Архитектура ЭВМ и вычислительные системы

В.В. СТЕПИНА

УЧЕБНИК

Москва
КУРС
ИНФРА-М
2023

АРХИТЕКТУРА ЭВМ 
И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ 
СИСТЕМЫ

Рекомендовано Экспертным советом при ГБОУ УМЦ ПО ДОгМ 
для использования в образовательном процессе профессиональных 
образовательных организаций города Москвы в качестве 
учебника для студентов среднего профессионального образования 
по специальности 2.09.02.04 «Информационные системы 
(по отраслям)»

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 004.2(075.8)
ББК 32.973-02я73
 
С79

Степина В.В.
Архитектура ЭВМ и вычислительные системы : учебник / В.В. Степина. — 
Москва: КУРС: ИНФРА-М, 2023. — 384 с. — (Среднее профессиональное 
образование).

ISBN 978-5-906923-07-3 (КУРС)
ISBN 978-5-16-012261-8 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-105268-6 (ИНФРА-М, online)
Рассмотрены информационно-логические основы электронно-вычислительной 
техники, типовые логические элементы и устройства ЭВМ, 
структура и функционирование процессора, принципы организации 
и построения ЭВМ, периферийные устройства ЭВМ, методы и средства 
сопряжения, основы программирования процессора, вычисления 
в многопроцессорных и многоядерных системах. Изложены принципы 
функционирования и вводные основы проектирования цифровой вычислительной 
техники. Описаны тенденции развития архитектуры и аппаратного 
обеспечения электронных вычислительных систем, методы повышения 
производительности многопроцессорных и многоядерных систем, 
энергосберегающие технологии.
УДК 004.2(075.8)
ББК 32.973-02я73

Р е ц е н з е н т:
В.В. Гуров — канд. техн. наук, преподаватель кафедры «Информационные 
технологии» ГАПОУ Колледж предпринимательства № 11.

С79

© Степина В.В., 2017
© КУРС, 2017
ISBN 978-5-906923-07-3 (КУРС)
ISBN 978-5-16-012261-8 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-105268-6 (ИНФРА-М, online)

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Оригинал-макет подготовлен в Издательстве «КУРС»

Подписано в печать 27.09.2017. Формат 6090/16. Бумага офсетная. 
Гарнитура Newton. Печать цифровая. Усл. печ. л. 24.0.
ППТ 20 экз. Заказ № 00000

ТК 640317-661253-121216

ООО Издательство «КУРС»
127273, Москва, ул. Олонецкая, д. 17А, офис 104.
Тел.: (495) 203-57-83. E-mail: kursizdat@gmail.com

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29 
E-mail: books@infra-m.ru  http://www.infra-m.ru

Предисловие

Учебник ориентирован на дисциплину «Архитектура ЭВМ и вычислительные 
системы» для специальности среднего профессиональ-
ного образования (230701) 09.02.05 «Прикладная информатика», 
входящей в укрупненную группу специальностей (230000) 09.00.00 
«Информатика и вычислительная техника», и построен на фунда-
ментальном утверждении современного классика компьютерной 
науки Эндрю Таненбаума о том, что компьютер можно рассматривать 
как иерархию структурных уровней организации.

Это утверждение в равной мере относится как к аппаратной ор-

ганизации, так и к структуре и организации программного обеспе-
чения. Более того, исследование взаимодействия уровней организа-
ции компьютеров показывает, что нередко затруднительно провести 
четкую границу между аппаратной и программной реализациями 
функциональностей. Однако просматривается определенная зако-
номерность, состоящая в том, что чем ниже расположен уровень, тем 
в большей степени он реализован средствами аппаратуры (а не сред-
ствами программирования).

Появляются новые языки программирования еще более высокого 

уровня, и каждый такой язык использует своего предшественника как 
основу, поэтому вычислительную машину можно рассматривать 
в виде ряда многоуровневой машины, и самый нижний уровень —  это 
уровень физической реализации цифровых логических элементов.

Подход к компьютеру как к многоуровневой иерархической 

структуре позволяет продолжать заниматься дальнейшей разработ-
кой системы, работая на вышележащем уровне. Однако реализация, 
по крайней мере, некоторых функций с использованием возможно-
стей нижележащих уровней позволяет повысить эффективность сис-
темы, правда иногда ценой повышения трудоемкости разработки.

Изучение иерархических уровней (особенно изучение уровня ко-

манд процессора) дает возможность приобрести знания, использо-
вание которых может помочь как системному, так и прикладному 
программисту в эффективной разработке программного продукта, 
позволяя повысить эксплуатационные характеристики программных 
модулей (уменьшить объем требуемой памяти, увеличить скорость 
выполнения).

Учебник состоит из девяти глав.
В первой главе даются базовые понятия вычислительной техники.

Во второй и третьей главах рассматривается цифровой логиче-

ский уровень: арифметические и логические основы вычисли-
тельной техники; основные цифровые логические устройства (ком-
бинационные логические устройства и устройства с памятью).

Четвертая глава посвящена архитектуре микропроцессора. 

На этом уровне в обработке команд участвует арифметико-логиче-
ское устройство (АЛУ), представлен уровень микроархитектуры и ар-
хитектуры набора команд. На этом уровне рассматриваются архи-
тектура памяти, режимы адресации, регистры, машинные команды.

Пятая и шестая главы посвящены организации микропроцессор-

ной системы и режимам работы.

В седьмой главе описывается уровень операционных систем. При-

водится краткий обзор операционных систем, управление ресурсами 
вычислительных систем.

Восьмая глава посвящена четвертому уровню, который представ-

ляет собой символическую форму одного из языков более низкого 
уровня —  ассемблера. Рассмотрены примеры программ на языке ас-
семблера для конкретной архитектуры, операционной системы и ва-
рианты синтаксиса языка.

В девятой главе рассматриваются параллельные вычислительные 

системы, производительность параллельных вычислительных систем 
и тенденции развития вычислительных систем.

Глава 1

основные Понятия  

архитектуры аППаратных средств, 

вычислительной системы, 
системноГо ПроГраммноГо 

обесПечения

1.1. базовые понятия вычислительной системы

Для введения в дисциплину ознакомимся с основными поняти-

ями, которые определяют ее содержание. Рассмотрим понятия «вы-
числительная машина», «вычислительная система», определим раз-
ницу между компьютерами и информационной системой, между 
понятиями «архитектура» и «структура» аппаратных средств вычис-
лительной системы.

Согласно ГОСТ 15971-90 вычислительная машина (ВМ) —  сово-

купность технических средств, создающая возможность проведения 
обработки информации (данных) и получения результата в необхо-
димой форме. Под техническими средствами понимают все оборудо-
вание, предназначенное для автоматизированной обработки данных. 
Как правило, в состав ВМ входит и системное программное обеспе-
чение.

Вычислительную машину, основные функциональные устройства 

которой выполнены на электронных компонентах, называют элект-
ронной вычислительной машиной (ЭВМ).

В последнее время в отечественной литературе широкое распро-

странение получил англоязычный термин «компьютер» (англ. Com-
puter —  вычислитель). Мы будем использовать эти термины как рав-
ноправные. Следует отметить, что в настоящее время активно ведутся 
разработки компьютеров, работа которых основана на оптических, 
фотонных, квантовых и других физических принципах. Например, 
оптические компьютеры в своей работе используют скорость света, 
а не скорость электричества, что делает их наилучшими проводни-
ками данных. Сверхъестественный мир квантовой механики не под-
чиняется законам общей классической физики. Квантовый бит (qu-

bit) не существует в типичных 0- или 1-бинарных формах сегодняш-
них компьютеров —  квантовый бит может существовать в одной 
из них или же в обеих системах одновременно. В связи с этим поня-
тие «электронная вычислительная машина», в котором акцентиру-
ется, что машина построена на основе электронных устройств, ста-
новится более узким, чем понятие «компьютер».

С развитием вычислительной техники появились многопроцес-

сорные системы и сети, объединяющие большое количество от-
дельных процессоров и вычислительных машин, программные сис-
темы, реализующие параллельную обработку данных на многих вы-
числительных узлах. Появился термин «вычислительные системы».

Система (от греч. systema —  целое, составленное из частей соеди-

нение) —  это совокупность элементов (объектов), взаимодействующих 
друг с другом, образующих определенную целостность, единство.

Объект (от лат. objectum —  предмет) —  это термин, используемый 

для обозначения элементов системы.

Вычислительную систему (ВС) стандарт ISO/IEC2382/1-93 опре-

деляет как одну или несколько вычислительных машин, периферий-
ное оборудование и программное обеспечение, которые выполняют 
обработку данных.

Вычислительная система состоит из связанных между собой средств 

вычислительной техники, содержащих не менее двух основных про-
цессоров, имеющих общую память и устройство ввода-вывода.

Формально отличие ВС от ВМ выражается в количестве вычис-

лительных средств. Множественность этих средств позволяет реали-
зовать в ВС параллельную обработку.

Таким образом, вычислительная система является результатом 

интеграции аппаратных средств и программного обеспечения, функ-
ционирующих в единой системе и предназначенных для совместного 
выполнения информационно-вычислительных процессов.

Аппаратное средство (hardware) включает в себя все внешние 

и внутренние физические компоненты компьютерной системы 
(из п. 3.7.2 ГОСТ Р 53394-2009).

программное обеспечение (software) по ГОСТ Р 53394-2009 —  это 

совокупность информации (данных) и программ, которые обраба-
тываются компьютерной системой.

С технической точки зрения вычислительная система —  это ком-

плекс вычислительных средств, объединенных в информационно-
вычислительную сеть.

Основной отличительной чертой вычислительных систем по от-

ношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, 

реализующих параллельную обработку. Точного различия между вы-
числительными машинами и вычислительными системами опреде-
лить невозможно, так как вычислительные машины даже с одним 
процессором обладают разными средствами распараллеливания, 
а вычислительные системы могут состоять из традиционных вычис-
лительных машин или процессоров.

Необходимо понимать разницу между компьютерами и инфор-

мационной системой: компьютеры оснащены специальными про-
граммными системами, являются технической базой и инструментом 
для информационных систем.

информационная система —  это организационно упорядоченная 

совокупность документов (массивов документов) и информацион-
ных технологий, в том числе с использованием средств вычисли-
тельной техники и связи, реализующих информационные процессы 
[1, ст. 2] (из п. 3.1.7 ГОСТ Р 54089-2010).

Информационная система немыслима без персонала, взаимодей-

ствующего с компьютерами и телекоммуникациями.

Информационная система с технической точки зрения —  это вза-

имосвязанная совокупность средств, методов и персонала, исполь-
зуемых для хранения, обработки и выдачи информации в интересах 
достижения поставленной цели.

С развитием средств вычислительной техники изменился подход 

к созданию вычислительных машин. Вместо разработки аппаратуры 
и средств математического обеспечения стала проектироваться сис-
тема, состоящая из синтеза аппаратных и программных средств. При 
этом на главный план выдвинулась концепция взаимодействия ап-
паратных и программных средств. Так возникло новое понятие —  ар-
хитектура вычислительной машины.

архитектура (architecture)– это базовая организация системы, воплощенная 
в ее компонентах, их отношениях между собой и с окружением, 
а также принципы, определяющие проектирование и развитие 
системы [ИСО/МЭК 15288:2008, определение 4.5].

архитектура вычислительной машины (Computer architecture) —  это 

концептуальная структура вычислительной машины, определяющая 
проведение обработки информации и включающая методы преобразования 
информации в данные и принципы взаимодействия технических 
средств и программного обеспечения [ГОСТ 15971-90, определение 
29].

Таким образом, архитектуру вычислительной машины можно 

представить как множество взаимосвязанных компонентов, включающих 
элементы различной природы: программное обеспечение 

(software), аппаратное обеспечение (hardware), алгоритмическое 
обеспечение (brainware), специальное фирменное обеспечение (firm-
ware), создающих возможность проведения обработки информации 
и получения результата в необходимой форме.

Следует отличать архитектуру вычислительной машины от ее 

структуры.

Структура —  это отношение между элементами системы [ISO/

IEC2382/1-93].

Структура вычислительной машины определяет отношение 

между ее элементами (множество взаимосвязанных компонентов) 
на уровне детализации. Элементами детализации могут быть различ-
ные функциональные узлы (блоки, устройства и т. д.). Графически 
описание вычислительной машины на любом уровне детализации 
представляется в виде структурных схем.

Под архитектурой вычислительной машины понимают общее 

описание принципов организации аппаратно-программных средств 
и основных их характеристик, определяющих функциональные воз-
можности вычислительной машины.

архитектура вычислительной системы —  совокупность характе-

ристик и параметров, определяющих функционально-логичную 
и структурно-организованную систему и затрагивающих в основном 
уровень параллельно работающих вычислителей.

Понятие архитектуры охватывает общие понятия организации 

системы, включающие такие высокоуровневые аспекты разработки 
компьютера, как система памяти, структура системной шины, орга-
низация ввода/вывода и т. п.

Архитектура определяет принципы действия, информационные 

связи и взаимное соединение основных логических узлов компью-
тера: процессора, оперативного запоминающего устройства (ЗУ), 
внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры раз-
ных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения 
пользователя.

1.2. многоуровневая организация  

вычислительных машин

Согласно всемирно известному специалисту в области инфор-

мационных технологий Эндрю Таненбауму в основе структурной 
организации компьютера лежит идея иерархической структуры, 
в которой каждый уровень выполняет вполне определенную 
функцию. Это утверждение в равной мере относится как к аппа-

ратной организации, так и к организации программного обеспе-
чения.

Достоинства такого представления вычислительных машин:

 
• каждый верхний уровень интерпретируется одним или несколь-

кими нижними уровнями;

 
• каждый из уровней можно проектировать независимо;

 
• чем ниже уровень, на котором реализуется программа, тем более 

высокая производительность достижима;

 
• модификация нижних уровней не влияет на реализацию верхних.

Понятие семантического разрыва между уровнями

Преобразование операторов языков высокого уровня в машин-

ный код или в микрокоманды требует от транслятора, во-первых, 
умения распознать операторы и команды различных уровней 
и, во-вторых, для любого оператора языка высокого уровня генери-
ровать десятки или сотни команд низкого уровня. Это приводит 
к усложнению транслятора, увеличению трудоемкости его разра-
ботки, снижению производительности генерируемых программ. На-
личие этих проблем называют семантическим разрывом между уров-
нями. Основным способом его преодоления является специализация 
машин, при которой операторы проблемно-ориентированных язы-
ков могут непосредственно выполняться аппаратными средствами 
машины и не требовать трансляции. Примеры: аппаратная реали-
зация графических преобразований; аппаратная реализация опера-
ций с векторами и матрицами.

Языки, уровни и виртуальные машины

Основой функционирования любой вычислительной машины 

является ее способность выполнять заданные действия. Аппаратные 
средства любой вычислительной машины способны выполнять 
только ограниченный набор сравнительно простых команд. Эти при-
митивные команды составляют так называемый машинный язык 
машины. Говоря о сложности аппаратуры компьютера, машинные 
команды целесообразно делать как можно проще, но примитивность 
большинства машинных команд делает их использование неудобным 
и трудным. Для эффективной работы человека с компьютером раз-
работчики вводят другой набор команд, более удобный для челове-
ческого общения (языки более высокого уровня).

Появляются новые языки программирования еще более высокого 

уровня, и каждый такой язык использует своего предшественника 

как основу, поэтому вычислительную машину рассмотрим в виде 
ряда многоуровневой машины, структура которой изображена 
на рис. 1.1. Между языками программирования и существующей 
виртуальной машиной существует тесная связь. Язык, находящийся 
в самом низу иерархической структуры компьютера, является при-
митивным, а тот, что расположен на ее вершине, —  самым сложным. 
Большинство современных вычислительных машин включают 
6–7 уровней виртуализации. Нижние уровни, начиная с машинного, 
более консервативны к изменениям.

Компьютер с n уровнями можно рассматривать как п разных вир-

туальных машин, у каждой из которых есть свой машинный язык. 
Термины «уровень» и «виртуальная машина» мы будем использовать 
как синонимы. Только программы, написанные на Я0, могут выпол-
няться компьютером без трансляции или интерпретации. Прог-
раммы, написанные на Я1, Я2, …, Яn, должны проходить через интер-
претатор более низкого уровня или транслироваться на язык, соот-
ветствующий более низкому уровню.

Уровень n
Виртуальная машина Мn
с машинным языком Яn

Программы на языке Мn либо
интерпретируются программой-
интерпретатором, работающей
на машине более низкого уровня,
либо транслируются на машинный
язык более низкого уровня

Уровень 2
Виртуальная машина М2
с машинным языком Я2

Программы на языке М2 либо
интерпретируются программой-
интерпретатором, работающей
на машине более низкого уровня,
либо транслируются на машинный
язык более низкого уровня

Уровень 1
Виртуальная машина М1
с машинным языком Я1

Программы на языке М1 либо
интерпретируются программой-
интерпретатором, работающей
на машине более низкого уровня,
либо транслируются на машинный
язык более низкого уровня

Уровень 0
Виртуальная машина М0
с машинным языком Я0

Программы на языке М0 либо
интерпретируются программой-
интерпретатором, работающей
на машине более низкого уровня,
либо транслируются на машинный
язык более низкого уровня

...

рис. 1.1. Структура многоуровневой вычислительной машины