Вычислительная техника

Т.Л. Партыка, И.И. Попов
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ 
ТЕХНИКА
3-е издание, исправленное и дополненное
Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации 
в качестве учебника для студентов образовательных учреждений среднего 
профессионального образования
Москва                                        2016
ИНФРА-М

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11
УДК 004.2(075.32) 
ББК 32.973-02я723 
 
П18
Р е ц е н з е н т ы:
доктор экономических наук, профессор, заведующий кафедрой математических и инструментальных методов экономики Московской 
финансово-промышленной академии по IT-образованию А.А. Емельянов;
кандидат технических наук, доцент кафедры проектирования автоматизированных информационных систем Российской экономической академии им. Г
.В. Плеханова А.В. Надточий
Партыка Т.Л.
П18  
Вычислительная техника : учеб. пособие / Т.Л. Партыка, И.И. Попов. — 3-е изд., испр. и доп. — М. : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2016. — 
608 с. : ил. — (Профессиональное образование).
ISBN 978-5-91134-646-1 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-011929-8 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104853-5 (ИНФРА-М, online)
Рассматриваются состав, характеристики, функции и структура технических средств обработки, хранения и передачи информации, в том числе 
виды информации и способы представления ее в ЭВМ; системы счисления, перевод чисел из одной системы счисления в другую; логические 
основы ЭВМ; элементарные логические функции; персональные компьютеры (процессоры, системы памяти, интерфейсы); накопители информации (магнитные ленты, диски, оптические накопители — CD/DVD, магнитно-оптические, твердотельные и другие альтернативные технологии); 
интерактивные устройства (терминалы с мониторами на ЭЛТ и плоскопанельными, манипуляторы, сенсорные экраны); мультимедийные системы 
(цифровое фото, видео, звук, мультимедийные проекторы); средства организации сетей и мобильных вычислений (сети, связь компьютеров, мобильные компьютеры — процессоры и интерфейсы расширения).
Для учащихся и студентов, специализирующихся в области информатики и вычислительной техники.
УДК 004.2(075.32) 
ББК 32.973-02я723
ISBN 978-5-91134-646-1 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-011929-8 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104853-5 (ИНФРА-М, online)
© Партыка Т.Л., Попов И.И., 2016
© «ФОРУМ»: «ИНФРА-М», 2016

Введение
Средства в ы ч и с л и т е л ь н о й т е х н и к и (СВТ) за последние полвека преобразили цивилизацию, вовлекая человечество в
процесс и н ф о р м а т и з а ц и и, который охватывает все сферы,
все отрасли общественной жизни, прочно входит в жизнь каждого человека, воздействует на его образ мышления и поведение*.
Высокий уровень знаний и практических применений информации и а в т о м а т и з и р о в а н н ы х и н ф о р м а ц и о н н ы х т е х -
н о л о г и й (АИТ) в различных предметных областях и сферах
деятельности стимулировал формирование концепции перехода
промышленно-развитых государств в новую форму существования — и н ф о р м а ц и о н н о е о б щ е с т в о, в котором решающую роль играют приобретение, хранение, распространение и
использование знаний с широким использованием достижений
научно-технического прогресса, позволяющего постоянно совершенствовать государственные, научные, общественные и персональные структуры, системы и т. п.
Все большее число стран объявляют генеральной линией
своего развития построение информационного общества. XXI в.
объявлен веком информатизации. В России, как и в ряде других
стран, имеется «Концепция формирования информационного
общества». В ней определено, что в нашей стране в первой четверти XXI в. должны быть созданы основные черты и признаки
информационного общества. При этом отмечается, что у России
свои предпосылки перехода и свой специфичный путь, ибо она
* Уже в 1980-е гг. темпы развития СВТ потрясали современников.
Газета Washington Post того времени: «В 1953 г. ЭВМ с памятью
64 Кбайт стоила 1 млн долл., сейчас она стоит менее 1 тыс. долл. Если
бы автомобили развивались в течение последних 20 лет теми же темпами, как компьютеры, то сегодня Роллс-Ройс стоил бы 3,0 долл., проходил миллион миль на галлоне бензина, развивал мощность лайнера
Quееn Elisabeth, и два автомобиля помещались бы на кончике пера».

Введение
обладает великим культурным наследием и многонациональной
самобытной культурой, располагает одной из лучших систем образования.
СВТ являются важнейшим из ф а к т о р о в и н ф о р м а т и -
з а ц и и, которые включают в себя:

 СВТ (аппаратурный фактор);

 программные средства и системы (программный фактор);

 информационный фактор — собственно информация, т. е.
сигналы, сообщения, массивы данных, файлы и базы данных (БД);

 интеллектуальные усилия и человеческий труд (человеческий, гуманитарный фактор).
Перечисленные составляющие подобно классическим экономическим ф а к т о р а м п р о и з в о д с т в а (труд, капитал, земля):

 взаимозаменяемы (одна и та же производительность может
быть достигнута при различных сочетаниях факторов —
математически это описывается кривой безразличия);

 эффективность производства при увеличении одного из
факторов, но при фиксированном вкладе остальных, увеличивается, но все медленнее и медленнее (математически — закон убывающей производительности), что требует
гармоничного развития всех составляющих, и не последняя
роль здесь отводится человеческому фактору. В частности,
пользователь должен соответствовать уровню информационных технологий.
Перечисленные факторы соответствуют также историческим
этапам развития информатизации. Можно выделить следующие
фазы, на каждой из которых доминирует какой-либо из упомянутых факторов:

 технический период, в течение которого сложились основные представления о структуре универсальных электронных вычислительных машин (ЭВМ), определились архитектура и типы устройств — с 1946 по 1964 г. (приблизительно);

 программный период — выработалась современная классификация программных средств, их структур и взаимосвязей,
сложились
языки
программирования,
разработаны
компиляторы и принципы процедурной обработки — с 1954
по 1970 г.;

 информационный период — в центре внимания исследователей и разработчиков оказываются структуры данных, язы

Введение
5
ки описания (ЯОД) и манипулирования (ЯМД) данными,
непроцедурные подходы к построению систем обработки
информации — с 1970 г. по настоящее время;

 гуманитарный период, связанный с резким возрастанием
круга пользователей АИТ и повышением роли интерфейсных и навигационных возможностей соответствующих систем (с начала 90-х гг. прошлого века). Традиционные АИТ
были подчинены производителю информации и доводили
одинаковое содержание до всех адресатов. Новые АИТ направлены на индивидуального пользователя, предоставляя
возможность получения информации, нужной именно ему.
Конечно, данная периодизация условна, и говорить об окончании технического периода или исчерпании пределов развития
не приходится. Именно СВТ развиваются наиболее высокими
темпами, увлекая за собой остальные факторы информатизации.
Настоящее учебное пособие посвящается данной проблематике.
В первой главе рассматриваются история развития вычислительных устройств и приборов, вопросы кодирования информации, обработки в ЭВМ, передачи по каналам связи. Рассмотрены
элементы матлогики и их связь с компонентами и узлами ЭВМ,
узлы ЭВМ, технологии электронных схем, основные понятия алгоритмов и программ.
Вторая глава посвящается проблематике архитектур и структур средств вычислительной техники, рассматриваются классы
вычислительных машин и систем, основные представления об
архитектуре ЭВМ, вычислительных систем (ВС). Значительное
внимание уделяется классам и структурам компьютерных сетей
и телекоммуникационных технологий.
В главе 3 рассматриваются такие важнейшие компоненты вычислительных средств, как процессоры и оперативная память.
Описываются структуры, классы и архитектуры процессоров,
эволюция процессоров Intel, AMD, Cyrix, а также прочих приборов, образующих ПК (набор микросхем системной платы — чипсет). Далее описываются иерархия оперативной памяти, конкретные системы и реализация систем основной памяти.
В четвертой главе значительное внимание уделяется интерфейсам ПК, в том числе внутренним интерфейсам, интерфейсам
периферийных устройств, внешним интерфейсам и интерфейсам
центральных процессоров. Рассматриваются также системы связи и мобильных вычислений, в том числе каналы передачи и те

Введение
лекоммуникация, цифровые и мобильные системы связи, компьютерные сети (локальные, глобальные, беспроводные).
В главе 5 осуществляется рассмотрение периферийных устройств. Это — накопители массивов информации (внешние ЗУ),
в том числе на магнитных лентах, магнитных дисках, сменных
носителях, DVD. Рассматриваются устройства массового ввода-вывода текстовой и графической информации — принтеры,
сканеры, плоттеры, дигитайзеры, — а также средства интерактивного взаимодействия, в том числе мониторы на основе ЭЛТ,
плоскопанельные мониторы, сенсорные мониторы и манипуляторы. Значительное внимание уделено вопросам обработки и
представления мультимедийной информации.
Настоящее учебное пособие базируется на материалах, накопленных авторами в процессе практической, исследовательской, а также преподавательской (МИФИ, МИСИ, РГГУ, РЭА
им. Г. В. Плеханова, МФПА) деятельности. Авторы выражают
благодарность рецензентам, а также коллегам, принявшим участие
в
обсуждении
материала,
—
А. Г. Романенко
(РГГУ),
К. И. Курбакову
(РЭА
им. Г. В. Плеханова),
П. Б. Храмцову
(РНИЦ «Курчатовский институт»), а также студентам РГГУ,
МФПА, РЭА им. Г. В. Плеханова за предоставленные иллюстративные материалы.

Глава 1
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
И УСТРОЙСТВА. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ
Вплоть до XVII в. деятельность общества в целом и каждого
человека в отдельности была направлена на овладение веществом, т. е. есть познание свойств вещества и изготовление сначала
примитивных, а потом все более сложных орудий труда, вплоть
до механизмов и машин, позволяющих изготовлять потребительские ценности.
Затем в процессе становления индустриального общества на
первый план вышла проблема овладения энергией — сначала тепловой, затем электрической, наконец, атомной. Овладение энергией позволило освоить массовое производство потребительских
ценностей и, как следствие, повысить уровень жизни людей и изменить характер их труда.
В то же время человечеству свойственна потребность выразить и запомнить информацию об окружающем мире — так появились письменность, книгопечатание, живопись, фотография,
радио, телевидение. В истории развития цивилизации можно
выделить несколько информационных революций — преобразование общественных отношений из-за кардинальных изменений
в сфере обработки информации, информационных технологий.
Следствием подобных преобразований явилось приобретение
человеческим обществом нового качества.
Информатика меняет всю систему общественного производства и взаимодействия культур. С наступлением информационного общества начинается новый этап не только научно-технической, но социальной революции. Меняется вся система
информационных коммуникаций. Разрушение старых информационных связей между отраслями экономики, направлениями

Глава 1. Вычислительные приборы и устройства...
научной деятельности, регионами, странами усилило экономический кризис конца века в странах, которые уделяли развитию
информатизации недостаточное внимание. Важнейшая задача
общества — восстановить каналы коммуникации в новых экономических и технологических условиях для обеспечения четкого
взаимодействия всех направлений экономического, научного и
социального развития как отдельных стран, так и в глобальном
масштабе.
Современный компьютер — это универсальное, многофункциональное электронное автоматическое устройство для работы
с информацией. Компьютеры в современном обществе взяли на
себя значительную часть работ, связанных с информацией. По
историческим меркам компьютерные технологии обработки информации еще очень молоды и находятся в самом начале своего
развития. Компьютерные технологии сегодня преобразуют или
вытесняют старые технологии обработки информации.
1.1. Вычислительные устройства и приборы,
история вопроса
Рассмотрим вначале табл. 1.1, в которой приведены краткие
сведения об истории развития вычислительных средств и методов в лицах, событиях и объектах.
Таблица 1.1. Основные события в истории развития вычислительных методов,
приборов, автоматов и машин
Лица, организации, изделия
Хронология и подробности
Шотландец Джон Непер в 1614 г. опубликовал «Описание удивительных таблиц логарифмов». Он обнаружил, что сумма логарифма чисел a и b равна логарифму произведения этих чисел. Поэтому действие умножения сводилось к простой операции сложения. Также им
разработан инструмент перемножения чисел — к о с т я ш к и Н е п е -
р а. Он состоял из набора сегментированных стерженьков, которые
можно было располагать таким образом, что, складывая числа, в прилегающих друг к другу по горизонтали сегментах получали результат
их умножения. Таблицы Непера были позже «встроены» в удобное устройство, ускоряющее процесс вычисления, — л о г а р и ф м и ч е -
с к у ю л и н е й к у (Р. Биссакар, конец 1620 г.)
Джон Непер
(1550—1617)

1.1. Вычислительные устройства и приборы, история вопроса
9
Продолжение табл. 1.1
Лица, организации, изделия
Хронология и подробности
Вильгельм Шиккард
(1592—1636)
Считалось, что первую механическую счетную машину изобрел
великий французский математик и физик Б. Паскаль в 1642 г. Однако
в 1957 г. Ф. Гаммер (ФРГ, директор Кеплеровского научного центра)
обнаружил доказательства создания Вильгельмом Шиккардом механической вычислительной машины приблизительно за два десятилетия
до изобретения Паскаля. Он назвал ее ч а с ы д л я с ч е т а. Машина
предназначалась для выполнения четырех арифметических действий и
состояла из следующих частей: суммирующего устройства; множительного устройства; механизма для промежуточных результатов.
Суммирующее устройство состояло из зубчатых передач и представляло простейшую форму арифмометра.
Однако эту простую и эффективную схему пришлось изобретать
заново, так как сведения о машине Шиккарда не стали всеобщим достоянием
Блэз Паскаль
(1623 —1662)
В 1642 г., когда Паскалю было 19 лет, была изготовлена первая
действующая модель суммирующей машины. Через несколько лет
Блэз Паскаль создал механическую суммирующую машину («паскалина»), которая позволяла складывать числа в десятичной системе счисления. В этой машине цифры шестизначного числа задавались путем
соответствующих поворотов дисков (колесиков) с цифровыми делениями, результат операции можно было прочитать в шести окошках —
по одному на каждую цифру. Диск единиц был связан с диском десятков, диск десятков — с диском сотен и т. д. Другие операции выполнялись с помощью довольно неудобной процедуры повторных сложений,
и в этом заключался основной недостаток «паскалины». Изобретенный
Паскалем принцип связанных колес явился основой, на которой строилось большинство механических вычислительных устройств
Машина Б. Паскаля
Готфрид Вильгельм Лейбниц
(1646—1716)
В 1672 г., находясь в Париже, Лейбниц познакомился с голландским математиком и астрономом Христианом Гюйгенсом. Видя, как
много вычислений приходится делать астроному, Лейбниц решил изобрести механическое устройство для расчетов. В 1673 г. он завершил
создание механического калькулятора. Развив идеи Паскаля, Лейбниц
использовал операцию сдвига для поразрядного умножения чисел.
Сложение производилось на нем по существу так же, как и на «паскалине», однако Лейбниц включил в конструкцию движущуюся часть
(прообраз подвижной каретки будущих настольных калькуляторов) и
ручку, с помощью которой можно было крутить ступенчатое колесо
или — в последующих вариантах машины — цилиндры, расположенные
внутри аппарата

Глава 1. Вычислительные приборы и устройства...
Продолжение табл. 1.1
Лица, организации, изделия
Хронология и подробности
Развитие вычислительных устройств связано с появлением п е р -
ф о р а ц и о н н ы х к а р т и их применением. Появление же перфокарт связано с ткацким производством. В 1804 г. инженер Жозеф-Мари Жаккар (Жаккард) построил полностью автоматизированный станок
(станок Жаккара), способный воспроизводить сложнейшие узоры тканей. Работа станка программировалась с помощью колоды перфокарт,
каждая из которых управляла одним ходом челнока. Переход к новому
рисунку происходил заменой колоды перфокарт
Жозеф-Мари Жаккар
(1775—1834)
Чарльз Бэббидж
(1791—1871)
Фрагмент разностной машины
Ч. Бэббиджа
Он обнаружил погрешности в таблицах логарифмов Непера, которыми широко пользовались при вычислениях астрономы, математики,
штурманы дальнего плавания. В 1821 г. приступил к разработке своей
вычислительной машины, которая помогла бы выполнить более точные вычисления. В 1822 г. была построена р а з н о с т н а я м а ш и -
н а (пробная модель), способная рассчитывать и печатать большие
математические таблицы. Это было очень сложное, большое устройство, предназначенное для автоматического вычисления логарифмов.
Работа модели основывалась на принципе, известном в математике
как «метод конечных разностей»: при вычислении многочленов используется только операция сложения и не выполняется умножение и
деление, которые значительно труднее поддаются автоматизации. Он
построил миниатюрный вариант, а большая машина, которая рисовалась его воображению, так и не была завершена. Части ее, вроде той,
что изображена здесь, хранятся в научном музее (Южный Кенсингтон).
В последующем он пришел к идее создания более мощной машины — а н а л и т и ч е с к о й. Она не просто должна была решать математические задачи определенного типа, а выполнять разнообразные
вычислительные операции в соответствии с инструкциями, задаваемыми оператором. По замыслу это не что иное, как первый универсальный программируемый компьютер. Аналитическая машина в своем составе должна была иметь такие компоненты, как «мельница»
(арифметическое устройство по современной терминологии) и «склад»
(память). Инструкции (команды) вводились в аналитическую машину с
помощью перфокарт (использовалась идея программного управления
Жаккара с помощью перфокарт). Шведский издатель, изобретатель и
переводчик Пер Георг Шойц, воспользовавшись советами Бэббеджа,
построил видоизмененный вариант этой машины. 1855 г. — машина
Шойца была удостоена золотой медали на Всемирной выставке в Париже. В дальнейшем один из принципов, лежащих в основе идеи аналитической машины, — использование перфокарт, — нашел воплощение в статистическом табуляторе, построенном американцем Германом Холлеритом (для ускорения обработки результатов переписи
населения в США в 1890 г.)