Учебное пособие 2109

В.П. Дуров

АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Учебное пособие

Воронеж 2005

0

УДК 681.3

Дуров В.П. Аппаратные средства вычислительной техники: Учеб. пособие. Воронеж: Воронеж гос. техн. ун-т, 2005. 613 с.

В учебном пособии представлен теоретический и практический материал по основным вопросам организации подсистем персонального компьютера, а также основным видам электронных вычислительных машин. Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 090100 «Информационная безопасность», специальностям 090102 «Компьютерная безопасность»; 090105 «Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматизированных систем», дисциплинам «Аппаратные средства вычислительной техники», «Аппаратные средства вычислительной техники (спецглавы)».

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS Word и содержится в файле АСВТ.doc.

Табл. 28. Ил. 224. Библиогр.: 46 назв.

Научный редактор д-р техн. наук, проф. Остапенко А.Г.

Рецензенты: Межотраслевое научно-производственное объединение «БИТ» канд. техн. наук, проф. Г.С. Остапенко

канд. техн. наук, доц. Р.В. Батищев

©Дуров В.П., 2005

©Оформление. ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»,

2005

2

ВВЕДЕНИЕ

Создание электронных вычислительных машин (ЭВМ) можно сравнить с такими выдающимися достижениями человечества, как изобретение колеса, создание паровой машины, освоение электричества, использование атомной энергии. Однако и в этом ряду замечательных открытий ЭВМ занимает особое место. Если обычные машины облегчают физический труд человека, то ЭВМ помогают ему в умственной деятельности.

С изобретением ЭВМ в мире появилась машина, которая за короткий срок до неузнаваемости изменила технический облик нашей цивилизации. Без ЭВМ с их огромными разносторонними возможностями не могли бы развиваться многие крупные научнотехнические проекты современности. ЭВМ способствовали развитию новых эффективных методов познания и использования законов природы, явились одним из определяющих факторов научнотехнического прогресса последних десятилетий.

Что же такое современная ЭВМ? Как она устроена, как работает? Наверняка большинство студентов лучше представляет себе, что могут делать электронно-вычислительные машины, нежели знают, как эти машины устроены. Многие не только расскажут, какие задачи решаются с помощью ЭВМ, но и продемонстрируют навыки работы с ними. Работать на ЭВМ в качестве пользователя способны сегодня практически все школьники старших классов. А вот знать что внутри этих устройств? Что лежит в основе их работы? Каким образом тончайший срез кристалла полупроводника, размером с почтовую марку, опутанный паутиной проводов, способен «рассуждать», вычислять, обобщать, делать выводы?

Ответ на эти вопросы студент может получить, прочитав данное учебное пособие. При этом он познакомится не только с физическими принципами построения и работы ЭВМ, но и с историей формирования основополагающих идей, приведших к созданию современных компьютеров. Думается, данное пособие окажет необходимую помощь студентам в области проектирования и эксплуатации аппаратных средств вычислительной техники.

3

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ И ПОСТРОЕНИЯ ЭВМ

1.1 Немного истории

Считается, что первым механизмом для счета являлся абак, в котором сложение и вычитание чисел выполнялось перемещением камешков по желобам доски. Подобные устройства встречаются в разных вариантах в различных странах древнего мира.

Но настоящая потребность в автоматическом вычислении возникла в средние века в связи с резко возросшими в этот период торговыми операциями и океаническим судоходством. Торговля требовала больших денежных расчетов, а судоходство - надежных навигационных таблиц.

Первые эскизы счетной таблицы создал Леонардо да Винчи (около 1500 года). А первые сведения о работающей счетной машине относятся к 1646 году в Германии. Но подробное устройство этой счетной машины не сохранилось. В 1646 году во Франции Паскаль создал механическое устройство, которое складывало и вычитало многозначные числа. В 1673 году в Германии Лейбниц строит счетную машину, выполняющую все четыре арифметических действия. Он же предложил использовать двоичную систему счисления для нужд вычислительной математики. В этот период были созданы и другие счетные машины. Все они были построены в одном экземпляре (поскольку создавались десятки лет) и не могли долго работать - слишком сложны были их механизмы и слишком примитивная технология их изготовления. Только в 1820 году был налажен серийный выпуск (сотни штук в год) арифмометров конструкции Томаса де Кальмера. Вычисления, состоящие из последовательности арифметических операций, все еще лежали за пределами возможностей счетной машины.

В 1834 году Ч. Бэббидж разработал проект счетной машины, позволяющей реализовать вычисления любой сложности. Машина была задумана как механическая. Но Ч. Бэббиджа можно назвать пророком, поскольку его "аналитическая" машина стала прообразом ЦВМ, появившейся 100 лет спустя. Его машина содержала механический эквивалент практически всех основных устройств современной ЭВМ: память ("склад" на 1000 чисел по 50 десятичных знаков), арифметическое устройство ("мельница"), устройство управления, устройства ввода и вывода информации. Последовательность выполнения операций и пересылки чисел между устройствами задавались программой на перфокартах Жаккарда (1804), которые использовались для управления работой ткацких станков. Кроме того, в машине Бэббиджа предусматривалась возможность изменения программы в зависимости от результата вычислений, говоря современным языком, имелись команды условных переходов. Интересно отметить, что

4

Бэббидж изобрел наиболее эффективный способ сложения чисел - сложение по схеме со сквозным переносом. Эту машину Бэббидж строил всю оставшуюся жизнь (до 1871 года), но создал только ее отдельные узлы. В то же время (50-е годы прошлого столетия) благодаря трудам английского математика Ады Лавлейс зародилось машинное программирование (она пыталась написать программы к еще не созданной счетной машине Бэббиджа).

Вконце XIX начале XX веков начали появляться электромеханические счетно-аналитические машины для выполнения расчетно-бухгалтерских и статистических операций. Сильным толчком к развитию таких устройств стал конкурс, объявленный в США при проведении переписи 1888 года. В нем победил табулятор Холлерита. Табулятор Холлерита является родоначальником семейства электронномеханических машин для обработки статистических данных. В 1898 году Холлерит организовал фирму, которая поставляла такие машины всему миру.

Эти машины непрерывно совершенствовались: в 1913 году создан табулятор, печатающий результаты; в 1921 году к нему добавлена коммутационная доска, на которой хранилась программа обработки данных, считываемая с различных позиций перфокарты.

Первые вычислительные машины в современном смысле появились

вконце 30-х начале 40-х годов. В 1936-37 году К. Цузе (Германия) спроектировал машину с программным управлением. В 1941 году она была создана (машина на электромагнитных реле). Это первая в мире ЦВМ с программным управлением. Программа наносилась на перфоленту и целиком вводилась в машину. Поскольку перфолента двигалась в одну сторону, все циклы записывались в развернутом виде, т.е. в виде последовательности групп команд. После этого оператор уже не мог влиять на последовательность выполнения команд программы.

В1937 году Г. Айкин (США) разработал проект электромеханической универсальной ЦВМ с программным управлением. Она была построена в 1944 году фирмой IBM и названа "Марк-1". В 1947 году под руководством Айкина построена более мощная машина "Марк-2". В ней для хранения чисел и выполнения операций использовано 16000 электромеханических реле. В этот период был разработан целый ряд подобных релейных вычислительных машин, одна из которых практически полностью повторяла "аналитическую" машину Бебиджа.

Эти релейные вычислительные машины были ненадежны, медленно работали и потребляли много энергии, но позволили накопить большой опыт по созданию машин для автоматизированных вычислений. На них было опробовано двоичное кодирование чисел, представление чисел в форме с плавающей запятой, способы выполнения операций над числами на основе релейных схем и т.д.

5

В этот же период начали появляться машины, построенные на электронных лампах, причем первоначально лампы стали использоваться в простейших счетчиках импульсов. На них строились схемы с двумя устойчивыми состояниями, впоследствии названные триггерами (Впервые подобная схема была разработана в 1918 году Бонч-бруевичем). Исследуя свойство триггеров, американские ученые Дж. Моучли и Д. Эккер пришли к выводу о целесообразности использования в вычислительных машинах вместо электромеханических реле ламповых триггеров. В 1946 году под их руководством построена вычислительная машина "ЭНИАК" для баллистических расчетов. Она содержала 18000 электронных ламп и 1500 реле. Использование электронных ламп позволило резко (на два порядка) повысить скорость выполнения операций.

Анализируя работу этой машины, математик Дж. Нейман сформулировал основные концепции организации ЭВМ. В соответствии с этими концепциями началась разработка ЭВМ "ЭДВАК" - прообраза современных ЭВМ. Она была построена в 1950 году. А в 1949 году в Англии была введена в эксплуатацию первая в мире ЭВМ с хранимой в памяти программой - "ЭДСАК", созданная под руководством М. Уилкса.

Вычислительные машины "ЭДВАК" и "ЭДСАК" положили начало первому поколению ЭВМ - поколению ламповых машин (1945-1960 гг.). С начала 50-х годов было осуществлено много проектов ЭВМ, в каждом из которых применялись новые типы устройств, способы управления вычислительным процессом и обработки информации. Особое внимание уделялось улучшению характеристик памяти, поскольку в ламповых ЭВМ она была незначительной. Так в 1952 г. впервые были использованы ферритовые сердечники.

На этом закончим рассмотрение истории развития вычислительных машин и перейдем к принципам действия ЭВМ.

1.2. Основные характеристики ЭВМ

Первые электронные вычислительные машины (ЭВМ) появились всего лишь 50 лет тому назад. За это время микроэлектроника, вычислительная техника и вся индустрия информатики стали одними из основных составляющих мирового научно-технического прогресса. Влияние вычислительной техники на все сферы деятельности человека продолжает расширяться вширь и вглубь. 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, звуковую.

Электронная вычислительная машина - комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей. Под пользователем понимают человека, в

6

интересах которого проводится обработка данных на ЭВМ. В качестве пользователя могут выступать заказчики вычислительных работ, программисты, операторы. Как правил?, время подготовки задач во много раз превышает время их решения.

Требования пользователей к выполнению вычислительных работ удовлетворяются специальным подбором и настройкой технических и программных средств. Обычно эти средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру.

Структура - совокупность элементов и их связей. Различают структуры технических, программных и аппаратурно-программных средств. Выбирая ЭВМ для решения своих задач, пользователь интересуется функциональными возможностями технических и программных модулей (как быстро может быть решена задача, насколько ЭВМ подходит для решения данного круга задач, какой сервис программ имеется в ЭВМ, возможности диалогового режима, стоимость подготовки и решения задач и т.д.). При этом пользователь интересуется не конкретной технической и программной реализацией отдельных модулей, а более общими вопросами возможности организации вычислений. Последнее включается в понятие архитектуры ЭВМ, содержание которого достаточно обширно.

Архитектура ЭВМ - это многоуровневая иерархия аппаратурнопрограммных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ. В последующих разделах учебника эти вопросы подробно рассматриваются. Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной техники. Инженерысхемотехники проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы их сопряжения друг с другом. Системные программист создают программы управления техническими средствами, информационного взаимодействия между уровнями, организации вычислительного процесса. Программисты-прикладники разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и необходимый сервис при решении ими своих задач.

Самого же пользователя интересуют обычно более общие вопросы, касающиеся его взаимодействия с ЭВМ (человеко-машинного интерфейса), начиная со следующих групп характеристик ЭВМ, определяющих ее структуру:

технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, показатели надежности, достоверности, точности, емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и программных средств, особенности эксплуатации и др.);

7

характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; возможность расширения состава технических и программных средств; возможность изменения структуры;

состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).

Одной из важнейших характеристик ЭВМ является ее быстродействие, которое характеризуется числом команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду. Поскольку в состав команд ЭВМ включаются операции, различные по длительности выполнения и по вероятности их использования, то имеет смысл характеризовать его или средним быстродействием ЭВМ, или предельным (для самых ―коротких‖ операций типа ―регистр-регистр‖). Современные вычислительные машины имеют очень высокие характеристики по быстродействию, измеряемые десятками и сотнями миллионов операций в секунду. Например, в ближайшее время ожидается появление микропроцессора совместного производства фирм Intel и HewlettPackard (шифр Р7), быстродействие которого должно достичь миллиарда операций в секунду.

Реальное или эффективное быстродействие, обеспечиваемое ЭВМ, значительно ниже, и оно может сильно отличаться в зависимости от класса решаемых задач. Сравнение по быстродействию различных типов ЭВМ, резко отличающихся друг от друга своими характеристиками, не обеспечивает достоверных оценок. Поэтому очень часто вместо характеристики быстродействия используют связанную с ней характеристику производительности -объем работ, осуществляемых ЭВМ в единицу времени. Например, можно определять этот параметр числом задач, выполняемых за определенное время. Однако сравнение по данной характеристике ЭВМ различных типов может вызвать затруднения. Поскольку оценка производительности различных ЭВМ является важной практической задачей, хотя такая постановка вопроса также не вполне корректна, были предложены к использованию относительные характеристики производительности. Так, например, фирма Intel для оценки процессоров предложила тест, получивший название индекс iCOMP (Intel

Comparative Microprocessor Performance). При его определении учитываются четыре главных аспекта производительности: работа с целыми числами, с плавающей точкой, графикой и видео. Данные имеют 16- и 32-разрядное представление. Каждый из восьми параметров при вычислении участвует со своим весовым коэффициентом, определяемым по усредненному соотношению между этими операциями в реальных задачах (табл. 1).

Таблица 1

Индекс iCOMP

8

По индексу iCOMP микропроцессор Pentium 100 имеет значение 810, а

Pentium 133-1000.

Другой важнейшей характеристикой ЭВМ является емкость запоминающих устройств. Емкость памяти измеряется количеством структурных единиц информации, которое может одновременно находиться в памяти. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти.

Наименьшей структурной единицей информации является бит - одна двоичная цифра. Как правило, емкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения - байтах (байт равен восьми битам). Следующими единицами измерения служат 1 Кбайт = 210 1024 байта, 1 Мбайт = 210Kбaйтa = = 220 байта, 1 Гбайт = 210 Мбайта = 2м Кбайта = 230 байта.

Обычно отдельно характеризуют емкость оперативной памяти и емкость внешней памяти. В настоящее время персональные ЭВМ могут иметь емкость оперативной памяти, равную 4-32 Мбайтам и даже больше. Этот показатель очень важен для определения, какие программные пакеты и их приложения могут одновременно обрабатываться в машине.

Емкость внешней памяти зависит от типа носителя. Так, емкость одной дискеты составляет 0,3-3 Мбайта в зависимости от типа дисковода и характеристик дискет. Емкость жесткого диска может достигать нескольких Гбайтов, емкость компакт-диска (CD ROM) - сотни Мбайтов (640 Мбайт и выше) и т.д. Емкость внешней памяти характеризует объем программного обеспечения и отдельных программных продуктов, которые могут устанавливаться в ЭВМ. Например, для установки операционной среды Windows 95 требуется объем памяти жесткого диска более 100 Мбайт и не менее 8-16 Мбайт оперативной памяти ЭВМ.

Надежность - это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени (стандарт ISO (Международная организация стандартов) 23 82/14-78).

Высокая надежность ЭВМ закладывается в процессе ее производства. Переход на новую элементную базу - сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) резко сокращает число используемых интегральных схем, а значит,

9