ЭВМ и периферийные устройства

Министерство образования и науки Российской Федерации

Томский государственный университет 
систем управления и радиоэлектроники

А.Н. Сычев

ЭВМ и периферийные устройства

Учебное пособие

Томск
Издательство ТУСУРа
2017

УДК 681.3
ББК 32.973
 
С958

Рецензенты:
Зюзьков В.М., доцент, канд. физ.-мат. наук 
каф. вычислительной математики и компьютерного 
моделирования Национального исследовательского 
Томского государственного университета;
Торгонский Л.А., канд. техн. наук, доцент каф. безопасности 
информационных систем факультета безопасности 
Томского государственного университета 
систем управления и радиоэлектроники

Сычев, Александр Николаевич 
С958  
ЭВМ и периферийные устройства : учеб. пособие / 
А.Н. Сычев. – Томск : Изд-во Томск. гос. ун-та систем упр. и 
радиоэлектроники, 2017. – 131 с.
ISBN 978-5-86889-744-3
Рассматривается центральная часть компьютера и его периферийные 
устройства, в том числе запоминающие устройства и специальное оборудование для САПР. 
Приведены сведения о принципах работы современных разнообразных 
и многочисленных периферийных устройств, методах их сопряжения с центральной частью компьютера. Излагается назначение, принципы построения и 
функционирования устройств памяти. Описываются различные интерфейсы, 
служащие для подключения периферийных устройств к компьютеру.
Для студентов вузов, обучающихся по направлению «Информатика и вычислительная техника». 
УДК  681.3
ББК  32.973

ISBN 978-5-86889-744-3 
© Сычев А.Н., 2017
 
© Томск. гос. ун-т систем упр.
 
     и радиоэлектроники, 2017

Îãëàâëåíèå

Введение ..................................................................................................4
1 Основные понятия, классификация и структура ЭВМ
1.1 Основные определения. История и поколения ЭВМ .................5
1.2 Классификация ЭВМ .....................................................................9
1.3 Структура и принцип действия ЭВМ ........................................15
1.4 Состав и структура системной платы компьютера ..................19
1.5 Системные шины  ........................................................................28
1.6 Архитектура ЭВМ .......................................................................34
1.7 Архитектура центрального процессора .....................................38
Вопросы для самопроверки ..............................................................41
2 Запоминающие устройства
2.1 Требования к памяти компьютера ..............................................43
2.2 Иерархия памяти компьютера ....................................................43
2.3 Накопитель на жестких магнитных дисках ...............................48
2.4 Накопитель на оптических дисках .............................................54
2.5 Твердотельный накопитель .........................................................57
2.6 Флеш-накопитель .........................................................................58
Вопросы для самопроверки ..............................................................62
3 Периферийные устройства
3.1 Периферийные устройства и их интерфейс  .............................63
3.2 Внутренние соединения. Типы внутренних шин 
и слотов  ..............................................................................................69
3.3 Контроллеры периферии (адаптеры, карты) .............................72
3.4 Внешние соединители (порты) ...................................................74
3.5 Основные виды периферийных устройств ...............................80
3.6 Видеоподсистема .........................................................................86
3.7 Блок питания  ...............................................................................95
Вопросы для самопроверки ............................................................106
4 Специальное оборудование для САПР
4.1 Плоттер .......................................................................................107
4.2 Устройства числового программного управления ..................113
4.3 Трехкоординатный (3D) принтер .............................................119
Вопросы для самопроверки ............................................................124
Заключение ..........................................................................................126
Глоссарий .............................................................................................127
Литература ...........................................................................................129

Ââåäåíèå

Основой любого компьютера является центральный процессор, который вместе с основной памятью образует его центральную часть. При этом эффективность работы центральной 
части компьютера всецело зависит от ее окружения – периферийных устройств, весьма разнообразных по своей структуре 
и функциям.  
 Современные периферийные устройства – это сложные 
устройства с локальным микропроцессорным управлением, 
обмен информацией которых с центральной частью компьютера происходит через стандартные интерфейсы. Они обладают 
«встроенным интеллектом», позволяющим выполнять сложные функции управления и преобразования способов представления информации [1].
В данном учебном пособии рассматривается как центральная часть компьютера, так и его периферийные устройства, 
в том числе запоминающие устройства и специальное оборудование для САПР.

1 Îñíîâíûå ïîíÿòèÿ, êëàññèôèêàöèÿ 
è ñòðóêòóðà ÝÂÌ

1.1 Îñíîâíûå îïðåäåëåíèÿ. Èñòîðèÿ 
è ïîêîëåíèÿ ÝÂÌ

Компьютер – это устройство, предназначенное для обработки и преобразования информации. Долгое время его называли электронной вычислительной машиной (ЭВМ), цифровой 
вычислительной машиной (ЦВМ) или электронной цифровой 
вычислительной машиной (ЭЦВМ) [2].
Заметим, что вопросы, связанные с терминологией, являются весьма важными при изучении любых дисциплин [3], 
поэтому определим основные понятия в области компьютерной техники [4], опираясь на действующий стандарт 
ГОСТ 15971-90 [5]. При этом, учитывая стремительное развитие техники и международные стандарты, некоторые «классические» определения потребуют уточнения и/или расширения. 
Вычислительная машина (ВМ, Computer) – совокупность технических средств, создающая возможность проведения обработки информации и получения результата в необходимой форме. Как правило, в состав ВМ входит и системное 
программное обеспечение (ПО) [5].
Электронно-вычислительная машина (ЭВМ, Electronic 
Computer) – программируемое функциональное устройство, 
состоящее из одного или нескольких взаимосвязанных центральных процессоров, периферийных устройств, управление которыми осуществляется посредством программ, располагающихся в оперативной памяти. ЭВМ может производить 
большой объем вычислений, содержащих множество арифметических, логических и других операций, без вмешательства 
пользователя в течение периода выполнения (ISO 2382/1-93).

В то же время ГОСТ 15971-90 определяет, что основные 
функциональные устройства ЭВМ выполнены на электронных 
компонентах.
Отметим, что термины ЭВМ и компьютер являются синонимами, поэтому далее будем использовать и тот и другой в 
зависимости от контекста.
Система обработки данных – совокупность технических 
средств (ТС) и программного обеспечения, предназначенная 
для информационного обслуживания пользователей и технических объектов. В состав технических средств входят сами 
ЭВМ, устройства сопряжения ЭВМ с объектами, аппаратура 
передачи данных и линии связи. 
Первая электронная цифровая вычислительная машина, 
или 
программируемый 
калькулятор 
ENIAC 
(Electronic 
Numerical Integrator and Computer), была создана в Пенсильванском университете под руководством Д.   Мочли и П.   Эккерта в 1945 г. На роль первой машины претендуют также разработанный в начале 1940-х гг. Дж. Атанасовым и К. Берри 
специализированный калькулятор ABC и предназначенный 
для расшифровки кодов немецкой шифровальной машины вычислитель Colossus, созданный под руководством М. Ньюмена. 
В 1951   г. под руководством С.А.   Лебедева была создана первая 
советская вычислительная машина – малая электронная счетная машина (МЭСМ), а в начале 1953 г. – большая (БЭСМ), 
быстродействие которой оценивалось в 8000 операций/с. Все 
эти машины были ламповыми и впоследствии их отнесли к 
ЭВМ первого поколения. Этот период ознаменовался поиском 
инженерных решений для построения различных устройств.
Появление транзисторов позволило значительно усложнить структуру машин второго поколения. Изобрели так называемые индексные регистры, упрощающие доступ к массивам 
данных. В качестве оперативной начали использовать память 
на ферритовых сердечниках. Управление вводом-выводом возлагалось на отдельные блоки, что позволило выполнять загрузку данных одновременно с арифметическими операциями, но 

потребовало специальных средств для синхронизации процессов. В этот же период были созданы первые языки программирования высокого уровня: Фортран, Алгол, Кобол. Ко второму 
поколению относятся советские машины «Урал», «Минск-22», 
«Минск-32», БЭСМ-2 и др.
Интегральные схемы позволили еще больше усложнить 
машину и увеличить ее мощность. Получило распространение 
конвейерное выполнение команд, начала применяться параллельная обработка, в устройствах управления стали использовать принцип микропрограммирования. Появился стандартный интерфейс для подключения периферийных устройств. 
Именно в это время начали выпускать машины серии IBM/360 
(370) и ЕС ЭВМ, с разработкой которых и связан термин «поколение ЭВМ». В дальнейшем к ЭВМ третьего поколения стали 
относить любые машины, построенные на интегральных схемах малой и средней интеграции.
Машины на базе больших интегральных схем (БИС) и 
сверхбольших интегральных схем (СБИС) называют машинами четвертого поколения. Память машин начали строить на полупроводниковых элементах. В этот же период была разработана концепция машины с сокращенным набором команд (RISC). 
В 1980-х гг. появилась японская программа по созданию ЭВМ 
пятого поколения. Однако широкое распространение персональных компьютеров привело к падению интереса к «поколениям ЭВМ» и теперь этот термин выходит из употребления [2].
В качестве наглядного примера обновления поколений ЭВМ 
и эволюции компьютерной техники в Советском Союзе представим интересную временную диаграмму установки и смены 
ЭВМ в Вычислительном центре Сибирского отделения Академии наук СССР (ВЦ СО АН СССР) (рисунок 1.1) [6].
 Сегодня компьютер стал устройством, способным хранить 
и обрабатывать огромное количество информации. В течение многих лет передача различных сведений производилась 
посредством устной речи, графики, рукописных или печатных символов, а обработка информации осуществлялась 

исключительно мозгом человека. С появлением компьютера 
эта монополия нарушилась, что потребовало создания средств 
для загрузки и выгрузки информации в его обрабатывающую 
часть. Были созданы периферийные устройства, предназначенные для преобразования информации (например, графического изображения в текст), кодирования (т.е. замены отдельных 
символов их кодовыми эквивалентами) и изменения формы 
представления кодированной информации (например, штрихов 
в комбинацию высоких и низких уровней потенциала). 

Рисунок 1.1 – Временная диаграмма установки и смены ЭВМ 
в Вычислительном центре Сибирского отделения 
Академии наук СССР 

Это вызвано тем, что способы представления и обработки 
информации в компьютере отличаются от тех, что используются мозгом человека и другими объектами внешнего мира.

1.2 Êëàññèôèêàöèÿ ÝÂÌ

Представим основные типы ЭВМ (рисунок 1.2), определенные ГОСТ 15971-90. В этой классификации используются различные критерии: функциональные возможности, назначение, 
габаритные размеры, тип носителя, категория пользователя.

ЭВМ

Супер-ЭВМ
ЭВМ общего
назначения

Мини-ЭВМ
Микро-ЭВМ

Персональная
ЭВМ

Специализированная ЭВМ

Бортовая
ЭВМ
 
Рисунок 1.2 – Классификация ЭВМ по ГОСТ 15971-90

Если при классификации ЭВМ принять в качестве базового критерия область их применения, то в соответствии с этим 
признаком можно будет выделить следующие основные классы ЭВМ [3, c.10; 7]:
1) супер-ЭВМ;
2) мейнфреймы;
3) серверы;
4) настольные ЭВМ (персональные ЭВМ и рабочие станции);
5) портативные (мобильные) ЭВМ;
6) встраиваемые системы.

Следует отметить, что, помимо области применения, данное 
разделение основывается также на существенном различии архитектур указанных классов ЭВМ. 
Супер-ЭВМ (суперкопьютер) – ЭВМ, относящаяся к классу ВМ, имеющих самую высокую производительность, которая может быть достигнута на данном этапе развития технологии, и в основном предназначенных для решения сложных 
научно-технических задач (ГОСТ 15971-90). 
Суперкомпьютер – ЭВМ мелкосерийного или штучного 
производства, многократно превосходящая по вычислительной 
мощности массово выпускаемые компьютеры. 
Отличительные признаки супер-ЭВМ:
 не является изделием массового производства и, следовательно, при ее изготовлении и применении используются уникальные технологии, более дорогие и, возможно, менее удобные, чем массовые технологии;
 ориентирована на вычисления, на заметное, минимум на 
порядок, снижение времени выполнения сложных расчетов по 
сравнению с персональными ЭВМ или рабочими станциями.
Мэйнфрейм – компьютер, обычно в компьютерном центре, 
который обладает широким спектром возможностей и ресурсов и с которым могут быть соединены другие компьютеры, 
причем так, что они могут использовать разделяемые возможности и ресурсы [8]. Мэйнфрейм – синоним понятия «большая 
универсальная ЭВМ». Слово «мэйнфрейм» появилось в 70–
80-е годы XX в., когда большие универсальные ЭВМ состояли 
из центрального процессора и множества подсистем: дисковых, ленточных, терминальных контроллеров и т.п. Практически все фирмы, которые производили подобную технику (основная доля рынка приходилась на продукцию IBM, Hitachi, 
Amdahl), придерживались примерно одинаковой архитектуры. 
Каждая из подсистем ЭВМ располагалась в отдельной стойке. 
Отсюда и название «мэйнфрейм» (main frame – главная стойка); оно закрепилось за центральной стойкой, где находился 
процессор и пульт управления (рисунок 1.3).

Мэйнфреймы и сейчас остаются наиболее мощными (не 
считая супер-ЭВМ) вычислительными системами общего назначения, обес-печивающими непрерывный круглосуточный 
режим эксплуатации. 

Рисунок 1.3 – Советский «мэйнфрейм» начала 1980-х – 
ЭВМ ЕС-1052 (Политехнический музей, Москва)

Серверы. Слово «сервер» происходит от английского 
serve – обслуживать. Сервер –  это выделенная ЭВМ, как правило, в составе вычислительной сети, обладающая аппаратно-программными ресурсами и предоставляющая данные ресурсы пользователям по их запросам. 
Существует несколько типов серверов, ориентированных на разные применения: файл-сервер, сервер баз данных, 
принт-сервер, вычислительный сервер, сервер приложений. 
Таким образом, тип сервера определяется видом ресурса, которым он располагает (файловая система, базы данных, принтеры, процессоры или прикладные пакеты программ).
Настольные ЭВМ (персональные ЭВМ и рабочие станции). Под персональным компьютером, или персональной 
ЭВМ (ПК, или ПЭВМ), понимают настольную ЭВМ, имеющую эксплуатационные характеристики бытового прибора и 
универсальные функциональные возможности [5].