ЭВМ и периферийные устройства

ЭВМ 
И ПЕРИФЕРИЙНЫЕ 
УСТРОЙСТВА

В.Ф. ЛЯНГ

Москва
ИНФРА-М
2023

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 004.35(075.8)
ББК 32.971.3я73
 
Л97

Лянг В.Ф.
Л97  
ЭВМ и периферийные устройства : учебное пособие / В.Ф. Лянг. — 
Москва : ИНФРА-М, 2023. — 580 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/1912429.

ISBN 978-5-16-018135-6 (print)
ISBN 978-5-16-111138-3 (online)
В учебном пособии рассматриваются вопросы организации электронных вычислительных машин и систем, в состав которых входят периферийное оборудование и устройства для создания сетей, а также вопросы 
архитектуры шин, устройств и принципов работы основных элементов вычислительных систем.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Адресовано студентам, обучающимся по направлению подготовки «Информатика и вычислительная техника», при подготовке к лабораторным 
работам и экзамену. Может быть использовано студентами других направлений подготовки и специальностей при изучении курсов «Основы информатики», «Сети и телекоммуникации» и «Защита информации».

УДК 004.35(075.8)
ББК 32.971.3я73

Р е ц е н з е н т ы:
Гданский Н.И., доктор технических наук, профессор, заведующий 
кафедрой «Системы автоматизированного управления» Московского 
государственного университета технологий и управления имени 
К.Г. Разумовского (Первый казачий университет);
Рюмин Ю.А., кандидат технических наук, начальник отдела технической политики и инновационных технологий государственной компании «Российские автомобильные дороги»

ISBN 978-5-16-018135-6 (print)
ISBN 978-5-16-111138-3 (online)
© Лянг В.Ф., 2023

Оглавление 

ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................ 18 

1. АРХИТЕКТУРА И КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕРСОНАЛЬНЫХ 

КОМПЬЮТЕРОВ ........................................................................... 22 

1.1.  Принципы Джона фон Неймана ........................................ 22 

1.2.  Основные блоки ПК ............................................................ 23 

1.3.  Блок-схема устройства компьютера .................................. 25 

1.4.  Системный блок .................................................................. 27 

1.5.  Классификация компьютеров ............................................ 30 

Контрольные вопросы к главе 1 ................................................ 32 

Практика ...................................................................................... 33 

2. СИСТЕМНАЯ ПЛАТА ..................................................................... 35 

2.1. Типы основных плат ПК ....................................................... 35 

2.2. Основные элементы материнской платы .......................... 36 

2.3. Примеры расположения основных  элементов на 

материнской плате ПК......................................................... 39 

Системная плата начала 90-х годов ................................... 39 

Системная плата конца 90-х годов ..................................... 41 

Современные системные платы ......................................... 43 

2.4.  Система BIOS – базовая система ввода/вывода .............. 45 

2.4.1. Назначение BIOS ........................................................... 45 

2.4.2. Функциональные возможности  
современной BIOS .................................................................. 46 

2.4.3.  Фирмы-разработчики BIOS ......................................... 47 

2.5. Шины и слоты ....................................................................... 48 

2.5.1. Типы шин ....................................................................... 48 

2.5.2.  Шина процессора ......................................................... 48 

2.5.3. Шина памяти ................................................................. 50 

2.5.4. Шина данных ................................................................. 51 

2.5.5. Шина адреса .................................................................. 52 

2.5.6. Шина ввода/вывода ..................................................... 53 

Шина ISA ............................................................................. 54 

Шина MCA и ее управление ............................................... 58 

Шины EISA .......................................................................... 60 

Управление шинами EISA и MCA ...................................... 61 

Локальная шина .................................................................. 62 

Шина PCI............................................................................. 65 

Шина PC-Card .................................................................... 69 

2.6. Развитие архитектуры шин ................................................. 69 

2.6.1. Развязка шин системных плат 1995–2000 годов ........ 69 

2.6.2. Развязка шин системных плат 2000–2015 годов ........ 71 

2.7. Системные ресурсы ............................................................. 74 

2.7.1. Прерывания ................................................................... 74 

2.7.2. Каналы прямого доступа к памяти .............................. 80 

2.7.3. Адреса ввода/вывода ................................................... 80 

2.8.  Признаки конфликтов ......................................................... 82 

2.8.1. Предотвращение конфликтов вручную ...................... 82 

2.8.2.  Автоматическое конфигурирование системы ........... 83 

2.9. Системные платы российского  производства .................. 84 

2.9.1. Системная плата к процессору Эльбрус ..................... 84 

2.9.2. Системная плата к процессору Байкал ....................... 86 

2.9.3. Системная плата к процессору MALT .......................... 87 

Контрольные вопросы к главе 2 ................................................ 90 

Практика ...................................................................................... 93 

Построение архитектуры системной платы  
иностранного производства ............................................. 93 

Построение архитектуры системной платы  
российского производства ................................................. 94 

Сравнительный анализ системных плат   
иностранного и российского производства ..................... 95 

3. МИКРОПРОЦЕССОРЫ .................................................................. 97 

3.1. Параметры процессоров ..................................................... 97 

3.1.1. Процессоры фирмы Intel .............................................. 97 

3.1.2. Внутренние регистры ................................................... 99 

3.1.3. Быстродействие ............................................................ 99 

3.2.  Процессоры фирмы Intel .................................................. 103 

3.2.1.  Процессор 286 ............................................................ 103 

3.2.2. Процессор 386 ............................................................. 104 

3.2.3.  Процессор 486 ............................................................ 106 

3.2.4.  Кэш .............................................................................. 108 

3.2.5. Процессор Pentium ..................................................... 110 

3.2.6.  Процессор Pentium с технологией MMX .................. 113 

3.2.7.  Маркировка процессора Pentium ............................ 114 

3.2.8.  Процессор Pentium Pro .............................................. 115 

3.2.9.  Процессор Pentium II ................................................. 119 

Отличительные черты Pentium II .................................. 122 

Структура процессора Pentium II .................................. 123 

3.2.10.  Процессор Pentium 4 ............................................... 127 

Структура процессора Pentium 4 ................................... 128 

Архитектура процессора Pentium 4 ............................... 134 

Характерные черты процессора Pentium 4 ................... 136 

3.3.  Intel-совместимые процессоры ....................................... 139 

3.4.  Процессоры фирмы IBM ................................................... 139 

3.5. Процессоры фирмы AMD .................................................. 141 

3.5.1. RISC- и CISC-процессоры ............................................. 141 

3.5.2.  Процессор AMD K5 ..................................................... 143 

3.5.3.  Процессор AMD K6 ..................................................... 144 

3.5.4.  Процессор AMD K7 ..................................................... 145 

Характерные черты AMD K7 ......................................... 145 

Архитектура Athlon ......................................................... 147 

3.6. Процессоры фирмы Cyrix .................................................. 149 

3.7. Тестирование производительности  процессоров ......... 150 

3.8. Сопроцессоры .................................................................... 153 

3.9.  Проверка процессоров ..................................................... 154 

3.9.1.  Дефект процессора Pentium ..................................... 154 

3.9.2. Дефект системы управления потребляемой  
мощностью ............................................................................ 156 

3.9.3. Перегрев и охлаждение ............................................. 157 

3.10. Российские микропроцессоры ....................................... 157 

3.10.1. Процессоры Эльбрус ................................................ 157 

3.10.2. Микропроцессоры MultiClet .................................... 160 

3.10.3. Микропроцессоры MALT.......................................... 163 

3.10.4. Микропроцессор КОМДИВ-МК ............................... 166 

3.10.5. Процессоры Байкал .................................................. 170 

Контрольные вопросы к главе 3 .............................................. 176 

Практика .................................................................................... 179 

Установка процессора......................................................... 179 

Сравнительный анализ технических свойств   
процессоров .......................................................................... 180 

4. ПАМЯТЬ ...................................................................................... 181 

4.1.  Логическая организация памяти ..................................... 181 

4.1.1. Типы памяти ................................................................ 181 

4.1.2. Логическая карта памяти ........................................... 182 

4.1.3.  Основная память ........................................................ 183 

4.1.4.  Область верхней памяти (UMA) ................................ 183 

4.1.5.  Сегментные и линейные адреса ............................... 185 

4.1.6.  Видеопамять............................................................... 187 

4.1.7. ПЗУ адаптеров и специальное ОЗУ ........................... 189 

BIOS видеоадаптеров ....................................................... 189 

BIOS контроллера жесткого диска и основного  
адаптера SCSI .................................................................. 190 

Сетевые адаптеры .......................................................... 191 

Другие ПЗУ в области верхней памяти (UMA) ............. 192 

4.1.8. Память системной BIOS .............................................. 192 

4.1.9. Расширенная память .................................................. 193 

4.1.10. Расширенная память XMS ........................................ 194 

4.1.11. Область старшей памяти HMA и линия А20 ........... 195 

4.1.12. Дополнительная память (Expanded Memory)......... 196 

4.2.  Использование памяти ..................................................... 198 

4.2.1.  Предотвращение конфликтов и перекрытий  
областей памяти ПЗУ BIOS ................................................... 198 

4.2.2. Теневая память ПЗУ .................................................... 198 

4.2.3. Установленная и доступная память .......................... 199 

4.2.4.  Конфигурирование и оптимизация памяти ............. 200 

4.3.  Физическая память ........................................................... 202 

4.3.1.  Микросхемы ОЗУ ....................................................... 202 

4.3.2. Конструкция и организация микросхем  
и модулей памяти ................................................................. 202 

4.3.3. Контроль четности ...................................................... 207 

4.3.4. Принципы организации памяти ................................ 208 

Страничная организация памяти ................................... 209 

Память с чередованием ................................................... 209 

Кэширование памяти ....................................................... 209 

Контрольные вопросы к главе 4 .............................................. 211 

Практика .................................................................................... 213 

Установка модуля оперативной памяти ........................ 213 

Карта памяти ...................................................................... 214 

5. БЛОК ПИТАНИЯ ......................................................................... 215 

5.1.  Назначение блока питания .............................................. 215 

5.2. Конструкция блоков питания ............................................ 216 

5.3. Разъемы блоков питания .................................................. 222 

5.4. Сетевые выключатели ....................................................... 225 

5.5. Разъемы питания дисковых  накопителей ...................... 226 

5.6. Сигнал Power Good ............................................................ 227 

5.7. Факторы неисправности блока питания .......................... 228 

5.8. Батареи питания КМОП-памяти ....................................... 228 

Контрольные вопросы к главе 5 .............................................. 230 

Практика .................................................................................... 231 

Установка блока питания .................................................. 231 

Конструкция блока питания .............................................. 232 

6. НАКОПИТЕЛИ НА ЖЕСТКИХ ДИСКАХ ....................................... 234 

6.1. История создания накопителя .......................................... 234 

6.2. Основные узлы накопителя на жестком диске ............... 235 

6.2.1. Принципы работы накопителя  
на жестком диске .................................................................. 236 

6.2.2. Диски ............................................................................ 237 

Технология образования рабочего слоя ........................... 238 

6.2.3. Головки записи/воспроизведения ............................ 239 

6.2.4. Механизм привода головок ....................................... 243 

6.2.5. Двигатель привода дисков ........................................ 249 

6.2.6. Плата управления ....................................................... 250 

6.2.7. Кабели и разъемы....................................................... 250 

6.3. Магнитная регистрация данных ....................................... 252 

6.4. Способы кодирования данных ......................................... 254 

6.4.1. Частотная модуляция ― FM ....................................... 255 

6.4.2. Модифицированная частотная модуляция .............. 256 

6.4.3. Метод RLL .................................................................... 257 

6.4.4. Сравнение способов кодирования ........................... 259 

6.4.5. Секторы ........................................................................ 260 

6.4.6. Форматирование дисков ............................................ 261 

6.5.  Интерфейсы накопителей на жестких дисках ............ 263 

6.6. Интерфейс SCSI ................................................................... 264 

6.6.1. Стандарты SCSI ............................................................ 264 

6.6.2. Схема связей основных элементов  
конструкции SCSI-накопителя .............................................. 266 

6.6.3. Драйвер SCSI ................................................................ 269 

6.6.4. Стандарты SPI-3 и SPI-4 ............................................... 269 

6.6.5. Разъемы подключения SCSI ....................................... 271 

6.7. Интерфейс IDE .................................................................... 273 

6.7.1. Стандарты IDE .............................................................. 273 

6.7.2. Разъемы подключения IDE......................................... 275 

6.7.3. Стандарт ATA RAID ...................................................... 277 

6.8. Сравнение интерфейсов SCSI и IDE .................................. 281 

Контрольные вопросы к главе 6 .............................................. 283 

Практика .................................................................................... 285 

Установка жесткого диска в системный блок ................ 285 

Конструкция накопителя с жестким   
магнитным диском .............................................................. 286 

7. НАКОПИТЕЛИ НА ГИБКИХ ДИСКАХ .......................................... 288 

7.1. Конструкция дисковода .................................................... 288 

7.1.1. Головка записи/воспроизведения ............................ 291 

7.1.2. Привод головок ........................................................... 292 

7.1.3. Двигатель привода диска ........................................... 294 

7.1.4. Платы управления....................................................... 294 

7.1.5. Разъемы ....................................................................... 295 

7.2. Контролеры накопителей ................................................. 295 

7.3. Конфигурирование накопителей ..................................... 296 

7.4. Конструкция дискеты ........................................................ 298 

7.5. Перемычка смены дискеты............................................... 300 

7.6. Физические характеристики ............................................. 301 

Контрольные вопросы к главе 7 .............................................. 303