Занимательная информатика. Центральный процессор. Манга

О Б Р А З О В А Т Е Л Ь Н А Я   М А Н Г А

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ
ПРОЦЕССОР

Митио Сибуя
Такаси Тонаги

9 785970 605073

ISBN 978-5-97060-507-3

З А НИМ А Т Е Л Ь НА Я ИНФ О Р М А Т ИКА
ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР

Кацураги Аюми, чемпионка по японским шахматам сёги, встречает таинственного незнакомца, который 
предлагает ей сыграть партию с компьютером. Кто 
одержит верх в этом поединке - человек или машина? И какую тайную цель преследует загадочный 
программист?
В книге просто и доступно объясняются основы 
вычислительной техники, рассказывается об устройстве классического центрального процессора (ЦПУ), 
принципах его работы и областях применения.

Интернет-магазин: www.dmkpress.com

Книга-почтой: orders@alians-kniga.ru

Оптовая продажа: “Альянс-книга“. 
(499)782-3889. books@alians-kniga.ru
www.дмк.рф

ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАТИКА
МАНГА

ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАТИКА 

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР МАНГА

Митио Сибуя
Такаси Тонаги
Office sawa

Занимательная информатика
Центральный процессор
Манга

ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ МАНГА

Занимательная информатика

центральный процессор

Митио Сибуя

Такаси Тонаги

Перевод с японского
Клионского А. Б.

Москва
ДМК Пресс,
2017

УДК 004.318
ББК 32.971.32-04
 
С34
 
Сибуя Митио
С34 Занимательная информатика. Центральный процессор. Манга / 
Сибуя Митио (автор), Тонаги Такаси (худож.); пер. с яп. Клионского А. Б. — М.: ДМК Пресс, 2017 — 250 с.: ил. — (Серия «Образовательная манга»). — Доп. тит. л. яп.
 
 
ISBN 978-5-97060-507-3

Кацураги Аюми, чемпионка по японским шахматам сёги, встречает таинственного незнакомца, который предлагает ей сыграть партию 
с компьютером. Кто одержит верх в этом поединке — человек или машина? И какую тайную цель преследует загадочный программист?
В книге просто и доступно объясняются основы вычислительной 
техники, рассказывается об устройстве классического центрального 
процессора (ЦПУ), принципах его работы и областях применения.

УДК 004.318 
 
ББК 32.971.32-04
Original Japanese edition
Manga de CPU (The Manga Guide to CPU)
By Michio Shibuya (Author), Takashi Tonagi (Illustrator) and
Office sawa (Producer)
Published by Ohmsha, Ltd.
3-1 Kanda Nishikicho, Chiyodaku, Tokyo, Japan
Russian language edition copyright © 2017 by DMK Press

Все права защищены. Никакая часть этого издания не может быть воспроизведена 
в любой форме или любыми средствами, электронными или механическими, включая фотографирование, ксерокопирование или иные средства копирования или сохранения информации, без письменного разрешения издательства.

Книга «Занимательная информатика. Центральный процессор» Митио Сибуя и 
Такаси Тонаги подготовлена и издана по договору с Ohmsha Ltd.

ISBN 978-4-274-05061-9 (яп.) 
Copyright © 2014 by Michio Shibuya and Office sawa
ISBN 978-5-97060-507-3         
© Перевод, оформление, издание, ДМК Пресс, 2017

Предисловие

С тех пор как в 50-е годы XX века компьютеры нашли коммерческое 
применение, информационные технологии (IT) продолжают приковывать 
к себе пристальное внимание. Основным узлом компьютеров являются 
центральные процессоры, или центральные процессорные устройства 
(ЦПУ, англ. CPU), с приходом XXI века ставшие намного быстрее и миниатюрнее благодаря новым технологиям проектирования и изготовления 
микросхем. Сейчас ЦПУ используются практически во всех бытовых 
электроприборах. Теперь они не только в персональных компьютерах 
(ПК), смартфонах и планшетах, которые мы используем каждый день, но 
и в кондиционерах, холодильниках, стиральных машинах. 
ЦПУ современных компьютеров содержат много усовершенствованных 
функций, поэтому я решил не рассматривать их в этой книге. По этой же 
причине не будут затронуты вопросы архитектуры компьютеров, хотя 
в настоящее время в данной области ведутся активные разработки. Но, 
поняв основные принципы, положенные в основу первых ЦПУ и актуальные по сей день, вы получите общее представление о центральных процессорах и поймёте, как они могут выполнять программы. 
Можно использовать такую аналогию. Прошёл не один десяток лет с тех 
пор, как автомобили перестали быть предметом роскоши и вошли в повседневную реальность. Но хотя теперь они окружают нас повсюду, мало 
кто задумывается, почему они ездят, каковы принципы работы двигателя 
внутреннего сгорания, устройство коробки передач и т. п. Я слышал, что 
в 1950-х годах на экзаменах в автошколах будущим водителям задавали 
вопросы об устройстве двигателя; сейчас в этом нет необходимости. В наши дни только очень любознательные люди стремятся понять, как работает «начинка» того или иного технического приспособления. 
Думаю, что понимание принципов работы ЦПУ, понемногу ставших 
неотъемлемой частью нашей жизни, поможет читателям не только удовлетворить любопытство, но и расширить свой кругозор. 
По случаю выхода этой книги в свет хочу выразить благодарность г-же 
Савако Савада из Office sawa, придумавшей увлекательный сюжет, а также художнику манги г-ну Такаси Тонаги. 

Митио Сибуя

Ноябрь 2014 г.

V

содержание

Глава 1
что делает цпу? ............................................................ 1

• Компьютер работает с любой информацией ............................11

• Центр компьютера — центральный процессор ........................ 14

• Пять основных устройств компьютера ..................................................................16

• АЛУ — центральная часть ЦПУ ......................................................22

• ЦПУ выполняет операции и принимает решения ..................25

дополнительная информация ..................................30

• Что такое информация? ...................................................................30

• В чём разница между цифровой и аналоговой информацией? ........32

Глава 2
цифровые вычисления ............................................35

2.1. Мир компьютера — двоичные числа ....................36

• 0 и 1 — два взаимоисключающих состояния .....................................37

• Десятичные и двоичные числа ......................................................38

• Двоичное представление ................................................................40

• Представления с фиксированной и плавающей точками ....42

• Сложение и вычитание двоичных чисел ...................................44

2.2. что такое логические операции? ........................48

• Микросхемы содержат логические вентили ............................48

• Три основных вентиля (И, ИЛИ, НЕ) ........................................... 51

• Таблица истинности, диаграмма Венна ......................................53

• Логические вентили И (AND), ИЛИ (OR) и НЕ (NOT) ...........55

• Другие логические вентили (NAND, NOR, XOR) ....................57

VI
VI
содержание
VI

• Логические вентили NAND, NOR и XOR ...................................58

• Законы де Моргана ............................................................................60

2.3. схемы, выполняющие операции .........................62

• Сумматоры ............................................................................................62

• Полусумматор .....................................................................................64

• Полный сумматор, сумматор с последовательным переносом ....66

• Сумматоры с последовательным и параллельным переносом .....68

2.4. Запоминающие схемы ....................................70

• Нужно запоминать! .............................................................................70

• Основа запоминающих схем — триггер .....................................74

• RS-триггер ............................................................................................76

• D-триггер, тактовый сигнал ............................................................78

• Т-триггер, счётчик ............................................................................. 81

• Современные методы проектирования схем (CAD, FPGA) ...85

дополнительная информация ..................................85

Глава 3
устройство цпу ............................................................87

3.1. различные сведения про память и цпу .................88

• Адресация памяти ..............................................................................89

• Шина — это путь данных ..................................................................92

• Ширина шины и битность ................................................................94

• Управление чтением/записью, управление вводом/выводом .......98

• Команды состоят из кода операции и операндов ........................101

содержание
содержание
VII

• Для операций используются регистры — аккумулятор и другие ....103

• Классический ЦПУ .......................................................................................106

3.2. обработка команд в центральном процессоре ........ 106

• Обработка команд в ЦПУ ...............................................................107

• Счётчик команд позволяет изменять порядок выполнения ....112

3.3. различные запоминающие устройства ................. 115

• Сравнение жёсткого диска и ОЗУ .................................................116

• Области RAM, ROM, I/O .................................................................119

• О пользе прерываний .....................................................................122

3.4. что такое прерывания? .................................. 122

• Стек и его указатель ........................................................................126

• Приоритеты прерываний ..............................................................128

• Типы памяти......................................................................................132

дополнительная информация ................................ 132

• Порты I/O, GPU ................................................................................133

• Тактовая частота и её точность....................................................134

• Тактовый генератор .........................................................................135

• Прерывания от таймера .................................................................136

• Действие сброса ...............................................................................138

• Определение производительности ЦПУ (значение FLOPS)...139

Глава 4
коМанды для выполнения операций ....141

4.1. типы команд ............................................. 142

• Различные типы команд ................................................................144

• Арифметические и логические команды ................................146

• Что такое сдвиг? ...............................................................................147

VIII
VIII
содержание
VIII

• Знаковый бит для представления отрицательных чисел ..............149

• Логический и арифметрический сдвиг .....................................151

• Циклический сдвиг .........................................................................154

• Команды пересылки данных ........................................................155

• Команды ввода-вывода ..................................................................156

• Команды ветвления .........................................................................157

• Команды ветвления, перехода и пропуска ..............................159

• Проверка условия и флаг состояния .....................................................................160

• Соединяем ветвление и проверку условия ..............................163

4.2. типы операндов ......................................... 164

• Сколько операндов? ........................................................................164

• Методы указания операндов .........................................................167

• Непосредственные операнды ......................................................168

• Адресные ссылки .............................................................................169

• Что такое режимы адресации? .....................................................170

4.3. как алу выполняет операции? ........................ 178

• Заглянем внутрь АЛУ ......................................................................178

• Последовательная и параллельная передача ........................187

дополнительная информация ................................ 187

• Обзор основных регистров ............................................................188

• Основные флаги состояния ..........................................................190

• Команда SLEEP ..................................................................................192

Глава 5
проГраММы .....................................................................193

5.1. ассемблер и языки высокого уровня .................. 194

• Что такое ассемблер? ......................................................................196

содержание
содержание
IX