Вычислительные машины, сети и системы : функционально-структурная организация вычислительных систем

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ 
УПРАВЛЕНИЯ 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

№ 3064 

Кафедра автоматизированных систем управления 

 
И.В. Баранникова 
А.Н. Гончаренко 
 
 
Вычислительные машины, сети 
и системы 

Функционально-структурная организация 
вычислительных систем 

Учебное пособие 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва 2017 

УДК 
004 
 
Б24 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц. Л.В. Маркарян 

Баранникова И.В. 
Б24  
Вычислительные машины, сети и системы : функциональноструктурная организация вычислительных систем : учеб. пособие / И.В. Баранникова, А.Н. Гончаренко. – М. : Изд. Дом 
НИТУ «МИСиС», 2017. – 103 с. 
 
 
ISBN 978-5-906846-93-8 
 
Учебное пособие посвящено современному состоянию и основным 
концепциям развития ЭВМ, принципам построения и классификации вычислительных систем. Также в пособии представлены основные существующие на сегодняшний день вычислительные сети. Изложены принципы 
работы данных сетей. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника», профили «Интеллектуальные системы обработки информации и управления», 
«Автоматизированные системы», а также изучающих информационные 
технологии. 

УДК 004 

 

 

 

 
 
 И.В. Баранникова,  
А.Н. Гончаренко, 2017 
ISBN 978-5-906846-93-8 
 НИТУ «МИСиС», 2017 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................................................................. 4 
1. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ. ................................................................ 5 
1.1. Структура вычислительной машины. ..................................................... 5 
1.2. Шины передачи данных: функциональные особенности,  
тенденции развития ....................................................................................... 23 
1.3. Эволюция микрокомпьютеров. ............................................................. 29 
1.4. Общая организация памяти. .................................................................. 36 
1.5. Основные периферийные устройства ПК ............................................. 40 
1.6. Назначение и функции операционной системы. .................................. 57 
Контрольные вопросы ................................................................................... 68 
2. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ. ............................................................. 69 
2.1. Классификация вычислительных систем ............................................. 69 
2.2. Принципы построения телекоммуникационных  
вычислительных систем. ............................................................................... 93 
Контрольные вопросы ................................................................................... 99 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................. 100 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

На сегодняшний день в любой стране достижение высоких экономических и социальных результатов в значительной степени зависит от масштабов и темпов информатизации общества, использования информационных технологий во всех сферах человеческой деятельности. Несмотря на различие процессов информатизации в многочисленных областях человеческой деятельности, ее объединяют 
три составляющие: единство основных средств производства (средства вычислительной техники и информации), единство сырья (данные, подлежащие анализу и обработке), единство выпускаемой продукции (информация, используемая для управления и совершенствования деятельности человека). Поэтому необходимость изучения 
студентами дисциплины «Вычислительные машины, сети и системы» объясняется местом, которое занимают ЭВМ в информатизации 
современного общества. Информационное обеспечение фирм, акционерных обществ, вузов, банков базируется на локальных сетях, 
которые связаны между собой в региональные и глобальные сети. 
Предметом дисциплины «Вычислительные машины, сети и системы» является изложение основ построения, выбора и обеспечения 
надежности информационно-вычислительных сетей. В предлагаемом 
пособии сделан акцент на особенности использования современных 
технических и программных средств при построении локальных и 
глобальных сетей. Определенное место в пособии отведено методике 
выбора локальной сети. Учебное пособие состоит из двух глав. Первая глава посвящена современному состоянию и основным концепциям развития ЭВМ. Во второй главе подробно обсуждаются принципы построения и классификация вычислительных систем. Все главы содержат важный материал, необходимый при изучении дисциплины «Вычислительные машины, сети и системы». 
 

1. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ 

1.1. СТРУКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ 

Основные блоки персональных компьютеров и их назначение 

Персональный компьютер (ПК) – компьютер, предназначенный 
для эксплуатации одним пользователем, т. е. для личного использования. К ПК условно можно отнести также и любой другой компьютер, используемый конкретным человеком в качестве своего личного 
компьютера. Подавляющее большинство людей используют в качестве ПК настольные и различные переносные компьютеры (рис. 1.1). 

 

Рис. 1.1. Общий вид современного персонального компьютера 

Рассмотрим состав и назначение основных блоков ПК. 
Микропроцессор (МП) – это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и выполнения 
арифметических и логических операций над информацией (рис. 1.2). 

 

Рис. 1.2. Микропроцессор 

В состав микропроцессора входят: 
– устройство управления (УУ) – формирует и подает во все блоки 
машины в нужные моменты времени сигналы в соответствии со спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих опера

ций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой 
операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ. 
Опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов; 
– арифметико–логическое устройство (АЛУ) – предназначено 
для выполнения всех арифметических и логических операций над 
числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для 
ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический процессор); 
– микропроцессорная память (МПП) – служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. 
Ячейка МПП VGG строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) 
не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывая информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего 
микропроцессора. Регистры – быстродействующие ячейки памяти 
различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную 
длину 1 байт и более низкое быстродействие); 
– интерфейсная система микропроцессора – реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода/вывода (ПВВ) и системной шиной. 
Интерфейс (Interface) – совокупность средств сопряжения и связи 
устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Порт ввода/вывода (I/O – Input / Output port) – аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК. 
Генератор тактовых импульсов. Генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов 
определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между 
соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины. Частота генератора тактовых 
импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество 
тактов. 
Системная шина. Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между 
собой (рис. 1.3). 

Рис. 1.3. Системная шина 

Системная шина включает в себя: 
– кодовую 
шину 
данных 
(КШД), 
содержащую 
провода 
и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда; 
– кодовую шину адреса (КША), включающую провода и схемы 
сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса 
ячейки основной памяти или порта ввода/вывода внешнего устройства; 
– кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода 
и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины; 
– шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания. 
Системная шина обеспечивает три направления передачи информации: 
1) между микропроцессором и основной памятью; 
2) между микропроцессором и портами ввода/вывода внешних 
устройств; 
3) между основной памятью и портами ввода/вывода внешних 
устройств (в режиме прямого доступа к памяти). 
Все блоки, а точнее их порты ввода/вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). 
Управление системной шиной осуществляется микропроцессором 
либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему – котроллер шины, формирующей основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов. 

Основная память (ОП). Предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП 
содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). 
ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя). 
ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ, данных), непосредственно участвующей 
в информационно-вычислительном процессе, выполняемом на ПК в 
текущий период времени. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения 
к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка ОЗУ следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины 
(энергозависимость). 
Внешняя память. Относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, 
во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих 
устройств. Но наиболее распространенными, имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестких 
(НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках. Назначение этих накопителей – хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее 
устройство. Различаются НЖМД и НГМД лишь конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации. 
В качестве устройств внешней памяти используются также запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стримеры), 
накопители на оптических дисках (CD-ROM). 
Источник питания. Блок, содержащий системы автономного и 
сетевого энергопитания ПК. 
Таймер. Внутримашинные электронные часы, обеспечивающие 
при необходимости автоматический съем текущего момента времени 
(год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания – аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать. 

Внешние устройства (ВУ). Важнейшая составная часть любого 
вычислительного комплекса. Достаточно сказать, что по стоимости 
ВУ иногда составляют 50…80 % всего ПК. От состава и характеристик ВУ во многом зависят возможность и эффективность применения ПК в системах управлении в народном хозяйстве в целом. 
ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей 
средой: пользователями, объектами управления и другими ЭВМ. ВУ 
весьма разнообразны и могут быть классифицированы по ряду признаков. Так, по назначению можно выделить следующие виды ВУ: 
– внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК; 
– диалоговые средства пользователя; 
– устройства ввода информации; 
– устройства вывода информации; 
– средства связи и телекоммуникации. 
Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи), реже пультовые пишущие машинки (принтеры с клавиатурой) и устройства речевого ввода/вывода информации. 
Видеомонитор (дисплей) – устройство для отображения вводимой 
и выводимой из ПК информации. 
Устройства речевого ввода/вывода относятся к быстроразвивающимся средствам мультимедиа. Устройства речевого ввода – это 
различные микрофонные акустические системы, «звуковые мыши», 
например со сложным программным обеспечением, позволяющим 
распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их и закодировать. Устройства речевого вывода – это различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых 
кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители 
(динамики) или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру. 
Устройства ввода информации. Клавиатура – устройство для 
ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК. 
Графические планшеты (диджитайзеры) – устройства для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения 
по планшету специального указателя (пера). При перемещении пера 
автоматически выполняются считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК. 
Сканеры (читающие автоматы) – устройства для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных 
текстов, графиков, рисунков, чертежей. В устройстве кодирования 
сканера в текстовом режиме считанные символы после сравнения с 

эталонными контурами специальными программами преобразуются 
в коды ASCII, а в графическом режиме считанные графики и чертежи преобразуются в последовательности двухмерных координат. 
Манипуляторы (устройства указания) предназначены для ввода 
графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат 
курсора и вводом их в ПК. 
Сенсорные экраны предназначены для ввода отдельных элементов 
изображения, программ ил команд с полиэкрана дисплея ПК. 
Устройства ввода информации представлены на рис. 1.4. 
К устройствам вывода информации относятся: 
принтеры – печатающие устройства для регистрации информации 
на бумажной носитель; 
графопостроители (плоттеры) – устройства для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель; плоттеры бывают векторные, с вычерчиванием 
изображения с помощью пера, и растровые: термографические, электрические, струйные и лазерные. По конструкции плоттеры подразделяются на планшетные и барабанные. 

 

Рис. 1.4. Устройства ввода информации 

Основные характеристики всех плоттеров примерно одинаковые: 
скорость вычерчивания – 100…1000 мм/с, у лучших моделей возможны цветовое изображение и передача полутонов; наибольшая разрешающая способность и четкость изображения у лазерных плоттеров. 

Понятие архитектуры 

На разных этапах развития техники и технологии компьютеры назывались по-разному: арифметическо-логическое устройство (АЛУ), 
программируемая электронно-вычислительная машина (ПЭВМ или 
ЭВМ), вычислительная машина, компьютер. 
Основные принципы построения логической схемы и структура 
вычислительной машины, изложенные выдающимся американским 
математиком Джоном фон Нейманом, реализованы в первых двух 
(трех) поколениях ЭВМ. 
Необходимо отметить огромную роль математика фон Неймана в 
становлении техники первого поколения. В отчете фон Неймана и 
его коллег Г. Голдстайна и А. Беркса (июнь 1946 г.) были четко 
сформулированы требования к архитектуре компьютеров. Отметим 
важнейшие из них: 
– машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления; 
– программа, как и исходные данные, должна размещаться в памяти машины; 
– программа, как и числа, должна записываться в двоичном коде; 
– трудности физической реализации запоминающего устройства, 
быстродействие которого соответствует скорости работы логических 
схем, требуют иерархической организации памяти (т. е. выделения 
оперативной, промежуточной и долговременной памяти); 
– арифметическое устройство (процессор) конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения; создание специальных устройств для выполнения других арифметических и иных операций нецелесообразно; 
– в машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над числами производятся одновременно по всем разрядам). 
Практически все рекомендации фон Неймана впоследствии использовались в машинах первых двух поколений, их совокупность 
получила название «архитектура фон Неймана». Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом. 
С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 г. Джон фон 
Нейман.