Арифметико-логические основы вычислительной техники

Е. И. Фоминых
Т. Е. Фоминых

Ю. Л. Пархоменко

АРИФМЕТИКО–ЛОГИЧЕСКИЕ  
ОСНОВЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ 

ТЕХНИКИ

Допущено Министерством образования Республики Беларусь  

в качестве учебного пособия для учащихся учреждений образования,  
реализующих образовательные программы среднего специального  

образования по специальности «Программное обеспечение  

информационных технологий»

2-е издание, стереотипное

Минск
РИПО
2022

УДК 004.2(075.32)
ББК 32.973-04я723

Ф76

А в т о р ы:

преподаватели УО «Гомельский торгово-экономический колледж»  

Белкоопсоюза Е. И. Фоминых, Ю. Л. Пархоменко;  

учитель ГУО «Специальная общеобразовательная школа № 188  
для детей с нарушениями зрения города Минска» Т. Е. Фоминых

Р е ц е н з е н т ы:

цикловая комиссия по специальностям «Программное обеспечение  

информационных технологий», «Эксплуатация электронно- 

вычислительных машин», «Программируемые мобильные системы»  

УО «Минский государственный колледж электроники» (С. А. Оберган);

доцент кафедры «Программное обеспечение информационных  
технологий» УО «Белорусский государственный университет  

информатики и радиоэлектроники» кандидат технических наук,  

доцент А. И. Парамонов

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее 

части не может быть осуществлено без разрешения издательства.

Ф76

Фоминых, Е. И.

Арифметико-логические основы вычислительной техники : 

учеб. пособие / Е. И. Фоминых, Т. Е. Фоминых, Ю. Л. Пархомен-
ко. – 2-е изд., стер. – Минск : РИПО, 2022. – 223 с. : ил.

ISBN 978-985-895-027-9.

Описываются способы представления числовой информации в вычис-

лительной технике, выполнения арифметических и логических операций. 
Рассматриваются вопросы контроля правильности функционирования 
цифровых устройств, организации памяти ЭВМ, архитектуры микропро-
цессора и микропроцессорных систем. Учебный материал дополняется 
примерами и иллюстрациями.

Предназначено для учащихся учреждений среднего специального об-

разования по специальности «Программное обеспечение информацион-
ных технологий». 

УДК 004.2(075.32)
ББК 32.973-04я723 

ISBN 978-985-895-027-9      
 © Фоминых Е. И., Фоминых Т. Е., 

 
 
 
 
    Пархоменко Ю. Л., 2021

 
 
 
              © Оформление. Республиканский институт

 
 
 
 
        профессионального образования, 2021

ГЛАВА 1
ГЛАВА 1.  

ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ  
ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ  

ЭЛЕКТРОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН
ЭЛЕКТРОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН

1.1. История развития электронно-вычислительных машин
1.1. История развития электронно-вычислительных машин

Компьютер  
(от англ. 
computer –  
вычислитель)

– устройство или система, способное выполнять за-
данную, четко определенную, изменяемую последо-
вательность операций. 

Электронно-
вычислитель-
ная машина 
(ЭВМ)

– программируемое электронное устройство, способ-
ное обрабатывать данные, производить вычисления, 
а также выполнять другие задачи. 

Первым устройством, предназначенным для облегчения 

вычислений, были счеты. С помощью костяшек счетов можно 
было совершать сложение, вычитание и несложное умножение. 
В 1642 г. французский математик Б. Паскаль сконструировал 
первую механическую счетную машину «Паскалина», которая 
могла выполнять сложение чисел. В 1673 г. немецкий математик 
Г. В. Лейбниц сконструировал механический арифмометр, позво-
ляющий выполнять четыре арифметических действия.

В первой половине XIX в. английский математик Ч. Бэббидж 

попытался построить универсальное вычислительное устрой-
ство, т. е. компьютер, назвав его аналитической машиной. Ком-
пьютер, по определению Ч. Бэббиджа, должен содержать память 
и управляться с помощью программы. Это было механическое 
устройство, программы для которого задавались посредством 
перфокарт из плотной бумаги, информацию на которые нано-

Глава 1. Основы организации электронно-вычислительных машин  

сили с помощью отверстий (в то время перфокарты уже широко 
употребляли в ткацких станках).

ЭВМ стали одним из величайших изобретений середины 

ХХ в. Приведем краткую историю их создания и развития:

 
• 1941 г. – немецкий инженер К. Цузе построил небольшой 

компьютер на основе нескольких электромеханических реле;

 
• 1943 г. – в США на одном из предприятий фирмы IBM 

Г. Айкен создал компьютер под названием «Марк-1». Позво-
лял проводить вычисления в сотни раз быстрее, чем вручную 
с помощью арифмометра, использовался для военных расчетов. 
Основывался на сочетании электрических сигналов и механи-
ческих приводов, содержал 750 000 деталей, позволял перемно-
жить два 32-разрядных числа за 4 с. В том же году в США груп-
па специалистов под руководством Дж. Маучли и П. Эккерта 
начала конструировать компьютер ENIAC на основе электрон-
ных ламп;

 
• 1945 г. – к работе над ENIAC был привлечен математик 

Дж. фон Нейман, сформулировавший общие принципы функ-
ционирования компьютеров, т. е. универсальных вычисли-
тельных устройств. В соответствии с указанными принципа-
ми в состав ЭВМ должны входить: арифметическое логическое 
устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические 
операции, устройство управления, предназначенное для органи-
зации выполнения программ, запоминающие устройства (ЗУ), 
внешние устройства для ввода-вывода данных. До сих пор подав-
ляющее большинство компьютеров изготовлено в соответствии 
с принципами, которые изложил Дж. фон Нейман;

 
• 1947 г. – П. Эккерт и Дж. Маучли начали разработку пер-

вой электронной серийной машины UNIVAC (Universal Automatic 
Computer). Первый образец машины (UNIVAC-1) предназначался 
для бюро переписи США и был запущен в эксплуатацию весной 
1951 г. Синхронная, последовательного действия вычислительная 
машина UNIVAC-1 была создана на базе ЭВМ ENIAC и EDVAC. 
Работала с тактовой частотой 2,25 МГц и содержала около 
5000 электронных ламп. Внутреннее запоминающее устройство 
емкостью 1000 12-разрядных десятичных чисел было выполнено 
на 100 ртутных линиях задержки;

 
• 1949 г. — английский исследователь М. Уилкс создал 

первый компьютер, в котором были воплощены принципы 
Дж. фон Неймана;

1.1. История развития электронно-вычислительных машин

 
• 1951 г. – Дж. Форрестер опубликовал статью о примене-

нии магнитных сердечников для хранения цифровой инфор-
мации. Память на магнитных сердечниках впервые была при-
менена в компьютере «Whirlwind-1». Он представлял собой два 
куба с сердечниками, которые обеспечивали хранение 2048 слов 
для 16-разрядных двоичных чисел с одним разрядом контроля 
на четность;

 
• 1952 г. – фирма IBM выпустила первый промышленный 

электронный компьютер IBM 701, который представлял со-
бой синхронную ЭВМ параллельного действия, содержащую 
4000 электронных ламп и 12 000 диодов. Усовершенствованный 
вариант IBM 704 отличался высокой скоростью работы, в нем 
использовались индексные регистры, данные представлялись 
в форме с плавающей запятой. Затем был выпущен IBM 709, 
в архитектурном плане приближавшийся к ЭВМ 2-го и 3-го по-
колений. В нем впервые была применена косвенная адресация 
и появились каналы ввода-вывода;

 
• 1952 г. – фирма «Remington Rand» выпустила ЭВМ 

UNIVAC-t 103, в которой впервые были применены програм-
мные прерывания. Использовалась алгебраическая форма записи 
алгоритмов под названием «Short Code» (первый интерпретатор, 
созданный в 1949 г. Дж. Маучли);

 
• 1956 г. – фирмой IBM были разработаны плавающие маг-

нитные головки на воздушной подушке. Изобретение их позво-
лило создать новый тип памяти — дисковые ЗУ, значимость ко-
торых была в полной мере оценена в последующие десятилетия 
развития вычислительной техники. Первые ЗУ на дисках появи-
лись в IBM 305 RAMAC System. Последняя имела пакет, состояв-
ший из 52 металлических дисков с магнитным покрытием, на по-
верхности которых размещалось 100 дорожек для записи данных 
по 10 000 знаков каждая;

 
• 1956 г. – фирма «Ferranti» выпустила ЭВМ «Pegasus», в ко-

торой впервые нашла воплощение концепция регистров общего 
назначения (РОН). С появлением РОН было устранено различие 
между индексными регистрами и аккумуляторами, а в распо-
ряжении программиста оказался не один, а несколько реги-
стров-аккумуляторов;

 
• 1957 г. – группа под руководством Д. Бэкуса завершила 

работу над первым языком программирования высокого уровня, 

Глава 1. Основы организации электронно-вычислительных машин  

получившим название ФОРТРАН. Язык, впервые реализован-
ный на ЭВМ IBM 704, способствовал расширению сферы приме-
нения компьютеров;

 
• 1960-е гг. – 2-е поколение ЭВМ, логические элементы ко-

торых реализуются на базе полупроводниковых приборов-тран-
зисторов. Развиваются алгоритмические языки программирова-
ния, такие как АЛГОЛ, ПАСКАЛЬ и др.;

 
• 1970-е гг. – 3-е поколение ЭВМ, содержащих интегральные 

микросхемы, на одной полупроводниковой пластине которых на-
ходились тысячи транзисторов. Начало создания операционных 
систем, языков структурного программирования;

 
• 1974 г. – несколько фирм объявили о создании на основе 

микропроцессора Intel 8008 персонального компьютера — устрой-
ства, выполняющего функции большого компьютера, но рассчи-
танного на одного пользователя;

 
• 1975 г. – появился первый коммерчески распространяемый 

персональный компьютер Altair 8800 на основе микропроцес-
сора Intel 8080: имел оперативную память 256 байт, клавиатура 
и экран отсутствовали;

 
• конец 1975 г. – П. Аллен и Б. Гейтс (будущие основатели 
фирмы Microsoft) создали для компьютера Altair интерпретатор 
языка BASIC, позволивший пользователям легко общаться 
с компьютером и писать программы;

 
• август 1981 г. – компания IBM представила персональный 
компьютер IBM PC. В качестве основного микропроцессора 
использовался 16-разрядный микропроцессор Intel 8088, который 
позволял работать с 1 Мбайт памяти;

 
• 1980-е гг. – 4-е поколение ЭВМ на больших интегральных 

схемах. Микропроцессоры реализуются в виде единой микросхемы. 
Начало массового производства персональных компьютеров;

 
• 
1990-е гг. – 5-е поколение ЭВМ на сверхбольших интегральных 
схемах. Процессоры содержат миллионы транзисторов. 
Появление глобальных компьютерных сетей массового пользования;

 
• 
2000-е гг. – 6-е поколение ЭВМ. Человеко-машинный интерфейс, 
искусственный интеллект. Интеграция ЭВМ и бытовой 
техники, встраиваемые компьютеры, развитие сетевых 
вычислений. 

1.2. Структура и типы электронно-вычислительных машин

1.2. Структура и типы электронно-вычислительных машин
1.2. Структура и типы электронно-вычислительных машин

Структура 
компьютера

– это совокупность его функциональных элементов и 
связей между ними. Является одним из определяющих 
факторов его характеристик.

Классическая упрощенная структурная схема компьютера 

приведена на рисунке 1.

АЛУ

Устройство 
управления 
и интерфейс

Процессор-

ная  

память

Процессор

Оперативная память

Каналы связи

Внешние устройства

Внешняя 
память

Устройства  
ввода-вывода

Рис. 1

Процессор 
(центральный  
процессор)

– основной вычислительный блок компьютера, со-
держащий важнейшие функциональные устройства: 
устройства управления, АЛУ, процессорную память.

Глава 1. Основы организации электронно-вычислительных машин  

Оперативная 
память

– запоминающее устройство, используемое для опе-
ративного хранения и обмена информацией с другими 
узлами компьютера.

Каналы 
связи (вну-
тримашинный 
интерфейс)

– среда, по которой передается информация; служат 
для сопряжения центральных узлов компьютера с 
внешними устройствами.

Внешние 
устройства

– обеспечивают эффективное взаимодействие ком-
пьютера с окружающей средой: пользователями, 
внешней памятью, устройствами ввода-вывода, объ-
ектами управления, другими компьютерами и т. д.

ЭВМ различают по ряду принципов.
По п р и н ц и п у  п о с т р о е н и я  и  д е й с т в и я  выделяют:
 
• аналоговые ЭВМ (АВМ) – вычислительные машины не-

прерывного действия, обрабатывающие аналоговые данные. 
Представляют числовые данные при помощи аналоговых физи-
ческих параметров: скорость, длина, напряжение, сила тока, дав-
ление. У АВМ отсутствует программа, под управлением которой 
с помощью одной и той же вычислительной машины можно ре-
шать разнообразные задачи. Решаемая задача (класс задач) жест-
ко определяется внутренним устройством АВМ и выполненными 
настройками (соединениями, установленными модулями, клапа-
нами и т. п.). Даже для универсальных АВМ для решения новой 
задачи требуется перестройка внутренней структуры устройства. 
Основные области применения АВМ связаны с моделированием 
различных процессов и систем;

 
• цифровые ЭВМ (ЦЭВМ) – данное уточнение производят 

в особых случаях, например в сложных вычислительных систе-
мах, включающих ЭВМ разных видов;

 
• комбинированные (аналого-цифровые) ЭВМ – сочетают 

аналоговую и цифровую форму обработки данных:

 
– многопроцессорные ЭВМ, архитектура которых предусма-

тривает использование большого числа процессоров, обеспечивая 
существенное повышение вычислительной мощности и, в частно-
сти, возможность обработки значительных объемов информации; 

 
– транспьютер – микроэлектронный прибор, объединяю-

щий на одном кристалле мощный микропроцессор, быструю па-
мять, интерфейс внешней памяти и каналы ввода-вывода. Пред-

1.2. Структура и типы электронно-вычислительных машин

назначен для построения параллельных вычислительных струк-
тур. При построении транспьютеров используют специальные 
языки параллельного программирования и др.

По в ы ч и с л и т е л ь н о й  м о щ н о с т и  различают:
 
• суперЭВМ – класс сверхпроизводительных ЭВМ, предна-

значенных для решения особо сложных задач в областях науки, 
техники и управления. Сверхвысокая производительность до-
стигается преимущественно за счет параллельной архитектуры, 
предусматривающей использование большого числа функцио-
нально ориентированных процессоров и параллельного програм-
мирования, сверхглубокого охлаждения процессоров (до темпе-
ратур, близких к абсолютному нулю), а также высокоскоростных 
сверхбольших интегральных схем. Основные производители: 
фирмы США, Японии, Китая («Cray», «Fujitsu», «NEC» и др.);

 
• большие ЭВМ – имеют высокую производительность, 

большой объем основной и внешней памяти, обладают способностью 
параллельной обработки данных, обеспечивая как пакетный, 
так и интерактивный (диалоговый) режимы работы;

 
• ЭВМ средней производительности – до нескольких миллионов 
операций в 1 с, емкостью оперативной памяти в несколько 
десятков мегабайт и разрядностью машинного слова 
не менее 64;

 
• малые ЭВМ (мини-ЭВМ) – конструктивно выполнены 

в одной стойке, занимают небольшой объем. Обладают низкой 
производительностью и малым объемом памяти. Мини-ЭВМ 
не имеют четкого отграничения от микроЭВМ;

 
• микроЭВМ (однокристальные ЭВМ, система на чипе – 

System-on-Chip, SoC) – содержат кристалл большой или сверхбольшой 
интегральной схемы, который, в отличие от микропроцессора, 
содержит все логические элементы, необходимые для образования 
полноценной вычислительной системы. В качестве 
арифметического и логического устройства используется один 
или несколько микропроцессоров. 

Вместе с тем отнесение ЭВМ к тому или иному классу машин 
может быть признано некорректным в связи с широким 
применением микропроцессорной техники.

МикроЭВМ также подразделяют:
 
• на однокристальные ЭВМ – выполнены на одной большой 

или сверхбольшой интегральной микросхеме;

Глава 1. Основы организации электронно-вычислительных машин  

 
• одноплатные ЭВМ, у которых микропроцессор, микросхемы 
устройств памяти и подсистемы ввода-вывода, а также 
другие основные компоненты размещены на одной печатной 
плате;

 • однопроцессорные ЭВМ с одним центральным процессором;
 
• смарт-карты – пластиковые карточки со встроенным микропроцессором 
и памятью. На них могут храниться, например, 
личные сведения, идентификационные шифры для охранных 
устройств, данные банковского счета и т. д.

По н а з н а ч е н и ю  выделяют:
 
• базовые ЭВМ – являются исходной моделью в серии ЭВМ 

определенного типа или вида;

 
• универсальные ЭВМ – предназначены для решения широкого 
класса задач. Имеют разветвленную, алгоритмически полную 
систему команд, иерархическую структуру ЗУ и развитую 
систему устройств ввода-вывода данных;

 
• специализированные ЭВМ – предназначены для решения 

узкого класса определенных задач. Характеристики и архитектура 
машин этого класса определяются спецификой задач, на которые 
они ориентированы, что делает их более эффективными 
по сравнению с универсальными ЭВМ. К разряду специализированных 
могут быть отнесены, в частности, управляющие, бортовые, 
выделенные ЭВМ и др.:

 
– управляющие ЭВМ – предназначены для автоматического 

управления объектом (устройством, системой, процессом) в режиме 
реального времени. Сопряжение ЭВМ с объектом управления 
производится с помощью аналого-цифровых и цифроаналоговых 
преобразователей;

 
– бортовые ЭВМ – специализированные управляющие 

ЭВМ, устанавливаемые на борту транспортного средства (самолета, 
спутника, корабля, автомобиля и т. п.) и предназначенные 
для оптимального управления функционированием других бортовых 
устройств, в частности связанных с управлением перемещением 
своего носителя в пространстве;

 
– выделенные ЭВМ – разновидность однокристальных специализированных 
ЭВМ, встроенных в какое-либо устройство 
в целях управления им или передачи ему данных. Используют 
в бытовой технике и других видах устройств (нагревательных 
приборах, часах, автомобилях, магнитофонах и т. д.).