Архитектура ЭВМ

-¬¡ ©¡¡
«¬ª°¡--¤ª©œ§¸©ª¡
ª¬œ£ªžœ©¤¡
-ÁÌÄÛ
ÊÍÉʾ¼É¼
¾

¿ÊÀÏ
В.Д. Колдаев, С.А. Лупин
АРХИТЕКТУРА ЭВМ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации
в качестве учебного пособия для студентов учреждений среднего
профессионального образования, обучающихся по группе
специальностей «Информатика и вычислительная техника»
Москва 
ИД «ФОРУМ» — ИНФРА-М
202

УДК 004.2(075.32) 
ББК 32.973-02я723 
 
К60
Р е ц е н з е н т ы:
Лисов О.И. — доктор технических наук, профессор кафедры информатики и программного обеспечения вычислительных систем 
МГИЭТ (ТУ) ;
Костина С.А. — кандидат технических наук, начальник отдела 
ООО «Кедах Электроникc» 
Колдаев В.Д.
К60  
Архитектура ЭВМ : учебное пособие / В.Д. Колдаев, С.А. Лупин. — 
Москва : ИД «ФОРУМ» : ИНФРА-М, 2024. — 383 с. — (Среднее профессиональное образование).
ISBN 978-5-8199-0868-6 (ИД «ФОРУМ») 
ISBN 978-5-16-014902-8 (ИНФРА-М, print) 
ISBN 978-5-16-105885-5 (ИНФРА-М, online)
В учебном пособии рассмотрены информационно-логические принципы организации и построения ЭВМ, работа логических блоков и памяти, периферийные устройства, основы программирования процессора, 
классификация вычислительных платформ и вычислительные сети.
Для студентов, обучающихся по направлению и специальностям программного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных 
систем, прикладной математики и обработки информации. Будет полезно 
широкому кругу специалистов, занятых в области компьютерного моделирования.
УДК 004.2(075.32) 
ББК 32.973-02я723 
© Колдаев B.Д., 
Лупин C.А., 2014
ISBN 978-5-8199-0868-6 (ИД «ФОРУМ») 
ISBN 978-5-16-014902-8 (ИНФРА-М, print) 
ISBN 978-5-16-105885-5 (ИНФРА-М, online)
© ИД «ФОРУМ», 2014

Предисловие
Для XXI в. характерна небывалая скорость развития науки,
техники и новых технологий. Так, от изобретения книгопечатного станка (середина XV в.) до изобретения радиоприемника
(1895) прошло почти 440 лет, а между открытием радио и телевидения — около 30 лет. Разрыв во времени между изобретением
транзистора и интегральной схемы составил всего 5 лет.
Объем научной информации начиная с XVII в. удваивался
примерно каждые 10—15 лет. Поэтому одна из важнейших проблем человечества — обработка лавинообразного потока информации в любой отрасли его жизнедеятельности. Подсчитано, например, что в настоящее время специалист должен тратить около 80 % рабочего времени, чтобы уследить за всеми новыми
печатными работами, относящимися к его области деятельности.
Первые электронные вычислительные машины (ЭВМ) появились всего лишь 50 лет назад. За это время микроэлектроника,
вычислительная техника и вся индустрия информатики стали одними из основных составляющих мирового научно-технического
прогресса. В настоящее время ЭВМ используются не только для
выполнения сложных расчетов, но и в управлении производственными процессами, в образовании, здравоохранении, экологии и т. д. Это объясняется тем, что ЭВМ способны обрабатывать
любые виды информации: числовую, текстовую, табличную, графическую, видео и звуковую.
Рынок
современных
компьютеров
отличается
небывалым
разнообразием и динамизмом. Каждый год стоимость вычислений сокращается примерно на 25—30 %, стоимость хранения
единицы информации — до 40 %. Практически каждое десятилетие меняется поколение вычислительных машин, каждые два
года — основные типы микропроцессоров — сверхбольших интегральных схем (СБИС), определяющих характеристики новых
ЭВМ. Такие темпы сохраняются уже многие годы.

Предисловие
Сложность
современных
человеко-машинных
систем,
их
функциональные особенности и степень автоматизации режимов
управления определяются информационными потоками. Получение и анализ информации в этом случае должны происходить со
скоростью выработки параметрических данных в реальном масштабе времени. При этом не существует объектов, исключающих
непосредственное или опосредованное участие человека в функциональных контурах управления автоматизированных систем.
Прогресс микропроцессорной техники сделал ее доступной
массовому потребителю, а высокая надежность, относительно
низкая стоимость, простота общения с пользователем — послужили основой для организации систем распределенной обработки данных, включающих от десятка до нескольких сотен персональных электронных вычислительных машин (ПЭВМ), объединенных в вычислительные сети.
На сегодняшний день в мире существует более 130 млн компьютеров и более 80 % из них объединены в различные информационно-вычислительные сети — от малых локальных сетей в офисах
до глобальных сетей типа Интернет. Всемирная тенденция к объединению компьютеров в сети обусловлена рядом важных причин,
таких как ускорение передачи информационных сообщений, возможность быстрого обмена информацией между пользователями,
получение и передача сообщений (факсов, E-mail), возможность
мгновенного получения информации из любой точки земного
шара, а также обмен информацией между компьютерами разных
фирм, работающих под разным программным обеспечением.
Вычислительные сети позволяют автоматизировать управление производством, транспортом, материально-техническим
снабжением в масштабе отдельных регионов и страны в целом.
Возможность концентрации в вычислительных сетях больших
объемов данных, общедоступность этих данных, а также программных и аппаратных средств обработки, высокая надежность
их функционирования — все это позволяет улучшить информационное обслуживание пользователей и резко повысить эффективность применения вычислительной техники.
Фундамент серьезного компьютерного образования — знание принципов работы компьютера, его архитектуры, устройства
и особенностей машинного языка.
Цель данного учебного пособия — сформировать базовые
знания у студентов по основам организации и функционирования ЭВМ и архитектуре персонального компьютера.

Предисловие
5
Предлагаемое читателю учебное пособие состоит из четырех
глав.
В главе 1 рассматриваются информационно-логические основы ЭВМ, при этом особое внимание уделяется вопросам измерения количества информации, математической логике и системам
счисления. Глава 2 посвящена принципам организации ЭВМ.
В ней рассмотрена классификация архитектур вычислительных
систем, работа логических блоков, дан анализ внутренних и периферийных устройств. Глава 3 посвящена основам программирования процессора: командам, регистрам, а также конвейеризации
и параллелизму вычислений. В главе 4 предложены классификации вычислительных сетей, операционных систем и программных средств, рассматриваются вопросы, связанные с работой
в Интернете. В конце каждой главы приведены контрольные вопросы, способствующие лучшему усвоению материала учебного
пособия.
В приложении рассмотрены перспективы развития ЭВМ,
роль программно-аппаратных комплексов в образовании, а также приведен анализ антивирусных программ.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся
по направлению и специальностям программного обеспечения
вычислительной техники и автоматизированных систем и обработки информации.

Глава 1
ИНФОРМАЦИОННО-ЛОГИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ ЭВМ
Информатика (фр. information — информация и automatique — автоматика) — область научно-технической деятельности,
занимающаяся исследованием процессов получения, передачи,
обработки, хранения, представления информации, решением
проблем создания, внедрения и использования информационной
техники и технологии во всех сферах общественной жизни.
В некоторых более кратких определениях термин «информатика» трактуется как наука о законах и методах получения и измерения, накопления и хранения, переработки и передачи информации с применением математических и технических средств.
Однако все имеющиеся определения отражают наличие двух
главных составляющих информатики — информации и соответствующих средств ее обработки. Бытует и такое определение: информатика — это информация плюс автоматика.
Становление и бурный прогресс информатики обусловлены
резким ростом масштабов, сложности и динамизма общественной практики — объектов исследования, систем управления, задач проектирования и т. д. Дальнейшее развитие многих областей науки, техники и производства потребовало количественного
и качественного роста возможностей переработки информации,
существенного усиления интеллектуальной деятельности человека. Информационные ресурсы общества приобрели на современном этапе стратегическое значение. Огромную, по существу,
революционизирующую роль в становлении и развитии информатики сыграло создание ЭВМ и современной компьютерной
техники, ставшее одним из ключевых направлений научно-технического прогресса, подлинным его катализатором.

Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
7
Информатика изучает следующие группы основных вопросов:

 технические, связанные с изучением методов и средств надежного сбора, хранения, передачи, обработки и выдачи информации;

 семантические, определяющие способы описания смысла
информации, изучающие языки ее описания;

 прагматические, описывающие методы кодирования информации;

 синтаксические, связанные с решением задач по формализации и автоматизации некоторых видов научно-информационной деятельности, в частности индексирование, автоматическое реферирование, машинный перевод.
В структуре информатики как науки выделяют алгоритмическую, программную и техническую области. Смежными дисциплинами с информатикой являются кибернетика и вычислительная техника, которые во многих случаях решают общие задачи,
связанные с переработкой информации. Стержневое направление и предмет информатики — разработка автоматизированных
информационных технологий на основе использования электронных вычислительных машин. Академик А. П. Ершов называл информатику наукой «о рациональном использовании ЭВМ
для решения различных задач». К числу основных особенностей
информатики относят ее высокую наукоемкость, использование
новейших достижений различных наук — математики, семиотики, теории моделирования, теории алгоритмов и др.
Применение ЭВМ послужило основой для создания новой
информационной технологии, позволяющей не только накапливать, хранить, перерабатывать информацию, но и получать
новую информацию, новые знания. В этом состоит коренное
отличие возможностей ЭВМ от возможностей любой другой
информационной техники — средств связи, проекционной аппаратуры, телевидения и др., которые воспроизводят информацию в том виде, в каком она подается на их вход. В таких случаях говорят, что количество информации на выходе устройства
не превышает ее количества на входе. По оценке специалистов,
информация на выходах сетей ЭВМ отличается от информации
на входах примерно так, как нерешенная задача отличается от
решенной. В получении новых сведений, новых данных, количественно и качественно отличающихся от исходных, подаваемых на вход ЭВМ, и состоит сущность толкования ЭВМ как
усилителя и ускорителя интеллекта.

Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
1.1. История развития вычислительной техники
У древнего человека был свой счетный инструмент — десять
пальцев на руках. Загибал человек пальцы — складывал, разгибал — вычитал. И человек догадался: для счета можно использовать все, что попадется под руку, — камешки, палочки, косточки. Потом стали завязывать узелки на веревке, делать зарубки на
палках и дощечках (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Узелки (а) и зарубки на дощечках (б)
Период абака. Абаком (гр. аbах — доска) называлась дощечка, покрытая слоем пыли, на которой острой палочкой проводились линии и в полученных колонках размещались какие-нибудь
предметы по позиционному принципу. В V—IV вв. до н. э. были
созданы древнейшие из известных счетов — «саламинская доска» (по названию острова Саламин в Эгейском море), которая у
греков и в Западной Европе называлась «абак». В Древнем Риме
абак появился в V—VI вв. н. э. и назывался calculi или abakuli.
Изготавливался абак из бронзы, камня, слоновой кости и цветного стекла. До нашего времени сохранился бронзовый римский
абак, на котором камешки передвигались в вертикально прорезанных желобках (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Абак

1.1. История развития вычислительной техники
9
В XV—XVI вв. в Европе был распространен счет на линиях
или счетных таблицах с укладываемыми на них жетонами.
В XVI в. появились русские счеты с десятичной системой
счисления. В 1828 г. генерал-майор Ф. М. Свободской выставил
на обозрение оригинальный прибор, состоящий из множества
счетов, соединенных в общей раме (рис. 1.3). Все операции сводились к действиям сложения и вычитания.
Рис. 1.3. Русские счеты
Период механических устройств. Этот период продолжался от
начала XVII до конца XIX в.
В 1623 г. Вильгельм Шиккард описал устройство счетной машины, в которой были механизированы операции сложения и
вычитания. В 1642 г. французский механик Блез Паскаль сконструировал первую механическую счетную машину — «Паскалину»
(рис. 1.4).
В 1673 г. немецким ученым Гофтридом Лейбницем была создана первая механическая вычислительная машина, выполнявРис. 1.4. Счетная машина «Паскалина»

Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
шая четыре арифметических действия (сложение, вычитание,
умножение и деление). В 1770 г. в Литве Е. Якобсон создал суммирующую машину, определяющую частное и способную работать с пятизначными числами.
В 1801—1804 гг. французский изобретатель Ж. М. Жаккар
впервые использовал перфокарты для управления автоматическим ткацким станком.
В 1823 г. английский ученый Чарлз Бэббидж разрабатывает
проект «Разностной машины», предвосхитившей современную
программно-управляемую автоматическую машину (рис. 1.5).
В 1890 г. житель Петербурга Вильгодт Однер изобрел арифмометр и наладил их выпуск. К 1914 г. в одной только России
насчитывалось более 22 тыс. арифмометров Однера. В первой
четверти XX в. эти арифмометры были единственными математическими машинами, широко применявшимися в различных
областях человеческой деятельности (рис. 1.6).
Рис. 1.5. Машина Бэббиджа
Рис. 1.6. Арифмометр
Период ЭВМ. Этот период начался в 1946 г. и продолжается
в настоящее время. Он характеризуется соединением достижений в области электроники с новыми принципами построения
вычислительных машин.
В 1946 г. под руководством Дж. Моучли и Дж. Эккерта в
США была создана первая ЭВМ — «ЭНИАК» (ENIAC) (рис. 1.7).
Она имела следующие характеристики: длина 30 м, высота 6 м,
вес 35 т, 18 тыс. вакуумных ламп, 1500 реле, 100 тыс. сопротивлений и конденсаторов, 3500 оп/с. Тогда же эти ученые начали работу над новой машиной — «ЭДВАК» (EDVAC — Electronic