Вычислительная техника

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ИСПОЛНЕНИЯ НАКАЗАНИЙ ФЕДЕРАЛЬНОЕ КАЗЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОРОНЕЖСКИЙ ИНСТИТУТ ФСИН РОССИИ











ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА




    Учебное пособие




Рекомендовано УМО по образованию в области инфокоммуникационных технологий и систем связи в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 210701 Инфокоммуникационные технологии и системы специальной связи

















ВОРОНЕЖ

2015

УДК 002
ББК 32.81
    В94

Утверждено методическим советом Воронежского института ФСИН России 18 июня 2013 г., протокол № 11.

Рецензенты:
начальник кафедры высшей математики Воронежского института МВД России доктор физико-математических наук, профессор В. В. Меньших; декан факультета прикладной математики, информатики и механики Воронежского государственного университета доктор технических наук, профессор А. И. Шашкин

           Вычислительная техника : учебное пособие / А. В. Душкин, В94 О. В. Ланкин, Р. В. Чекризов ; ФКОУ ВПО Воронежский институт ФСИН России. - Воронеж : Издательско-полиграфический центр «Научная книга», 2015. - 325 с.
           ISBN

           В учебном пособии на основе современного представления излагаются арифметические и логические основы цифровых устройств, назначение, структура и принципы работы типовых узлов и устройств вычислительной техники. Приводятся их условные графические отображения, таблицы и графики, поясняющие условия их нормального функционирования.
           Предназначено для     курсантов,   студентов,  слушателей,
     преподавателей, научных и практических работников.
УДК 002
ББК 32.81


Издано в авторской редакции





                                  © Душкин А. В., Ланкин О. В., Чекризов Р. В, 2015.
                                  © ФКОУ ВПО Воронежский институт ФСИН России, 2015
ISBN                             © Издательско-полиграфический центр
                                  «Научная книга», 2015

ВВЕДЕНИЕ


     В настоящее время вычислительная техника представляет собой наиболее динамичную и быстро развивающуюся область техники, которая касается практически всех видов человеческой деятельности. На работе, в учебных заведениях, на отдыхе, в быту - везде сейчас используются компьютеры (ноутбуки, планшеты) и другие средства вычислительной техники.
     На использовании компьютеров основаны информационные и коммуникационные технологии, без которых уже немыслима жизнь современного человека. Особенно важно иметь глубокие познания по вычислительной технике специалистам в области автоматизации.
     Одним из основных направлений применения персональных компьютеров (ПК) были и остаются разнообразные вычисления. Но обработка числовой информации ведётся и при решении задач, не связанных с какими-то расчётами, например, при использовании компьютерной графики или звука (видео или аудио), использовании любой современной системы связи и коммутации.
     В данном пособии авторы постарались изложить классические основы, демонстрирующие накопленный отечественный и мировой опыт построения вычислительных машин и систем, а также показать последние научные и практические достижения, характеризующие динамику развития аппаратных средств компьютерной техники.
     Первая глава посвящена основным характеристикам и классификации ЭВМ. Обсуждаются понятия «организация» и «архитектура» вычислительных машин и систем, уровни абстракции, на которых эти понятия могут быть раскрыты. Прослеживается эволюция вычислительных машин (ВМ) и вычислительных сетей (ВС) как последовательности идей, предопределивших современное состояние в области вычислительной техники. Анализируются тенденции дальнейшего развития архитектуры ВМ и ВС с учетом технологического прогресса и последних достижений в проектировании вычислительных средств.
     Во второй главе рассматриваются арифметические основы цифровых устройств. Приводятся основные способы представления и кодирования информации в ЭВМ. Поясняются арифметические действия над числами с фиксированной и плавающей запятой. Представлено множество примеров с пошаговыми инструкциями.
     Третья глава является основой для понимания принципов синтеза и анализа логических схем. Рассматриваются основы алгебры Буля, без которой невозможно математическое описание функционирования цифровых устройств. Приводится примеры построения логических схем в разных базисах, затрагиваются вопросы минимизации логических функций.
     Четвертая глава отведена типовым узлам и устройствам вычислительной техники. Рассматриваются комбинационные и последовательностные цифровые устройства, такие как: сумматоры, шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры, преобразователи кодов, двоичные компараторы, триггеры, регистры, счетчики.

3

     Содержание пятой главы - это описание принципов функциональной организации ЭВМ. Рассматриваются вопросы построения и функционирования устройств управления с «жесткой» логикой и с микропрограммной организацией. Рассматривается модель функционирования ЭВМ с магистральной архитектурой.
     В шестой главе определены принципы и средства, используемые при построении систем памяти ВМ. Поясняется концепция иерархического построения памяти. В первой части главы рассматриваются вопросы организации внутренней памяти с учетом ее реализации на базе полупроводниковых запоминающих устройств (ЗУ): структура памяти с произвольным доступом, матричная организация микросхем ЗУ, основные типы оперативных и постоянных запоминающих устройств. Описываются архитектурные аспекты внутренней памяти. Значительное внимание уделено принципам организации и функционирования кэш-памяти. Рассматриваются вопросы виртуализации памяти ВМ, методы и средства защиты памяти от несанкционированного доступа. Вторая часть главы содержит краткую характеристику различных типов внешних запоминающих устройств, включая магнитные и оптические дисковые ЗУ, магнитоленточные запоминающие устройства.
     В седьмой главе излагаются вопросы, касающиеся системы шин ЭВМ. Вводится понятие шины, производится деление шин ЭВМ по тапам. Рассматривается иерархия, арбитраж и протоколы шин. Приводятся примеры современных шин, используемых в ЭВМ.
     Восьмая глава посвящена вопросам организации систем ввода/вывода (СВВ) и периферийным устройствам. Рассматриваются способы организации ввода/вывода (программно-управляемый ввод/вывод, ввод/вывод по прерываниям, прямой доступ к памяти) и их влияние на эволюцию принципов построения СВВ. Большое внимание уделено периферийным устройствам. Представлено множество примеров устройств ввода и вывода информации, даются их сравнительные характеристики.

4

ГЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ

Поколения ЭВМ

     В истории развития ВТ можно выделить несколько поколений больших ЭВМ, отличающихся элементной базой, функционально-логической организацией, конструктивно-технологическим исполнением, программным обеспечением, техническими и эксплуатационными характеристиками, степенью доступа в ЭВМ со стороны пользователей. Смене поколений сопутствовало изменение основных технико-эксплуатационных и технико-экономических показателей ЭВМ, в первую очередь таких, как быстродействие, емкость памяти, надежность и стоимость. Одной из основных тенденций развития является стремление уменьшить трудоемкость подготовки программ решаемых задач, облегчить связь операторов с машинами, повысить эффективность использования последних. Все это связано с постоянным ростом сложности и трудоемкости задач, для решения которых применяются ЭВМ.
     1.     Основным активным элементом ЭВМ первого поколения являлась электронная лампа, остальные компоненты электронной аппаратуры - это обычные резисторы, конденсаторы, трансформаторы. Для построения оперативной памяти ЭВМ применяются ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса. В качестве устройства ввода-вывода сначала использовалась стандартная телеграфная аппаратура (телетайпы, ленточные перфораторы, трансмиттеры, аппаратура счетно-перфорационных машин), а затем специально для ЭВМ были разработаны электромеханические запоминающие устройства на магнитных лентах, барабанах, дисках и быстродействующие печатающие устройства.
     Машины первого поколения имели значительные размеры, потребляли большую мощность, имели сравнительно малое быстродействие, малую емкость оперативной памяти, невысокую надежность работы и недостаточно развитое программное обеспечение.
     В ЭВМ этого поколения были заложены основы логического построения машин и продемонстрированы возможности цифровой вычислительной техники.
     Первый электронный цифровой компьютер широкого назначения ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer - электронный цифровой интегратор и вычислитель) был спроектирован в Пенсильванском университете под руководством Джона Моучли (John Mauchly) и Джона Преспера Эккерта (John Presper Eckert). Проект создавался в конце второй мировой войны с учетом потребности вооруженных сил США. Армейская лаборатория исследования баллистики (BRL - Ballistics Research Laboratory), которая занималась подготовкой баллистических таблиц, используемых для точной наводки крупнокалиберных орудий, в условиях дефицита времени испытывала огромные затруднения при выполнении необходимых расчетов. Для этих расчетов привлекались свыше 200 вычислителей с настольными механическими калькуляторами, на которых

5

решались уравнения баллистики с использованием численных методов. На подготовку таблицы для одного типа орудия затрачивалось от нескольких часов до нескольких дней.
     Дж. Мочли, профессор электротехники Пенсильванского университета, и Дж. Эккерт, один из его аспирантов, предложили спроектировать универсальную вычислительную машину на электронных лампах, которая могла бы справиться и с теми задачами, что решались в BRL. В 1943 году началась работа над проектом ENIAC. То, что было создано, по тем временам казалось техническим монстром. Машина весила около 30 тонн, занимала 15 000 кв. футов (примерно 1400 кв. м), содержала более 18 000 электронных ламп, 15 000 реле и потребляла около 140 кВт электроэнергии. Но по скорости вычислений машина превосходила любые электромеханические калькуляторы и могла выполнять около 5 000 сложений в секунду.
     ENIAC была, по сути, не двоичной, а десятичной вычислительной машиной. Основной недостаток машины заключался в том, что программирование вычислений в ней выполнялось вручную путем перекоммутации электрических кабелей и с помощью электрических переключателей.
     Проект был завершен в 1946 году. Машине нашли применение в Манхэттенском проекте при выполнении расчетов, связанных с созданием водородной бомбы. ENIAC эксплуатировалась в BRL вплоть до 1955 года, после чего была разобрана.
     Важным выводом является то, что машина, спроектированная для одной области, нашла свое применение в другой, и это показало огромное преимущество идеи универсальной вычислительной машины, способной решать широкий круг задач.
     К этому же времени относится возникновение идеи, воплощение которой находит свое отражение в современных архитектурах компьютеров. Эта идея известна под именем концепции хранимой программы, которую обычно связывают с группой создателей ENIAC, в частности с именем математика Джон фон Неймана (John von Neumann), который был консультантом проекта. В 1945 году фон Нейман опубликовал работу «Предварительный доклад о машине EDVAC», посвященную обсуждению логической структуры нового компьютера EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Calculator - электронный автоматический калькулятор дискретных величин). Идея заключалась в следующем.
     Ввести новую программу в ENIAC или изменить что-либо в имеющейся было исключительно трудно. Значительно проще было бы программировать машину в том случае, если бы можно было представить программу в таком же виде, как и данные, и хранить ее примерно таким же способом. Тогда ввод новой программы свелся бы к вводу массива команд в память (или изменению имеющегося там массива), а компьютер в процессе вычислений извлекал бы их из памяти.
     Прототипом всех последующих компьютеров общего назначения с хранимой программой стал компьютер, известный под именем IAS (Institut for Advanced Studies), структура которого показана на рисунке 1.1.

6

Рис. 1.1 Структура компьютера IAS

     Оперативная память - в ней хранятся данные и команды программы.
     Арифметическое и логическое устройство (АЛУ) - обрабатывает данные, представленные в двоичной системе счисления.
     Устройство управления выполнением программы (УУ) - анализирует команды программы, извлекаемые из памяти, и организует их выполнение.
     Оборудование ввода-вывода - работает в соответствии с сигналами, поступающими от УУ.
     За малым исключением такую структуру и распределение функций имеют все современные ЭВМ, и ее общепринято называть структурой машины фон Неймана.
     К отечественным ЭВМ первого поколения относятся ЭВМ БЭСМ-1, БЭСМ-2, «Стрела», семейство ЭВМ «Урал», «Минск-1» и др.
     В СССР первая малая электронная счетная машина (МЭСМ) была создана в 1951 году (принята в эксплуатацию с 25 декабря 1951 года) под руководством С.А. Лебедева. Она имела универсальное арифметическое устройство, которое выполняло 50 арифметических или логических операций в секунду, и потребляла мощность 25 кВт.
     2.      На смену лампам в машинах второго поколения (конец 50-х годов) пришли транзисторы. Полупроводниковый прибор под таким названием изобретен специалистами фирмы Bell Labs в 1947 году. В отличие от ламповых ЭВМ транзисторные машины обладали большими быстродействием, емкостью оперативной памяти, надежностью. Существенно уменьшены размеры, масса и потребляемая мощность. Большим достижением явилось применение печатного монтажа. Повысилась надежность электромеханических устройств ввода-вывода, удельный вес которых увеличился.
     В период доминирования ЭВМ второго поколения:
     -       появились машины для решения научно-технических и экономических задач, для управления производственными процессами и различными объектами (управляющие машины);
     -       внедряются АЛУ и УУ с более сложной структурой и функциональными возможностями;

7

     -       увеличение объема памяти привело к отказу от программирования в кодах машинных команд и широкому внедрению в практику программирования языков высокого уровня. Вследствие этого существенно упростился процесс подготовки задач к решению на ЭВМ и составление программ на этих языках стало под силу самим пользователям
     -       развиваются методы и приемы программирования вычислений, высшей ступенью которых является автоматическое программирование, требующее минимальных затрат труда математиков-программистов;
     -       наряду с однопрограммными появились многопрограммные (мультипрограммные) ЭВМ. В отличие от однопрограммных машин, в которых программы выполняются только поочередно, в многопрограммных ЭВМ возможна совместная реализация нескольких программ за счет организации параллельной работы основных устройств машины.
     Первыми ЭВМ малой мощности на новой элементной базе выпустили фирмы NCR и RCA. Вслед за ними выпуск компьютеров серии 7000 освоила и компания IBM. В этот же период появился первый мини-компьютер фирмы DEC под названием PDP-1.
     Структура типичного представителя ЭВМ (вычислительный комплекс IBM 7094) второго поколения представлена на рисунке 1.2.



Рис. 1.2 Вычислительный комплекс IBM 7094

      Здесь уже проявились отличия от структуры ЭВМ IAS. Это:
      -       каналы данных как независимые модули ввода-вывода, обладающие собственным процессором и собственной системой команд;
      -       мультиплексор, который играет роль центрального коммутатора (диспетчера доступа) при пересылке информации между каналами данных, центральным процессором и оперативной памятью.
      Отечественные ЭВМ второго поколения - ЭВМ БЭСМ-6, «Минск», «Урал» и др.


8

     3.      Третье поколение ЭВМ (конец 60-х - начало 70-х годов) характеризуется широким применением интегральных схем. Интегральная микросхема изобретена в 1958 году и представляет собой законченный функциональный логический блок, соответствующий достаточно сложной транзисторной схеме. Благодаря использованию интегральных схем удалось существенно улучшить технические и эксплуатационные характеристики машин. Этому способствовало также применение многослойного печатного монтажа.
     Технология производства интегральных микросхем основана на том, что все базовые электронные компоненты - транзисторы, резисторы и конденсаторы - изготавливаются из одного и того же полупроводникового материала, в качестве которого, как правило, используется кремний. С помощью специальной процедуры металлизации между сформированными компонентами на пластине кремния образуются электрические связи.
     К третьему периоду развития ЭВМ относят:
     -       появление закона Мура. Один из основателей фирмы Intel Гордон Мур в 1965 году подметил тенденцию, что каждый год количество транзисторов в одном чипе (чип - одна из ячеек размером несколько миллиметров на размеченном монокристалле кремния) удваивается. Начиная с 70-х годов прошлого века, плотность упаковки компонентов удваивалась, в среднем, каждые 18 месяцев. Закон сохраняет свою силу до нынешнего времени;
     -        увеличение объема оперативной памяти и ее быстродействия;
     -       увеличение производительности за счет использования элементной базы с лучшими динамическими характеристиками;
     -       расширение набора различных электромеханических устройств для ввода и вывода информации;
     -       дальнейшее развитие программного обеспечения, особенно операционных систем. Развитые операционные системы многопрограммных машин, снабженных периферийными устройствами ввода-вывода с автономными пультами абонентов, обеспечивают управление работой ЭВМ в различных режимах: пакетной обработки, разделения времени, запрос-ответ и др.;
     -       существенно расширены возможности по обеспечению непосредственного доступа к ним со стороны абонентов, находящихся на различных, в том числе и значительных (десятки и сотни километров), расстояниях. Удобство общения абонента с машиной достигается за счет развитой сети абонентских пунктов, связанных с ЭВМ информационными каналами связи, и соответствующего программного обеспечения.
     -       при разработке машин третьего поколения применяются различные методы автоматизации проектирования. Основной объем документации, необходимой для монтажа, разрабатывается с помощью ЭВМ.
     Типичными представителями ЭВМ третьего поколения можно считать большой компьютер семейства System/360 корпорации IBM и миникомпьютер PDP-8 корпорации DEC (рисунок 1.3).

9

Рис. 1.3 Типичный представитель ЭВМ третьего поколения

     Новшеством здесь было то, что модели PDP-8 имели структуру с системной магистралью, которая в настоящее время является фактическим стандартом при проектировании подавляющего большинства мини- и микрокомпьютеров. Системная магистраль Omnibus состояла из 96 сигнальных линий, по которым передавались управляющие сигналы, коды адресов и данных. Процесс управления работой магистрали возложили на центральный процессор. Архитектура с центральной магистралью обеспечивает чрезвычайную гибкость при комплектовании вычислительных комплексов разной конфигурации из стандартных компонентов.
     В СССР и странах Варшавского договора создается и получает дальнейшее развитие ЕС ЭВМ - Единой системы электронных вычислительных машин, созданной совместными усилиями коллективов стран СССР, НРБ, ВНР, ГДР, ПНР и ЧССР.
     ЕС ЭВМ представляет собой семейство (ряд) программно-совместимых машин, построенных на единой элементной базе, на единой конструктивно-технологической основе, с единой структурой, единой системой программного обеспечения, единым унифицированным набором внешних устройств. Архитектура машин ЕС ЭВМ была заимствована у компьютеров IBM 360/370. Промышленный выпуск первых моделей ЕС ЭВМ был начат в 1972 г.
     Для решения сравнительно небольших задач управления различными процессами применялись ЭВМ с упрощенной системой команд, например, СМ-1₅ СМ-4, «Электроника 100» и др.
     4.      Для машин четвертого поколения (конец 70-х - начало 80-х годов) характерно применение больших интегральных схем (БИС). БИС называют микросхемы высокой степени интеграции, которые содержат более 1000 компонентов в чипе, сверхбольшие БИС (СБИС) содержат свыше 10 000 компонентов. В настоящее время СБИС содержат порядка 100 000 компонентов. Высокая степень интеграции способствует увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности и быстродействия, снижению стоимости. Это, в свою очередь, оказывает существенное воздействие на логическую структуру ЭВМ и ее программное обеспечение. Более тесной становится взаимозависимость структуры машины и ее программного обеспечения, особенно операционной системы.
     С появлением в США в 1971 году микросхемы 4004 фирмы Intel, которая (микросхема) содержала все компоненты процессора в одном корпусе, появил

10