Арифметико-логические основы вычислительной техники

Е. И. Фоминых
Т. Е. Фоминых

Ю. Л. Пархоменко

АРИФМЕТИКО–ЛОГИЧЕСКИЕ  
ОСНОВЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ 

ТЕХНИКИ

Допущено Министерством образования Республики Беларусь  

в качестве учебного пособия для учащихся учреждений образования,  
реализующих образовательные программы среднего специального  

образования по специальности «Программное обеспечение  

информационных технологий»

2-е издание, стереотипное

Минск
РИПО
2022

УДК 004.2(075.32)
ББК 32.973-04я723

Ф76

А в т о р ы:

преподаватели УО «Гомельский торгово-экономический колледж»  

Белкоопсоюза Е. И. Фоминых, Ю. Л. Пархоменко;  

учитель ГУО «Специальная общеобразовательная школа № 188  
для детей с нарушениями зрения города Минска» Т. Е. Фоминых

Р е ц е н з е н т ы:

цикловая комиссия по специальностям «Программное обеспечение  

информационных технологий», «Эксплуатация электронно- 

вычислительных машин», «Программируемые мобильные системы»  

УО «Минский государственный колледж электроники» (С. А. Оберган);

доцент кафедры «Программное обеспечение информационных  
технологий» УО «Белорусский государственный университет  

информатики и радиоэлектроники» кандидат технических наук,  

доцент А. И. Парамонов

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее 

части не может быть осуществлено без разрешения издательства.

Ф76

Фоминых, Е. И.

Арифметико-логические основы вычислительной техники : 

учеб. пособие / Е. И. Фоминых, Т. Е. Фоминых, Ю. Л. Пархоменко. – 2-е изд., стер. – Минск : РИПО, 2022. – 223 с. : ил.

ISBN 978-985-895-027-9.

Описываются способы представления числовой информации в вычис
лительной технике, выполнения арифметических и логических операций. 
Рассматриваются вопросы контроля правильности функционирования 
цифровых устройств, организации памяти ЭВМ, архитектуры микропроцессора и микропроцессорных систем. Учебный материал дополняется 
примерами и иллюстрациями.

Предназначено для учащихся учреждений среднего специального об
разования по специальности «Программное обеспечение информационных технологий». 

УДК 004.2(075.32)
ББК 32.973-04я723 

ISBN 978-985-895-027-9      
 © Фоминых Е. И., Фоминых Т. Е., 

 
 
 
 
    Пархоменко Ю. Л., 2021

 
 
 
              © Оформление. Республиканский институт

 
 
 
 
        профессионального образования, 2021

ГЛАВА 1
ГЛАВА 1.  

ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ  
ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ  

ЭЛЕКТРОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН
ЭЛЕКТРОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН

1.1. История развития электронно-вычислительных машин
1.1. История развития электронно-вычислительных машин

Компьютер  
(от англ. 
computer –  
вычислитель)

– устройство или система, способное выполнять заданную, четко определенную, изменяемую последовательность операций. 

Электронновычислительная машина 
(ЭВМ)

– программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные, производить вычисления, 
а также выполнять другие задачи. 

Первым устройством, предназначенным для облегчения 

вычислений, были счеты. С помощью костяшек счетов можно 
было совершать сложение, вычитание и несложное умножение. 
В 1642 г. французский математик Б. Паскаль сконструировал 
первую механическую счетную машину «Паскалина», которая 
могла выполнять сложение чисел. В 1673 г. немецкий математик 
Г. В. Лейбниц сконструировал механический арифмометр, позволяющий выполнять четыре арифметических действия.

В первой половине XIX в. английский математик Ч. Бэббидж 

попытался построить универсальное вычислительное устройство, т. е. компьютер, назвав его аналитической машиной. Компьютер, по определению Ч. Бэббиджа, должен содержать память 
и управляться с помощью программы. Это было механическое 
устройство, программы для которого задавались посредством 
перфокарт из плотной бумаги, информацию на которые нано

Глава 1. Основы организации электронно-вычислительных машин  

сили с помощью отверстий (в то время перфокарты уже широко 
употребляли в ткацких станках).

ЭВМ стали одним из величайших изобретений середины 

ХХ в. Приведем краткую историю их создания и развития:

 
• 1941 г. – немецкий инженер К. Цузе построил небольшой 

компьютер на основе нескольких электромеханических реле;

 
• 1943 г. – в США на одном из предприятий фирмы IBM 

Г. Айкен создал компьютер под названием «Марк-1». Позволял проводить вычисления в сотни раз быстрее, чем вручную 
с помощью арифмометра, использовался для военных расчетов. 
Основывался на сочетании электрических сигналов и механических приводов, содержал 750 000 деталей, позволял перемножить два 32-разрядных числа за 4 с. В том же году в США группа специалистов под руководством Дж. Маучли и П. Эккерта 
начала конструировать компьютер ENIAC на основе электронных ламп;

 
• 1945 г. – к работе над ENIAC был привлечен математик 

Дж. фон Нейман, сформулировавший общие принципы функционирования компьютеров, т. е. универсальных вычислительных устройств. В соответствии с указанными принципами в состав ЭВМ должны входить: арифметическое логическое 
устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические 
операции, устройство управления, предназначенное для организации выполнения программ, запоминающие устройства (ЗУ), 
внешние устройства для ввода-вывода данных. До сих пор подавляющее большинство компьютеров изготовлено в соответствии 
с принципами, которые изложил Дж. фон Нейман;

 
• 1947 г. – П. Эккерт и Дж. Маучли начали разработку пер
вой электронной серийной машины UNIVAC (Universal Automatic 
Computer). Первый образец машины (UNIVAC-1) предназначался 
для бюро переписи США и был запущен в эксплуатацию весной 
1951 г. Синхронная, последовательного действия вычислительная 
машина UNIVAC-1 была создана на базе ЭВМ ENIAC и EDVAC. 
Работала с тактовой частотой 2,25 МГц и содержала около 
5000 электронных ламп. Внутреннее запоминающее устройство 
емкостью 1000 12-разрядных десятичных чисел было выполнено 
на 100 ртутных линиях задержки;

 
• 1949 г. — английский исследователь М. Уилкс создал 

первый компьютер, в котором были воплощены принципы 
Дж. фон Неймана;

1.1. История развития электронно-вычислительных машин

 
• 1951 г. – Дж. Форрестер опубликовал статью о примене
нии магнитных сердечников для хранения цифровой информации. Память на магнитных сердечниках впервые была применена в компьютере «Whirlwind-1». Он представлял собой два 
куба с сердечниками, которые обеспечивали хранение 2048 слов 
для 16-разрядных двоичных чисел с одним разрядом контроля 
на четность;

 
• 1952 г. – фирма IBM выпустила первый промышленный 

электронный компьютер IBM 701, который представлял собой синхронную ЭВМ параллельного действия, содержащую 
4000 электронных ламп и 12 000 диодов. Усовершенствованный 
вариант IBM 704 отличался высокой скоростью работы, в нем 
использовались индексные регистры, данные представлялись 
в форме с плавающей запятой. Затем был выпущен IBM 709, 
в архитектурном плане приближавшийся к ЭВМ 2-го и 3-го поколений. В нем впервые была применена косвенная адресация 
и появились каналы ввода-вывода;

 
• 1952 г. – фирма «Remington Rand» выпустила ЭВМ 

UNIVAC-t 103, в которой впервые были применены программные прерывания. Использовалась алгебраическая форма записи 
алгоритмов под названием «Short Code» (первый интерпретатор, 
созданный в 1949 г. Дж. Маучли);

 
• 1956 г. – фирмой IBM были разработаны плавающие маг
нитные головки на воздушной подушке. Изобретение их позволило создать новый тип памяти — дисковые ЗУ, значимость которых была в полной мере оценена в последующие десятилетия 
развития вычислительной техники. Первые ЗУ на дисках появились в IBM 305 RAMAC System. Последняя имела пакет, состоявший из 52 металлических дисков с магнитным покрытием, на поверхности которых размещалось 100 дорожек для записи данных 
по 10 000 знаков каждая;

 
• 1956 г. – фирма «Ferranti» выпустила ЭВМ «Pegasus», в ко
торой впервые нашла воплощение концепция регистров общего 
назначения (РОН). С появлением РОН было устранено различие 
между индексными регистрами и аккумуляторами, а в распоряжении программиста оказался не один, а несколько регистров-аккумуляторов;

 
• 1957 г. – группа под руководством Д. Бэкуса завершила 

работу над первым языком программирования высокого уровня, 

Глава 1. Основы организации электронно-вычислительных машин  

получившим название ФОРТРАН. Язык, впервые реализованный на ЭВМ IBM 704, способствовал расширению сферы применения компьютеров;

 
• 1960-е гг. – 2-е поколение ЭВМ, логические элементы ко
торых реализуются на базе полупроводниковых приборов-транзисторов. Развиваются алгоритмические языки программирования, такие как АЛГОЛ, ПАСКАЛЬ и др.;

 
• 1970-е гг. – 3-е поколение ЭВМ, содержащих интегральные 

микросхемы, на одной полупроводниковой пластине которых находились тысячи транзисторов. Начало создания операционных 
систем, языков структурного программирования;

 
• 1974 г. – несколько фирм объявили о создании на основе 

микропроцессора Intel 8008 персонального компьютера — устройства, выполняющего функции большого компьютера, но рассчитанного на одного пользователя;

 
• 1975 г. – появился первый коммерчески распространяемый 

персональный компьютер Altair 8800 на основе микропроцессора Intel 8080: имел оперативную память 256 байт, клавиатура 
и экран отсутствовали;

 
• конец 1975 г. – П. Аллен и Б. Гейтс (будущие основате
ли фирмы Microsoft) создали для компьютера Altair интерпретатор языка BASIC, позволивший пользователям легко общаться 
с компьютером и писать программы;

 
• август 1981 г. – компания IBM представила персональ
ный компьютер IBM PC. В качестве основного микропроцессора 
использовался 16-разрядный микропроцессор Intel 8088, который 
позволял работать с 1 Мбайт памяти;

 
• 1980-е гг. – 4-е поколение ЭВМ на больших интегральных 

схемах. Микропроцессоры реализуются в виде единой микросхемы. Начало массового производства персональных компьютеров;

 
• 1990-е гг. – 5-е поколение ЭВМ на сверхбольших инте
гральных схемах. Процессоры содержат миллионы транзисторов. 
Появление глобальных компьютерных сетей массового пользования;

 
• 2000-е гг. – 6-е поколение ЭВМ. Человеко-машинный ин
терфейс, искусственный интеллект. Интеграция ЭВМ и бытовой техники, встраиваемые компьютеры, развитие сетевых 
вычислений. 

1.2. Структура и типы электронно-вычислительных машин

1.2. Структура и типы электронно-вычислительных машин
1.2. Структура и типы электронно-вычислительных машин

Структура 
компьютера

– это совокупность его функциональных элементов и 
связей между ними. Является одним из определяющих 
факторов его характеристик.

Классическая упрощенная структурная схема компьютера 

приведена на рисунке 1.

АЛУ

Устройство 
управления 
и интерфейс

Процессор
ная  

память

Процессор

Оперативная память

Каналы связи

Внешние устройства

Внешняя 
память

Устройства  
ввода-вывода

Рис. 1

Процессор 
(центральный  
процессор)

– основной вычислительный блок компьютера, содержащий важнейшие функциональные устройства: 
устройства управления, АЛУ, процессорную память.

Глава 1. Основы организации электронно-вычислительных машин  

Оперативная 
память

– запоминающее устройство, используемое для оперативного хранения и обмена информацией с другими 
узлами компьютера.

Каналы 
связи (внутримашинный 
интерфейс)

– среда, по которой передается информация; служат 
для сопряжения центральных узлов компьютера с 
внешними устройствами.

Внешние 
устройства

– обеспечивают эффективное взаимодействие компьютера с окружающей средой: пользователями, 
внешней памятью, устройствами ввода-вывода, объектами управления, другими компьютерами и т. д.

ЭВМ различают по ряду принципов.
По п р и н ц и п у  п о с т р о е н и я  и  д е й с т в и я  выделяют:
 
• аналоговые ЭВМ (АВМ) – вычислительные машины не
прерывного действия, обрабатывающие аналоговые данные. 
Представляют числовые данные при помощи аналоговых физических параметров: скорость, длина, напряжение, сила тока, давление. У АВМ отсутствует программа, под управлением которой 
с помощью одной и той же вычислительной машины можно решать разнообразные задачи. Решаемая задача (класс задач) жестко определяется внутренним устройством АВМ и выполненными 
настройками (соединениями, установленными модулями, клапанами и т. п.). Даже для универсальных АВМ для решения новой 
задачи требуется перестройка внутренней структуры устройства. 
Основные области применения АВМ связаны с моделированием 
различных процессов и систем;

 
• цифровые ЭВМ (ЦЭВМ) – данное уточнение производят 

в особых случаях, например в сложных вычислительных системах, включающих ЭВМ разных видов;

 
• комбинированные (аналого-цифровые) ЭВМ – сочетают 

аналоговую и цифровую форму обработки данных:

 
– многопроцессорные ЭВМ, архитектура которых предусма
тривает использование большого числа процессоров, обеспечивая 
существенное повышение вычислительной мощности и, в частности, возможность обработки значительных объемов информации; 

 
– транспьютер – микроэлектронный прибор, объединяю
щий на одном кристалле мощный микропроцессор, быструю память, интерфейс внешней памяти и каналы ввода-вывода. Пред

1.2. Структура и типы электронно-вычислительных машин

назначен для построения параллельных вычислительных структур. При построении транспьютеров используют специальные 
языки параллельного программирования и др.

По в ы ч и с л и т е л ь н о й  м о щ н о с т и  различают:
 
• суперЭВМ – класс сверхпроизводительных ЭВМ, предна
значенных для решения особо сложных задач в областях науки, 
техники и управления. Сверхвысокая производительность достигается преимущественно за счет параллельной архитектуры, 
предусматривающей использование большого числа функционально ориентированных процессоров и параллельного программирования, сверхглубокого охлаждения процессоров (до температур, близких к абсолютному нулю), а также высокоскоростных 
сверхбольших интегральных схем. Основные производители: 
фирмы США, Японии, Китая («Cray», «Fujitsu», «NEC» и др.);

 
• большие ЭВМ – имеют высокую производительность, 

большой объем основной и внешней памяти, обладают способностью параллельной обработки данных, обеспечивая как пакетный, так и интерактивный (диалоговый) режимы работы;

 
• ЭВМ средней производительности – до нескольких мил
лионов операций в 1 с, емкостью оперативной памяти в несколько десятков мегабайт и разрядностью машинного слова 
не менее 64;

 
• малые ЭВМ (мини-ЭВМ) – конструктивно выполнены 

в одной стойке, занимают небольшой объем. Обладают низкой 
производительностью и малым объемом памяти. Мини-ЭВМ 
не имеют четкого отграничения от микроЭВМ;

 
• микроЭВМ (однокристальные ЭВМ, система на чипе – 

System-on-Chip, SoC) – содержат кристалл большой или сверхбольшой интегральной схемы, который, в отличие от микропроцессора, содержит все логические элементы, необходимые для образования полноценной вычислительной системы. В качестве 
арифметического и логического устройства используется один 
или несколько микропроцессоров. 

Вместе с тем отнесение ЭВМ к тому или иному классу ма
шин может быть признано некорректным в связи с широким 
применением микропроцессорной техники.

МикроЭВМ также подразделяют:
 
• на однокристальные ЭВМ – выполнены на одной большой 

или сверхбольшой интегральной микросхеме;

Глава 1. Основы организации электронно-вычислительных машин  

 
• одноплатные ЭВМ, у которых микропроцессор, микро
схемы устройств памяти и подсистемы ввода-вывода, а также 
другие основные компоненты размещены на одной печатной 
плате;

 • однопроцессорные ЭВМ с одним центральным процессором;
 
• смарт-карты – пластиковые карточки со встроенным мик
ропроцессором и памятью. На них могут храниться, например, 
личные сведения, идентификационные шифры для охранных 
устройств, данные банковского счета и т. д.

По н а з н а ч е н и ю  выделяют:
 
• базовые ЭВМ – являются исходной моделью в серии ЭВМ 

определенного типа или вида;

 
• универсальные ЭВМ – предназначены для решения широ
кого класса задач. Имеют разветвленную, алгоритмически полную систему команд, иерархическую структуру ЗУ и развитую 
систему устройств ввода-вывода данных;

 
• специализированные ЭВМ – предназначены для решения 

узкого класса определенных задач. Характеристики и архитектура машин этого класса определяются спецификой задач, на которые они ориентированы, что делает их более эффективными 
по сравнению с универсальными ЭВМ. К разряду специализированных могут быть отнесены, в частности, управляющие, бортовые, выделенные ЭВМ и др.:

 
– управляющие ЭВМ – предназначены для автоматического 

управления объектом (устройством, системой, процессом) в режиме реального времени. Сопряжение ЭВМ с объектом управления производится с помощью аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей;

 
– бортовые ЭВМ – специализированные управляющие 

ЭВМ, устанавливаемые на борту транспортного средства (самолета, спутника, корабля, автомобиля и т. п.) и предназначенные 
для оптимального управления функционированием других бортовых устройств, в частности связанных с управлением перемещением своего носителя в пространстве;

 
– выделенные ЭВМ – разновидность однокристальных спе
циализированных ЭВМ, встроенных в какое-либо устройство 
в целях управления им или передачи ему данных. Используют 
в бытовой технике и других видах устройств (нагревательных 
приборах, часах, автомобилях, магнитофонах и т. д.).