Архитектура ЭВМ и вычислительные системы

В.В. СТЕПИНА

УЧЕБНИК

Москва
КУРС
ИНФРА-М
2023

АРХИТЕКТУРА ЭВМ 
И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ 
СИСТЕМЫ

Рекомендовано Экспертным советом при ГБОУ УМЦ ПО ДОгМ 
для использования в образовательном процессе профессиональных 
образовательных организаций города Москвы в качестве 
учебника для студентов среднего профессионального образования 
по специальности 2.09.02.04 «Информационные системы 
(по отраслям)»

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 004.2(075.8)
ББК 32.973-02я73
 
С79

Степина В.В.
Архитектура ЭВМ и вычислительные системы : учебник / В.В. Степина. — Москва: КУРС: ИНФРА-М, 2023. — 384 с. — (Среднее профессиональное образование).

ISBN 978-5-906923-07-3 (КУРС)
ISBN 978-5-16-012261-8 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-105268-6 (ИНФРА-М, online)
Рассмотрены информационно-логические основы электронно-вычислительной техники, типовые логические элементы и устройства ЭВМ, 
структура и функционирование процессора, принципы организации 
и построения ЭВМ, периферийные устройства ЭВМ, методы и средства сопряжения, основы программирования процессора, вычисления 
в многопроцессорных и многоядерных системах. Изложены принципы 
функционирования и вводные основы проектирования цифровой вычислительной техники. Описаны тенденции развития архитектуры и аппаратного обеспечения электронных вычислительных систем, методы повышения производительности многопроцессорных и многоядерных систем, 
энергосберегающие технологии.
УДК 004.2(075.8)
ББК 32.973-02я73

Р е ц е н з е н т:
В.В. Гуров — канд. техн. наук, преподаватель кафедры «Информационные технологии» ГАПОУ Колледж предпринимательства № 11.

С79

© Степина В.В., 2017
© КУРС, 2017
ISBN 978-5-906923-07-3 (КУРС)
ISBN 978-5-16-012261-8 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-105268-6 (ИНФРА-М, online)

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Оригинал-макет подготовлен в Издательстве «КУРС»

Подписано в печать 27.09.2017. Формат 6090/16. Бумага офсетная. 
Гарнитура Newton. Печать цифровая. Усл. печ. л. 24.0.
ППТ 20 экз. Заказ № 00000

ТК 640317-661253-121216

ООО Издательство «КУРС»
127273, Москва, ул. Олонецкая, д. 17А, офис 104.
Тел.: (495) 203-57-83. E-mail: kursizdat@gmail.com

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29 
E-mail: books@infra-m.ru  http://www.infra-m.ru

Предисловие

Учебник ориентирован на дисциплину «Архитектура ЭВМ и вы
числительные системы» для специальности среднего профессионального образования (230701) 09.02.05 «Прикладная информатика», 
входящей в укрупненную группу специальностей (230000) 09.00.00 
«Информатика и вычислительная техника», и построен на фундаментальном утверждении современного классика компьютерной 
науки Эндрю Таненбаума о том, что компьютер можно рассматривать 
как иерархию структурных уровней организации.

Это утверждение в равной мере относится как к аппаратной ор
ганизации, так и к структуре и организации программного обеспечения. Более того, исследование взаимодействия уровней организации компьютеров показывает, что нередко затруднительно провести 
четкую границу между аппаратной и программной реализациями 
функциональностей. Однако просматривается определенная закономерность, состоящая в том, что чем ниже расположен уровень, тем 
в большей степени он реализован средствами аппаратуры (а не средствами программирования).

Появляются новые языки программирования еще более высокого 

уровня, и каждый такой язык использует своего предшественника как 
основу, поэтому вычислительную машину можно рассматривать 
в виде ряда многоуровневой машины, и самый нижний уровень —  это 
уровень физической реализации цифровых логических элементов.

Подход к компьютеру как к многоуровневой иерархической 

структуре позволяет продолжать заниматься дальнейшей разработкой системы, работая на вышележащем уровне. Однако реализация, 
по крайней мере, некоторых функций с использованием возможностей нижележащих уровней позволяет повысить эффективность системы, правда иногда ценой повышения трудоемкости разработки.

Изучение иерархических уровней (особенно изучение уровня ко
манд процессора) дает возможность приобрести знания, использование которых может помочь как системному, так и прикладному 
программисту в эффективной разработке программного продукта, 
позволяя повысить эксплуатационные характеристики программных 
модулей (уменьшить объем требуемой памяти, увеличить скорость 
выполнения).

Учебник состоит из девяти глав.
В первой главе даются базовые понятия вычислительной техники.

Во второй и третьей главах рассматривается цифровой логиче
ский уровень: арифметические и логические основы вычислительной техники; основные цифровые логические устройства (комбинационные логические устройства и устройства с памятью).

Четвертая глава посвящена архитектуре микропроцессора. 

На этом уровне в обработке команд участвует арифметико-логическое устройство (АЛУ), представлен уровень микроархитектуры и архитектуры набора команд. На этом уровне рассматриваются архитектура памяти, режимы адресации, регистры, машинные команды.

Пятая и шестая главы посвящены организации микропроцессор
ной системы и режимам работы.

В седьмой главе описывается уровень операционных систем. При
водится краткий обзор операционных систем, управление ресурсами 
вычислительных систем.

Восьмая глава посвящена четвертому уровню, который представ
ляет собой символическую форму одного из языков более низкого 
уровня —  ассемблера. Рассмотрены примеры программ на языке ассемблера для конкретной архитектуры, операционной системы и варианты синтаксиса языка.

В девятой главе рассматриваются параллельные вычислительные 

системы, производительность параллельных вычислительных систем 
и тенденции развития вычислительных систем.

Глава 1

основные Понятия  

архитектуры аППаратных средств, 

вычислительной системы, 
системноГо ПроГраммноГо 

обесПечения

1.1. базовые понятия вычислительной системы

Для введения в дисциплину ознакомимся с основными поняти
ями, которые определяют ее содержание. Рассмотрим понятия «вычислительная машина», «вычислительная система», определим разницу между компьютерами и информационной системой, между 
понятиями «архитектура» и «структура» аппаратных средств вычислительной системы.

Согласно ГОСТ 15971-90 вычислительная машина (ВМ) —  сово
купность технических средств, создающая возможность проведения 
обработки информации (данных) и получения результата в необходимой форме. Под техническими средствами понимают все оборудование, предназначенное для автоматизированной обработки данных. 
Как правило, в состав ВМ входит и системное программное обеспечение.

Вычислительную машину, основные функциональные устройства 

которой выполнены на электронных компонентах, называют электронной вычислительной машиной (ЭВМ).

В последнее время в отечественной литературе широкое распро
странение получил англоязычный термин «компьютер» (англ. Computer —  вычислитель). Мы будем использовать эти термины как равноправные. Следует отметить, что в настоящее время активно ведутся 
разработки компьютеров, работа которых основана на оптических, 
фотонных, квантовых и других физических принципах. Например, 
оптические компьютеры в своей работе используют скорость света, 
а не скорость электричества, что делает их наилучшими проводниками данных. Сверхъестественный мир квантовой механики не подчиняется законам общей классической физики. Квантовый бит (qu

bit) не существует в типичных 0- или 1-бинарных формах сегодняшних компьютеров —  квантовый бит может существовать в одной 
из них или же в обеих системах одновременно. В связи с этим понятие «электронная вычислительная машина», в котором акцентируется, что машина построена на основе электронных устройств, становится более узким, чем понятие «компьютер».

С развитием вычислительной техники появились многопроцес
сорные системы и сети, объединяющие большое количество отдельных процессоров и вычислительных машин, программные системы, реализующие параллельную обработку данных на многих вычислительных узлах. Появился термин «вычислительные системы».

Система (от греч. systema —  целое, составленное из частей соеди
нение) —  это совокупность элементов (объектов), взаимодействующих 
друг с другом, образующих определенную целостность, единство.

Объект (от лат. objectum —  предмет) —  это термин, используемый 

для обозначения элементов системы.

Вычислительную систему (ВС) стандарт ISO/IEC2382/1-93 опре
деляет как одну или несколько вычислительных машин, периферийное оборудование и программное обеспечение, которые выполняют 
обработку данных.

Вычислительная система состоит из связанных между собой средств 

вычислительной техники, содержащих не менее двух основных процессоров, имеющих общую память и устройство ввода-вывода.

Формально отличие ВС от ВМ выражается в количестве вычис
лительных средств. Множественность этих средств позволяет реализовать в ВС параллельную обработку.

Таким образом, вычислительная система является результатом 

интеграции аппаратных средств и программного обеспечения, функционирующих в единой системе и предназначенных для совместного 
выполнения информационно-вычислительных процессов.

Аппаратное средство (hardware) включает в себя все внешние 

и внутренние физические компоненты компьютерной системы 
(из п. 3.7.2 ГОСТ Р 53394-2009).

программное обеспечение (software) по ГОСТ Р 53394-2009 —  это 

совокупность информации (данных) и программ, которые обрабатываются компьютерной системой.

С технической точки зрения вычислительная система —  это ком
плекс вычислительных средств, объединенных в информационновычислительную сеть.

Основной отличительной чертой вычислительных систем по от
ношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, 

реализующих параллельную обработку. Точного различия между вычислительными машинами и вычислительными системами определить невозможно, так как вычислительные машины даже с одним 
процессором обладают разными средствами распараллеливания, 
а вычислительные системы могут состоять из традиционных вычислительных машин или процессоров.

Необходимо понимать разницу между компьютерами и инфор
мационной системой: компьютеры оснащены специальными программными системами, являются технической базой и инструментом 
для информационных систем.

информационная система —  это организационно упорядоченная 

совокупность документов (массивов документов) и информационных технологий, в том числе с использованием средств вычислительной техники и связи, реализующих информационные процессы 
[1, ст. 2] (из п. 3.1.7 ГОСТ Р 54089-2010).

Информационная система немыслима без персонала, взаимодей
ствующего с компьютерами и телекоммуникациями.

Информационная система с технической точки зрения —  это вза
имосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации в интересах 
достижения поставленной цели.

С развитием средств вычислительной техники изменился подход 

к созданию вычислительных машин. Вместо разработки аппаратуры 
и средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из синтеза аппаратных и программных средств. При 
этом на главный план выдвинулась концепция взаимодействия аппаратных и программных средств. Так возникло новое понятие —  архитектура вычислительной машины.

архитектура (architecture)– это базовая организация системы, во
площенная в ее компонентах, их отношениях между собой и с окружением, а также принципы, определяющие проектирование и развитие системы [ИСО/МЭК 15288:2008, определение 4.5].

архитектура вычислительной машины (Computer architecture) —  это 

концептуальная структура вычислительной машины, определяющая 
проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения [ГОСТ 15971-90, определение 29].

Таким образом, архитектуру вычислительной машины можно 

представить как множество взаимосвязанных компонентов, включающих элементы различной природы: программное обеспечение 

(software), аппаратное обеспечение (hardware), алгоритмическое 
обеспечение (brainware), специальное фирменное обеспечение (firmware), создающих возможность проведения обработки информации 
и получения результата в необходимой форме.

Следует отличать архитектуру вычислительной машины от ее 

структуры.

Структура —  это отношение между элементами системы [ISO/

IEC2382/1-93].

Структура вычислительной машины определяет отношение 

между ее элементами (множество взаимосвязанных компонентов) 
на уровне детализации. Элементами детализации могут быть различные функциональные узлы (блоки, устройства и т. д.). Графически 
описание вычислительной машины на любом уровне детализации 
представляется в виде структурных схем.

Под архитектурой вычислительной машины понимают общее 

описание принципов организации аппаратно-программных средств 
и основных их характеристик, определяющих функциональные возможности вычислительной машины.

архитектура вычислительной системы —  совокупность характе
ристик и параметров, определяющих функционально-логичную 
и структурно-организованную систему и затрагивающих в основном 
уровень параллельно работающих вычислителей.

Понятие архитектуры охватывает общие понятия организации 

системы, включающие такие высокоуровневые аспекты разработки 
компьютера, как система памяти, структура системной шины, организация ввода/вывода и т. п.

Архитектура определяет принципы действия, информационные 

связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного запоминающего устройства (ЗУ), 
внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения 
пользователя.

1.2. многоуровневая организация  

вычислительных машин

Согласно всемирно известному специалисту в области инфор
мационных технологий Эндрю Таненбауму в основе структурной 
организации компьютера лежит идея иерархической структуры, 
в которой каждый уровень выполняет вполне определенную 
функцию. Это утверждение в равной мере относится как к аппа

ратной организации, так и к организации программного обеспечения.

Достоинства такого представления вычислительных машин:

 
• каждый верхний уровень интерпретируется одним или несколь
кими нижними уровнями;

 
• каждый из уровней можно проектировать независимо;

 
• чем ниже уровень, на котором реализуется программа, тем более 

высокая производительность достижима;

 
• модификация нижних уровней не влияет на реализацию верхних.

Понятие семантического разрыва между уровнями

Преобразование операторов языков высокого уровня в машин
ный код или в микрокоманды требует от транслятора, во-первых, 
умения распознать операторы и команды различных уровней 
и, во-вторых, для любого оператора языка высокого уровня генерировать десятки или сотни команд низкого уровня. Это приводит 
к усложнению транслятора, увеличению трудоемкости его разработки, снижению производительности генерируемых программ. Наличие этих проблем называют семантическим разрывом между уровнями. Основным способом его преодоления является специализация 
машин, при которой операторы проблемно-ориентированных языков могут непосредственно выполняться аппаратными средствами 
машины и не требовать трансляции. Примеры: аппаратная реализация графических преобразований; аппаратная реализация операций с векторами и матрицами.

Языки, уровни и виртуальные машины

Основой функционирования любой вычислительной машины 

является ее способность выполнять заданные действия. Аппаратные 
средства любой вычислительной машины способны выполнять 
только ограниченный набор сравнительно простых команд. Эти примитивные команды составляют так называемый машинный язык 
машины. Говоря о сложности аппаратуры компьютера, машинные 
команды целесообразно делать как можно проще, но примитивность 
большинства машинных команд делает их использование неудобным 
и трудным. Для эффективной работы человека с компьютером разработчики вводят другой набор команд, более удобный для человеческого общения (языки более высокого уровня).

Появляются новые языки программирования еще более высокого 

уровня, и каждый такой язык использует своего предшественника 

как основу, поэтому вычислительную машину рассмотрим в виде 
ряда многоуровневой машины, структура которой изображена 
на рис. 1.1. Между языками программирования и существующей 
виртуальной машиной существует тесная связь. Язык, находящийся 
в самом низу иерархической структуры компьютера, является примитивным, а тот, что расположен на ее вершине, —  самым сложным. 
Большинство современных вычислительных машин включают 
6–7 уровней виртуализации. Нижние уровни, начиная с машинного, 
более консервативны к изменениям.

Компьютер с n уровнями можно рассматривать как п разных вир
туальных машин, у каждой из которых есть свой машинный язык. 
Термины «уровень» и «виртуальная машина» мы будем использовать 
как синонимы. Только программы, написанные на Я0, могут выполняться компьютером без трансляции или интерпретации. Программы, написанные на Я1, Я2, …, Яn, должны проходить через интерпретатор более низкого уровня или транслироваться на язык, соответствующий более низкому уровню.

Уровень n
Виртуальная машина Мn
с машинным языком Яn

Программы на языке Мn либо
интерпретируются программойинтерпретатором, работающей
на машине более низкого уровня,
либо транслируются на машинный
язык более низкого уровня

Уровень 2
Виртуальная машина М2
с машинным языком Я2

Программы на языке М2 либо
интерпретируются программойинтерпретатором, работающей
на машине более низкого уровня,
либо транслируются на машинный
язык более низкого уровня

Уровень 1
Виртуальная машина М1
с машинным языком Я1

Программы на языке М1 либо
интерпретируются программойинтерпретатором, работающей
на машине более низкого уровня,
либо транслируются на машинный
язык более низкого уровня

Уровень 0
Виртуальная машина М0
с машинным языком Я0

Программы на языке М0 либо
интерпретируются программойинтерпретатором, работающей
на машине более низкого уровня,
либо транслируются на машинный
язык более низкого уровня

...

рис. 1.1. Структура многоуровневой вычислительной машины