимости. 
Продвинутые модели микрокомпьютеров имеют несколько микропроцессоров. Производительность микрокомпьютера определяется не 
только характеристиками применяемого микропроцессора, но и емкостью оперативной памяти, типами периферийных устройств, качеством 
конструктивных решений и др.