Техническое и программное обеспечение вычислительных машин и систем

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ТЕХНИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ 
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН И СИСТЕМ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
 

УДК 519.684 
ББК 32.97 
 
Т38 
 
Авторы: 
Конюхова О. В., Кравцова Э. А., Лукьянов П. В., Ужаринский А. Ю. 
 
Рецензенты: 
кандидат технических наук, доцент кафедры программной инженерии 
Орловского государственного университета имени И. С. Тургенева 
А. П. Гордиенко; 
доктор технических наук, директор ООО «Научно-производственное  
предприятие «Энергия» С. П. Петров 
 
 
Т38  
Техническое и программное обеспечение вычислительных машин и систем : учебное пособие / [Конюхова О. В. и др.]. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 200 с. : ил., табл. 
 
 
ISBN 978-5-9729-1186-8 
 
Содержится актуальная информация об архитектуре современных вычислительных систем: принципах построения и функционирования вычислительных машин, вычислительных систем параллельной обработки и микроконтроллеров, компьютерных сетей, а также современном состоянии и перспективах развития данной отрасли компью- 
терной индустрии. Рассматриваются основные понятия вычислительных машин, систем и сетей; принципы построения и функционирования вычислительных машин, систем и сетей и их компонентов. 
Для студентов направлений 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника», 
09.03.04 «Программная инженерия», 09.03.02 «Информационные системы и технологии», 09.03.03 «Прикладная информатика». Может быть полезно студентам других специальностей при изучении информатики и программирования. 
 
УДК 519.684 
ББК 32.97 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1186-8 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 

Содержание 
 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 6 
МОДУЛЬ 1. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ ..................................................... 7 
1. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА – АППАРАТНАЯ БАЗА ЦИФРОВЫХ 
ТЕХНОЛОГИЙ. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ 
СИСТЕМ ...................................................................................................................... 7 
1.1. Основные понятия и определения ...................................................................... 7 
1.2. Понятие и виды сквозных цифровых технологий ............................................ 9 
1.3. Принципы организации вычислительных машин и систем .......................... 14 
1.4. Основные характеристики вычислительных машин и систем ...................... 18 
1.5. Многоуровневая организация вычислительных процессов .......................... 20 
Вопросы для самопроверки 
...................................................................................... 22 
2. ПРОСТЕЙШИЕ ТИПОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ  
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН 
............................................................................. 23 
2.1. Комбинационные схемы 
.................................................................................... 23 
2.2. Автоматы с памятью .......................................................................................... 27 
2.3. Триггеры 
.............................................................................................................. 29 
2.4. Проблемы и перспективы развития элементной базы 
вычислительных машин ........................................................................................... 30 
Вопросы для самопроверки 
...................................................................................... 40 
3. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ КОМБИНАЦИОННОГО  
И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ТИПОВ 
..................................................................... 41 
3.1. Функциональные узлы последовательного типа ............................................ 41 
Вопросы для самопроверки 
...................................................................................... 50 
4. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОРА ............................... 51 
4.1. Основные характеристики и классификация процессоров 
............................ 51 
4.2. Физическая и функциональная структура процессора 
................................... 54 
4.3. Архитектурные принципы организации RISC-процессоров ......................... 59 
4.4. Производительность процессоров и архитектурные 
способы её повышения ............................................................................................. 61 
Вопросы для самопроверки 
...................................................................................... 66 
5. ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ ПРОЦЕССОРА ...................................................... 67 
5.1. Классификация и структура команд процессора ............................................ 67 
5.2. Способы адресации данных и команд 
.............................................................. 70 
3 

5.3. Поток управления и механизм прерываний .................................................... 82 
Вопросы для самопроверки 
...................................................................................... 90 
6. СОСТОЯНИЕ И РАЗВИТИЕ ПРОЦЕССОРОВ КАК ПРОСТЕЙШИХ 
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ............................................................................ 91 
6.1. Архитектурные особенности процессоров Pentium ....................................... 91 
6.2. Программная модель процессоров Pentium 
..................................................... 95 
6.3. Аппаратная организация защиты в процессорах Pentium 
.............................. 97 
6.4. Аппаратные средства поддержки многозадачности 
..................................... 100 
6.5. Развитие «одноядерных» процессоров .......................................................... 102 
Вопросы для самопроверки 
.................................................................................... 104 
7. ПАМЯТЬ. ОРГАНИЗАЦИЯ ПАМЯТИ ............................................................ 105 
7.1. Иерархическая организация памяти 
............................................................... 105 
7.2. Классификация запоминающих устройств 
.................................................... 106 
7.3. Структура основной памяти 
............................................................................ 108 
7.4. Память с последовательным доступом .......................................................... 111 
7.5. Ассоциативная память ..................................................................................... 113 
7.6. Организация флэш-памяти .............................................................................. 115 
7.7. Архитектурные способы повышения скорости обмена между  
процессором и памятью 
.......................................................................................... 117 
Вопросы для самопроверки 
.................................................................................... 122 
8. УПРАВЛЕНИЕ ПАМЯТЬЮ. ВИРТУАЛЬНАЯ ПАМЯТЬ 
............................. 123 
8.1. Динамическое распределение памяти 
............................................................ 123 
8.2. Сегментная организация памяти .................................................................... 124 
8.3. Страничная организация памяти .................................................................... 127 
8.4. Сегментно-страничная организация памяти ................................................. 129 
Вопросы для самопроверки 
.................................................................................... 131 
9. ОРГАНИЗАЦИЯ ВВОДА-ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ.  
СИСТЕМНАЯ ШИНА ............................................................................................ 132 
9.1. Организация шин. Системная шина 
............................................................... 132 
9.2. Организация взаимодействия между периферийными устройствами  
и процессором и памятью вычислительных машин ............................................ 140 
9.3. Внешние интерфейсы вычислительных машин 
............................................ 143 
Вопросы для самопроверки 
.................................................................................... 148 
 
 
 
4 

МОДУЛЬ 2. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И СЕТИ 
.................................. 149 
10. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ. 
МНОГОПРОЦЕССОРНЫЕ И МНОГОЯДЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ........................ 149 
10.1. Параллельная обработка информации ......................................................... 149 
10.2. Классификация систем параллельной обработки данных ......................... 151 
10.3. Вычислительные системы на кристалле. Многоядерные системы 
........... 158 
10.4. Тенденции развития ВС 
................................................................................. 162 
Вопросы для самопроверки 
.................................................................................... 164 
11. ОРГАНИЗАЦИЯ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ  
И МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫХ СИСТЕМ 
............................................................ 165 
11.1. Общие сведения о системах управления ..................................................... 165 
11.2. Организация микроконтроллеров и микроконтроллерных систем .......... 166 
11.3. Области применения и тенденции развития МК ........................................ 170 
Вопросы для самопроверки 
.................................................................................... 173 
12. ОРГАНИЗАЦИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ 
.............................................. 174 
12.1. Обобщённая структура компьютерных сетей ............................................. 174 
12.2. Классификация компьютерных сетей .......................................................... 176 
Вопросы для самопроверки 
.................................................................................... 180 
13. СТАНДАРТИЗАЦИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЭТАЛОННАЯ  
МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ 
.................................. 181 
13.1. Понятие «открытой системы». Взаимодействие 
открытых систем ..................................................................................................... 181 
13.2. Эталонная модель взаимодействия открытых систем 
................................ 183 
13.3. Структура блоков информации 
..................................................................... 186 
Вопросы для самопроверки 
.................................................................................... 190 
ЛИТЕРАТУРА ......................................................................................................... 191
5 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Вычислительные системы в своем развитии достигли высокого уровня совершенства. Они компактны, обладают большой скоростью выполнения заданий и достаточно просты в обращении. Все эти качества привели к их широкому использованию. Для полного учета всех преимуществ и ограничений, характеризующих процесс решения задачи с помощью электронно-вычислительных 
машин (ЭВМ) и систем, необходимо знание принципов построения и функционирования как вычислительных систем в целом, так и отдельных их устройств. 
Для эффективного применения вычислительных машин также необходимо понимание возможностей и знание внутренней структуры современных персональных компьютеров. Основы организации архитектуры ЭВМ и систем необходимы для знания многих дисциплин.  
Учебное пособие содержит актуальную информацию об архитектуре современных вычислительных систем: принципах построения и функционирования вычислительных машин, вычислительных систем параллельной обработки 
и микроконтроллеров, компьютерных сетей, а также современном состоянии и 
перспективах развития данной отрасли компьютерной индустрии. 
В учебном пособии рассматриваются основные понятия вычислительных 
машин, систем и сетей; принципы построения и функционирования вычислительных машин, систем и сетей и их компонентов. 
Учебное пособие соответствует требованиям ФГОС и содержанию программ учебных дисциплин «Архитектура ЭВМ и систем» для студентов 
направлений 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника», 09.03.02 
«Информационные системы и технологии», 09.03.04 «Программная инженерия»; «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации» для студентов 
направления 09.03.03 «Прикладная информатика». Может быть полезно студентам других направлений при изучении информатики и программирования. 
6 

МОДУЛЬ 1. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ 
 
1. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА – АППАРАТНАЯ БАЗА 
ЦИФРОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ 
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ 
 
Современное общество вступило в эпоху цифровой трансформации, меняющей быт, производство, образование, культуру, политику и другие сферы 
человеческой деятельности. Цифровизация экономики – одно из главных проявлений происходящей трансформации. 
Аппаратно-технической базой для цифровой экономики являются различные вычислительные средства. Современная вычислительная техника (ВТ) 
представлена широким спектром средств обработки информации. 
Развитие средств ВТ идёт по двум направлениям [1]: 
1. Электронно-вычислительные машины (ЭВМ) и простейшие вычислительные системы (ВС). Эти вычислительные средства основываются на 
эволюционных модификациях концептуальной последовательной машины  
Дж. фон Неймана (1945 г.). Процесс их развития отражён в ЭВМ первого 
(1949 г., электронные лампы), второго (1955 г., транзисторы) и третьего 
(1963 г., интегральные схемы) поколений. Пределом в этой модификации является конвейерный способ обработки информации в сочетании с векторизацией. 
По сути, такие вычислительные машины (ВМ) представляют собой простейшие 
ВС. Вычислительные средства данного направления постоянно совершенствуются, главным образом, за счёт улучшения физико-технических характеристик 
элементов и внутренних информационных каналов. 
2. Вычислительные системы (ВС) – базируются на принципе массового 
параллелизма при работе с информацией. Данное направление ориентировано 
на применение полупроводниковых пластин с большим количеством обработчиков данных. ВС относятся к четвёртому и последующим поколениям средств 
ВТ. 
 
1.1. Основные понятия и определения 
 
Введём несколько базовых определений ВТ [1–2]. 
Система – это совокупность элементов, соединённых между собой для достижения определенной цели. Понятие системы трактуется достаточно широко: 
практически каждое средство ВТ может рассматриваться как система – ВМ, сети, системы параллельной обработки данных и т. п. 
Вычислительная машина (ВМ) – это система, выполняющая заданную, 
чётко определённую последовательность операций (программу) в соответствии 
с выбранным алгоритмом обработки информации. 
Алгоритм – набор предписаний, однозначно определяющий содержание и 
последовательность выполнения действий для решения задач. 
Операнд – величина (или объект), над которой проводится операция в ВМ. 
7 

Результат – совокупность данных, получаемых по завершении операции 
или программы. 
Вычислительная система (ВС) – это совокупность аппаратно-про- 
граммных средств, предназначенная для параллельной обработки данных или 
локального управления технологическим оборудованием, настроенная на решение задач конкретной области применения. 
ВС бывают многопроцессорными (содержат несколько процессоров, 
между которыми происходит интенсивный обмен информацией и имеется 
единое управление вычислительными процессами) и микропроцессорными 
(строятся на базе микропроцессора или микроконтроллера, либо специализированного процессора цифровой обработки сигналов; используются для локального управления технологическим оборудованием в технических и бытовых системах). 
Принципы организации и функционирования ВМ и ВС во многом схожи, 
однако имеются и принципиальные отличия. Во избежание путаницы и излишнего использования обоих понятий при последующем изложении материала, 
содержащем сведения, общие для ВМ и ВС, будет использоваться термин ВМ, 
а содержащем сведения, характерные только для ВС, будет использоваться 
термин ВС. 
Для наглядного представления ВМ их изображают в виде схем, состоящих 
из блоков и связей между ними. Такие схемы представляют собой ориентированный граф, вершины которого – блоки. 
В функциональной схеме блоки выделяются по функциональному признаку, в структурной схеме блоки соответствуют конструктивным компонентам – 
устройствам, узлам, интегральным схемам. Отдельные блоки функциональной 
и структурной схем могут совпадать. С каждым блоком связаны входы, выходы 
и функция, которая задаёт правила получения выходных последовательностей 
по входным последовательностям. 
Структура – это совокупность элементов и их связей. 
Функциональная организация ВМ – это представление её как абстрактной 
системы в виде функциональной схемы, иллюстрирующей результат функциональной декомпозиции. Для сложных систем, таких, как ВМ и сети, часто используется иерархия представлений. 
Структурная организация ВМ – это представление её как системы в виде 
схемы, содержащей реально реализуемые устройства, узлы, элементы. 
Функциональные схемы ВМ состоят из блоков, каждый из которых является преобразователем информации. 
Преобразователь информации – это некоторый блок, имеющий входы для 
поступления информации и некоторые выходы, на которых представлена выходная информация. 
Информация на входах и выходах блоков представлена сигналами. Сигнал – это носитель информации в виде изменяющейся во времени физической 
величине, обеспечивающей передачу данных. В настоящее время подавляющее 
большинство преобразователей информации представляют собой электронные 
8 

схемы, содержащие соединённые определённым образом между собой электронные ключи – вентили. Эти электронные схемы реализуются с использованием технологий современной микроэлектроники в виде интегральных схем. 
Для представления сигналов приняты два непересекающихся диапазона уровней напряжения. При напряжении 5В: диапазон 0–0,4 В соответствует значению логического «0» в двоичной системе счисления, диапазон 2,4–5 В соответствует значению логической «1». 
Информация в ВМ представляется в виде двоичных кодов фиксированной 
длины (машинных слов). Для получения, передачи, хранения и обработки информации используются аппаратные и программные средства, называемые вычислительными ресурсами.  
Многоуровневая иерархия аппаратных и программных средств, из которых 
строится ВМ, называется архитектурой ВМ. Каждый из уровней допускает 
многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уровней 
определяет особенности структурного построения вычислительных машин.  
Несколько ВМ или ВС, информационно связанных между собой, образуют 
вычислительный комплекс (ВК). При этом каждая машина самостоятельно 
управляет своими вычислительными процессами, и информационный обмен 
между вычислительными машинами комплекса не является интенсивным 
(например, цех, корабль и т. д.).  
Сеть (компьютерная, информационно-вычислительная) – это информационная система, которая состоит из множества абонентских систем и телекоммуникационной системы для их информационного взаимодействия. Отличительной особенностью сетей являются развитые функции информационного 
взаимодействия. 
Множество операций над данными и порядок выполнения этих операций 
называется моделью вычислений. В рамках изучения принципов работы ВМ, 
ВС и сетей подразумевается модель вычислений, заложенная в оборудование и, 
следовательно, зависящая от их (вычислительных машин) структуры и архитектуры. 
Ознакомившись с основными терминами, перейдем к рассмотрению основных видов сквозных цифровых технологий, в которых используется ВТ. 
 
1.2. Понятие и виды сквозных цифровых технологий 
 
Для достижения лидерства в своей области и даже просто для сохранения 
завоеванных ранее позиций предпринимателям (работодателям) приходится все 
шире использовать цифровые технологии, прежде всего, «сквозные» цифровые 
технологии. 
В рамках Национальной технологической инициативы (НТИ) [3] сквозные 
технологии были определены как ключевые научно-технические направления, 
которые оказывают наиболее существенное влияние на развитие рынков. По 
сути, к сквозным относятся те технологии, которые одновременно охватывают 
несколько отраслей.  
9 

Национальная технологическая инициатива  долгосрочная программа 
по созданию новых рынков и обеспечению условий для технологического лидерства России к 2035 году. 
НТИ объединяет технологических предпринимателей, представителей 
университетов и исследовательских центров, крупные деловые объединения 
России, институты развития, экспертные и профессиональные сообщества, а 
также органы исполнительной власти. 
Основные рынки НТИ [3, 4]: 
1. Аэронет – распределённые системы беспилотных летательных аппаратов. 
2. Автонет – рынок по развитию услуг, систем и современных транспортных средств на основе интеллектуальных платформ, сетей и инфраструктуры в 
логистике людей и вещей. 
3. Маринет – интеллектуальная система управления морским транспортом 
и технологии освоения мирового океана. 
4. Нейронет – рынок средств человеко-машинных коммуникаций, основанных на передовых разработках в нейротехнологиях и повышающих продуктивность человеко-машинных систем, производительность психических и мыслительных процессов. Рынком-предшественником является рынок носимых 
устройств, передающих информацию через Интернет.  
5. Хелснет – рынок персонализированных медицинских услуг и лекарственных средств, обеспечивающих рост продолжительности жизни, а также 
получение новых эффективных средств профилактики и лечения различных заболеваний. 
6. Фуднет – рынок потребительской продукции в мире, открытый для интеграции новых наукоемких технологий, стимулирующий рост экономики и 
способный радикально повысить доступность и качество питания. 
7. Энерджинет – рынок оборудования, программного обеспечения, инжиниринговых и сервисных услуг для разномасштабных комплексных систем и 
сервисов интеллектуальной энергетики. Лучшей метафорой для его описания 
является Интернет энергии (Internet of Energy) – экосистема производителей и 
потребителей энергии, которые беспрепятственно интегрируются в общую инфраструктуру и обмениваются энергией. 
8. Технет – кросс-рыночное и кросс-отраслевое направление, обеспечивающее технологическую поддержку развития рынков НТИ и высокотехнологичных отраслей промышленности за счет формирования Цифровых, «Умных», 
Виртуальных Фабрик Будущего (Digital, Smart, Virtual Factories of the Future). 
9. Сэйфнет – безопасные и защищенные компьютерные технологии, решения в области передачи данных, безопасности информационных и киберфизических систем. 
10. Хоумнет – высокотехнологичная экосистема комфортной и безопасной 
жизнедеятельности человека (Smart & Sustainable), базирующаяся на аппаратнопрограммных решениях, включая цифровые платформы, для проектирования,  
 
10