Организация цифровых вычислительных машин

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ 
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

А. П. Новицкий   Л. М. Курочкин

ОРГАНИЗАЦИЯ  ЦИФРОВЫХ 
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ  МАШИН

Учебное пособие

Санкт-Петербург
2019

ПОЛИТЕХ-ПРЕСС
Санкт-Петербургский
политехнический университет
Петра Великого

ББК 32.971.32-02я73
Н73

Р е ц е н з е н т ы:
Канд. техн. наук, доцент факультета систем управления 
и робототехники университета ИТМО С. А. Чепинский
Канд. техн. наук, директор высшей школы программной инженерии 
СПбПУ П. Д. Дробинцев

Новицкий А. П. Организация цифровых вычислительных машин : учеб. 
пособие / А. П. Новицкий, Л. М. Курочкин. – СПб. : ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 
2019. – 48 с.

Учебное пособие используется при изучении дисциплин «Основы архитектуры 
ЦВМ» и «Программирование микроконтроллеров». В рамках 
курсов рассматриваются особенности: CISC, RISC архитектур процессоров; 
работы и взаимодействия с периферийными подсистемами компьютера; 
изучаются: способы организации взаимодействия периферийных 
подсистем компьютера и вычислительного ядра; способы организации 
вычислительного процесса; изучение дисциплин способствует получению 
представления о специализированных аппаратных и программных 
средствах, ориентированных на встроенные применения.
Предназначено для студентов 2-го года обучения бакалавриата по 
направлению подготовки 02.03.01 «Математика и компьютерные науки».

Табл. 1.  Ил. 8.  Библиогр.: 2 назв.

Печатается по решению
Совета по издательской деятельности Ученого совета
Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого

© Новицкий А. П., Курочкин Л. М.,
2019
© Санкт-Петербургский политехнический
университет Петра Великого, 2019
doi:10.18720/SPBPU/2/ id19-139
ISBN 978-5-7422-6582-5

A.P. NOVITSKII   L.M. KUROCHKIN

ORGANIZATION  OF  DIGITAL 
COMPUTER  MACHINES 

Training manual

Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation

PETER THE GREAT ST. PETERSBURG 
POLYTECHNIC UNIVERSITY

A. V. Rubtsova

PRODUCTIVE   
COMMUNICATION  PRACTICE

Study guide

Saint-Petersburg
2019

Peter the Great 
St.Petersburg Polytechnic 
University

POLYTECH-PRESS
Peter the Great 
St.Petersburg Polytechnic 
University

POLYTECH-PRESS

P e e r  r e v i e w e d  b y:
PhD in Engineering Science, Associate Professor 
of the Faculty of Control Systems and Robotics, ITMO University 
S.A. Chepinskiy
PhD in Engineering Science, Director of SPbPU Higher School of Software
Engineering P.D. Drobintsev 

Novitskii A.P. Organization of Digital Computer Machines: training manual / 
/ A.P. Novitskii, L.M. Kurochkin. – St.Petersburg: POLYTECH-PRESS, 
2019. – 48 p.

The training manual is aimed at studying the following courses: “Architectural 
framework of DVR” and “Programming of Microcontrollers”. Courses consider 
the following peculiarities of CISC, RISC processor architecture, works and 
interactions with peripheral subsystems of the computer. The manual considers 
the ways how to organize interaction between the peripheral subsystem and the 
computational core; to study computing arrangements. Learning these courses 
contributes to acquiring knowledge about specialized hardware and software 
intended for embedded implementation.
The training manual is intended for the second-year students of the Bachelor’s 
degree program in the major 02.03.01 “Mathematics and Computer Science”.

Table 1. Figures 8. References: 2 titles

Printed by the Publishing Council 
of the Peter the Great St. Petersburg polytechnic university Academic Council

© Novitskii A.P., Kurochkin L.M., 2019
© Peter the Great St. Petersburg polytechnic
university, 2019
ISBN 978-5-7422-6582-5
doi:10.18720/SPBPU/2/id19-139

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Обзор предметной области и определение ключевых понятий ........... 7
Виды данных ........................................................................................ 7
Форма представления данных в цифровой вычислительной 
машине ................................................................................................. 8
Многоуровневая организация средств цифровой вычислительной 
техники ................................................................................................. 9
Способы оценки производительности средств вычислительной 
техники ................................................................................................10
Основные соотношения для экстенсивного увеличения 
скорости ..............................................................................................11
Распараллеливание вычислительного процесса ...............................14
Основные классы цифровой вычислительной техники/ 
вычислительной системы ...................................................................15
Задачи управления объектами и использование для этих целей 
средств цифровой вычислительной техники .....................................16
Особенности управляющих встроенных применений .....................17
Эволюция развития больших интегральных схем для построения 
цифровых устройств ...........................................................................18
Способы реализации цифровых устройств управления ...................19
Однокристальные микроконтроллеры и общие сведения 
о реализации и применении...............................................................20
2. Процессор, его регистровая модель, понятие системы команд 
процессора ................................................................................................22
Структура машинной команды «в пространстве» .............................24
Структура команды во времени .........................................................27
Система команд процессора ..............................................................31
Команды копирования (пересылки) .................................................35
Команды обработки ...........................................................................35
3. Способы адресации в цифровом компьютере ....................................40
Функции способов адресации и механизма трансляции адреса ..... 44
Элементы синтаксиса языков Ассемблера ........................................45
Библиографический список ....................................................................47

СПИСОК  СОКРАЩЕНИЙ

ЦВМ – цифровая вычислительная машина
ВТ – вычислительная техника 
ВС – вычислительная система
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство
ПК – персональный компьютер
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство
БИС – большие интегральные схемы
ЛЭ – логические элементы
ПЛМ – программируемая логическая матрица
ОМК – однокристальные микроконтроллеры
АЛУ – арифметико-логическое устройство 
ОС – операционная система
ПУ – периферийное устройство
УВВ – устройство ввода-вывода 
МАЕ – минимальная адресуемая единица 

1. ОБЗОР  ПРЕДМЕТНОЙ  ОБЛАСТИ  И  ОПРЕДЕЛЕНИЕ 
КЛЮЧЕВЫХ  ПОНЯТИЙ

Знания по специальным прикладным дисциплинам в особенности 
имеют тенденцию устаревать, а значимость отдельных разделов, 
даже фундаментальных наук, может сильно изменяться во времени. 
Поэтому значительная часть конкретных сведений, получаемых 
Вами сегодня, окажется для вашей завтрашней практической деятельности 
сама по себе мало полезной. Однако:
– далеко не бесполезными окажутся навыки по приобретению 
и освоению знаний и умений. Это позволит Вам гораздо быстрее 
осваивать новые технологии в будущем;
– многие принципы оказываются общими для разных реализаций; 
при изучении конкретных вопросов следует выделять эти 
общности, а их знание поможет при изучении новых реализаций.
Курс «Организация ЦВМ» является связующим звеном между 
курсами: «Теория алгоритмов и автоматов»; «Электронная техника 
ЭВМ и АСУ (микроэлектроника)» и «Теория и технология 
программирования, языки высокого уровня»; «Организация ВС, 
ОС»; «Встроенные применения (микропроцессорные системы)». 
Для понимания материала курса необходимо знание некоторых вопросов 
из алгебры логики и цифровой электронной схемотехники. 

Виды данных

На ЦВМ возможно обрабатывать любые виды сложноорганизованных 
данных. Однако в основании иерархии множества разновидностей 
данных лежат «простые» в человеческом понимании, в смысле 
«не комплексные» виды. Некоторые из них перечислены далее.
Числа целые или с плавающей точкой – вид данных предназначен 
для отображения количеств.

Тексты – обычно изображаемые человеком в виде последовательностей 
печатных знаков (букв, цифр, знаков препинания 
и т. п.) – этот вид данных исторически возник как средство фиксации 
человеческой речи.
Изображения – вид данных может быть получен разными способами, 
но в конце концов предназначен в основном для зрительного 
восприятия человеком.
Обратите внимание, что обычные для нас источники информации, 
например книги, чаще всего содержат «вперемешку» перечисленные 
виды данных.

Форма представления данных 
в цифровой вычислительной машине

Данные в ЦВМ во внутреннем представлении по форме представляют 
собой на самом нижнем иерархическом уровне последовательности (
цепочки) битов двоичные (битовые) слова.
Битовые слова в ряде случаев целесообразно интерпретировать 
как числа. Отличительной особенностью представления двоичного 
слова в техническом устройстве является ограниченная разрядная 
сетка, в отличие от записи на бумаге, где человек, в принципе, 
может написать в изображении элемента данных сколько угодно 
знаков (цифр, букв).
Отметим общие свойства цифрового представления величин 
в ограниченной разрядной сетке.
1. Ограниченная точность/разрешающая способность (эти понятия 
подходят для чисел).
2. Ограниченный диапазон представляемых значений (а это 
понятие годится не только для чисел).
В частности, ограниченный диапазон представимых значений 
чисел приводит к тому, что результатом операции над числами 
может быть выход за этот диапазон – «переполнение».
Для разных целей, таких как обработка, хранение и передача, 
отображенные данные удобнее представлять в разных формах. 
Например, число:

– для выполнения арифметических операций удобнее представлять 
в двоичном виде;
– для отображения текста на дисплей/принтер или для обмена 
между разными вычислительными системами или программами – 
в символьном виде;
– для хранения/передачи в специальном упакованном виде, 
например в заархивированном (для уменьшения объема).

Многоуровневая организация средств 
цифровой вычислительной техники

Для того чтобы пользоваться средствами ВТ, вовсе не надо знать, 
как они устроены и как многие люди пользуются телевизором или 
автомобилем. Надо знать перечень и назначение органов управления 
и контроля, иметь навыки пользования этими органами 
в различных ситуациях.
Говоря на компьютерном жаргоне:
– обязательно надо знать «интерфейс»;
– необязательно знать внутреннее устройство.
Однако знание этого внутреннего устройства в некоторых ситуациях 
помогает инженеру действовать более эффективно.
Цифровые вычислительные системы имеют многоуровневую 
иерархическую организацию, которая проявляется в различных 
аспектах. 
Устройство нижележащих уровней может быть скрыто от пользователя, 
и не обязательно его знать для получения практического 
результата (например, работающего программного продукта). 
Но знание и использование свойств нижележащих уровней позволяет 
в том или ином смысле повысить эффективность разрабатываемой 
программы или устройства.
Для иерархии уровней и их характеристики/применении за ос- 
нову принята классификация Таненбаума [1]:
– проблемно-ориентированные языки высокого уровня (ЯВУ). 
Использование готовой прикладной программы, например MS Word;
– процедурно-ориентированные ЯВУ. Программирование прикладной 
задачи;

– уровень языка макроассемблера позволяет назвать часто 
повторяющиеся фрагменты кода и в дальнейшем использовать 
это имя;
– уровень функций ОС (BIOS) позволяет применять готовые 
типовые подпрограммы для часто используемых или аппаратно-зависимых 
действий;
– уровень машинных команд позволяет реализовывать собственные 
аналоги системных функций;
– микропрограммный уровень программно «невидим», но знание 
его свойств позволяет повысить эффективность кода;
– уровень аппаратуры доступен в реализациях встроенных применений.

Создание программ/систем, ориентированное на использование 
особенностей реализации низлежащих уровней ВТ, позволяет 
повысить эффективность решения, но увеличивает трудозатраты 
при разработке.
В разработке оптимизирующих трансляторов при системном 
программировании и разработке приложений, критичных к скорости 
выполнения, приходится учитывать свойства иерархических 
уровней, вплоть до аппаратного, для достижения более высокой 
эффективности. Например, при оптимизации по скорости в процессорах 
с многопотоковыми конвейерами необходимо учитывать 
времена выполнения команд и возможное влияние «соседних» 
команд друг на друга.

Способы оценки производительности средств 
вычислительной техники

Цель совершенствования ЦВМ – повышение производительности. 
Этого можно добиться:
– экстенсивно, используя более быстрые элементы схемотехники;
– интенсивно, совершенствуя структуру. Именно на это мы 
будем обращать основное внимание.
Производительность средства ВТ (компьютера) можно оценивать 
различными способами. Принято считать, что производительность 
определяется скоростью (тактовой частотой) процессора. Далее 

приведены способы, в разной степени учитывающие влияние на 
производительность «окружения» процессора.
1. Время переключения элементов. Скорость переключения 
транзисторов и скорость перезаряда паразитных емкостей.
2. Тактовая частота. Логическая «глубина» тактируемых слоев.
3. Времена выполнения команд. Аппаратная/микропрограммная 
реализация.
4. Интенсивность потока результатов на выходе АЛУ. Степень 
конвейеризации/запараллеливания команд, зависимости 
(dependencies), относительная частота использования команд.
5. Benchmarks (тестовые последовательности команд). Относительное 
быстродействие подсистем процессора, а также слоев памяти.
6. Тестовые задачи. Быстродействие дисковой и видеоподсистем, 
а также организационная сторона и взаимодействие с объектами 
вне ЦВМ (оператор, объект управления, сеть).
Наиболее распространены для измерения скорости работы процессоров 
тестовые последовательности (benchmarks) SPEC INT 
и SPEC FP [2].
Распространено несколько видов тестов для измерения производительности, 
предназначенных для независимой оценки скорости 
при работе с целыми числами, с плавающими числами, с графическими 
данными. Например, фирма Intel использует для оценки 
скорости процессоров собственный показатель Icomp.

Основные соотношения для экстенсивного увеличения скорости

В полупроводниковых ЛЭ, и в особенности в элементах на 
КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупровод- 
ник) транзисторах, основная часть потребляемой во время работы 
энергии расходуется на перезаряд паразитных емкостей, на линиях 
связи между выходом элемента-источника и входом элемента-приемника. 
Выведем соотношение, показывающее связь времени переключения 
сигнала на входе элемента-приемника с величинами 
основных влияющих факторов: проектных норм интегральной 
технологии (характеризующих размеры фрагментов транзисторов – 
стока, истока, затвора); интервала напряжения между диапазонами