Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Организация ЭВМ и систем. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Оренбургский государственный университет»
В.В. Извозчикова
ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ И СИСТЕМ
Учебное пособие
Рекомендовано ученым советом федерального государственного
бюджетного образовательного учреждения высшего образования
«Оренбургский государственный университет» для обучающихся по
образовательной программе высшего образования по направлению
подготовки 09.03.02 Информационные системы и технологии
Оренбург
2024
УДК 004.3/.4’23(075.8)
И62
ББК 32.973-018.я73
И62
Рецензент – доцент, кандидат технических наук А. Н. Колобов
Извозчикова, В. В.
Организация ЭВМ и систем: учебное пособие / В. В. Извозчикова;
Оренбургский гос. ун.-т. – Оренбург : ОГУ, 2024. – 159 с.
В учебном пособии рассматривается комплекс вопросов, предусмотренных учебной программой по дисциплине «Организация ЭВМ и систем».
Учебное пособие включает теоретический материал по структурной и
функциональной организации и функционированию современных вычислительных машин, что позволит изучить базовые понятия по элементам архи-
тектуры ЭВМ и понять функционирование аппаратных средств информационных систем.
Учебное пособие предназначено для изучения теоретического материа-
ла по дисциплине "Организация ЭВМ и систем" и для его дальнейшего ис-
пользования при изучении дисциплин, связанных с техническим и про-
граммным обеспечением информационных систем для обучающихся по
направлению подготовки 09.03.02 Информационные системы и технологии.
УДК 004.3/.4’23(075.8)
ББК 32.973-018.я73
©Извозчикова В.В., 2024
© ОГУ, 2024
Содержание
Введение ............................................................................................................................... 6
1 Основные характеристики, области применения ЭВМ различных классов.
История развития вычислительных систем ...................................................................... 8
1.1 Классификация компьютеров ................................................................................ 8
1.2 Краткая история появления параллелизма в архитектуре ЭВМ ...................... 13
1.3 Вопросы для закрепления материала по первому разделу ............................... 18
2 Функциональная и структурная организация ЭВМ ................................................... 19
2.1 Функциональная организация ЭВМ .................................................................... 19
2.2 Структурная организация ЭВМ ........................................................................... 19
2.3 Декомпозиция вычислительного устройства на операционные и
управляющие блоки .......................................................................................................... 20
2.4 Логическая схема функционирования ЭВМ ...................................................... 22
2.5 Состав процессора и его рабочий цикл ............................................................... 24
2.6 Структура современной ЭВМ класса больших ЭВМ (мейнфреймов) ........... 27
2.7 Структура мини- и микро- ЭВМ .......................................................................... 28
2.8 Конвейерная организация ЭВМ ........................................................................... 29
2.9 Микропрограммная интерпретация языка команд ЭВМ .................................. 34
2.10 Вопросы для закрепления материала по второму разделу ............................. 39
3 Арифметические основы ЭВМ ..................................................................................... 40
3.1 Системы счисления, применяемые в ЭВМ ......................................................... 40
3.2 Перевод чисел из одной системы счисления в другую ..................................... 43
3.3 Вопросы для закрепления материала по третьему разделу .............................. 50
4 Кодирование числовой информации. Представление чисел в ЭВМ ........................ 51
4.1 Машинные коды для представления чисел ........................................................ 51
4.2 Признаки переполнения разрядной сетки .......................................................... 55
3
4.3 Формы представления чисел в памяти ЭВМ ...................................................... 61
4.4 Представление целых чисел в памяти ЭВМ ....................................................... 61
4.5 Представление действительных чисел в памяти ЭВМ ..................................... 63
4.6 Вопросы для закрепления материала по четвертому разделу .......................... 68
5 Логические основы ЭВМ ............................................................................................... 69
5.1 Основные положения теории булевых функций ............................................... 69
5.2 Исследование логических элементов из базы программы ............................... 78
5.3 Реализация на логических элементах произвольно заданной функции .......... 78
5.4 Вопросы и задания для закрепления материала по пятому разделу ............... 83
6 Особенности CISC и RISC архитектуры в микропроцессорных системах .............. 84
6.1 Общие принципы и перспективы развития CISC и RISC архитектур ............. 84
6.2 Общие принципы и перспективы развития RISC-архитектуры ....................... 88
6.3 Берклийская архитектура ..................................................................................... 90
6.4 Станфордская архитектура ................................................................................... 93
6.5 Особенности интеграции элементов RISC-архитектуры в процессорах
серии x86 ............................................................................................................................ 95
6.6 Вопросы для закрепления материала по шестому разделу............................. 100
7 Организация ЭВМ на базе МП Intel ........................................................................... 101
7.1 Структура микропроцессора .............................................................................. 101
7.2 Регистровая (программистская) модель МП ВМ86 ......................................... 102
7.3 Состав микропроцессора .................................................................................... 103
7.4 Адресное пространство основной памяти ........................................................ 109
7.5 Организация ввода-вывода ................................................................................. 115
7.6 Организация прерываний ................................................................................... 118
7.7 Вопросы для закрепления материала по седьмому разделу ........................... 125
4
8 Организация и функционирование ЭВМ на ассемблерном уровне ........................ 126
8.1 Изучение машинных форматов команд ............................................................ 126
8.2 Машинные форматы команд .............................................................................. 129
8.3 Режимы адресации .............................................................................................. 135
8.4 Ассемблерный уровень архитектуры ЭВМ ...................................................... 145
8.5 Вопросы для закрепления материала по восьмому разделу ........................... 155
Заключение....................................................................................................................... 156
Список использованных источников ............................................................................ 157
5
Введение
Основой современных информационных систем и технологий, их базисом, яв-
ляются аппаратные средства ЭВМ и систем. Поэтому данное учебное пособие по-
священо систематическому изложению принципов организации и функционирова-
ния современных вычислительных машин.
В первой главе рассмотрены основные характеристики, области применения
ЭВМ различных классов. Показана эволюция ЭВМ и систем и последовательность
идей, которые предопределили современное состояния в области вычислительной
техники.
Во второй главе рассматриваются базовые понятия «структурная организа-
ция» и «функциональная организация (архитектура)» ЭВМ и систем, уровни аб-
стракции, на которых эти понятия могут быть раскрыты, приведена декомпозиция
вычислительного устройства на операционные и управляющие блоки.
Третья и четвертая главы посвящены арифметическим основам ЭВМ. Матема-
тической основой цифровой вычислительной техники является двоичная система
счисления, выбор которой был продиктован требованиями простоты технической
реализации самых сложных задач с использованием всего одного базового элемента,
который называется ключом. Ключ имеет два состояния: включен (замкнут) или
выключен (разомкнут). В цифровой технике практические аналоги такого ключа
называют логическими элементами, которые, в зависимости от выполняемых функ-
ций, имеют свои названия и соответствующие графические обозначения. В четвер-
той главе рассмотрены вопросы кодирования целочисленной информации и инфор-
мации с плавающей точкой.
В пятой главе рассмотрены вопросы логической организации ЭВМ. Теорети-
ческой базой обработки логической информации является Булева алгебра логики.
Эта двузначная алгебра была разработана для формального описания логических
построений задолго до появления первых ЭВМ. Элементы этой алгебры могут иметь
одно из двух значений: истина и ложь. Распространенной формой задания логиче-
ских функций являются таблицы истинности. Базовыми функциями булевой алгеб-
6
ры являются отрицание, конъюнкция, дизъюнкция. Для упрощения логических
функций используются тождества алгебры логики. В АЛУ ЭВМ имеется набор эле-
ментарных логических устройств, соответствующих основным логическим операци-
ям. На входы логических устройств подаются двоичные сигналы.
Предметом внимания шестой главы являются общие принципы и перспективы
развития CISC и RISC архитектур. Существуют два основных подхода в развитии
микропроцессорных архитектур. Первый из них связан с ранними моделями процес-
соров и называется «МП с CISC» (Complete Instruction Set Computer) архитектурой,
что означает процессоры с полным набором инструкций. Примером таких процес-
соров является семейство 80х86. В последнее время сформировалась альтернативная
тенденция, которая противопоставляется увеличению сложности архитектуры про-
цессоров. Она заключается в создании относительно недорогих, но высокопроизво-
дительных компьютеров с использованием архитектуры, имеющей сокращенный
набор команд (СНК) и получившей в зарубежной литературе название RISC
(Reduced Instruction Set Computers) архитектуры, то есть компьютеров с сокращен-
ным набором команд.
Седьмая глава является основой для понимания принципов функционирования вы-
числительных систем с классической фон-неймановской архитектурой, построенных на базе МП Intel x86. Рассмотрены состав процессора, его регистровая модель,
организация основного адресного пространства и пространства ввода-вывода, организация системы прерываний.
В восьмой главе представлен материал по организации и функционированию
ЭВМ на ассемблерном уровне. Рассмотрены основные режимы адресации, а также
вопросы построения машинных форматов команд, и использования языка Ассем-
блера для изучения архитектуры ЭВМ.
7
1 Основные характеристики, области применения ЭВМ
различных классов. История развития вычислительных систем
1.1 Классификация компьютеров
Вспомним классическое разбиение компьютеров на классы.
1.1.1 Персональные компьютеры. Персональные компьютеры (ПК) возникли
как результат эволюции миникомпьютеров при переходе от элементной базы машин
с низкой и средней степенью интеграции к использованию более крупных и высоко
интегрированных интегральных схем. ПК быстро приобрели значительное присут-
ствие на рынке компьютеров благодаря относительно низкой стоимости и содей-
ствовали разработке нового программного обеспечения, ориентированного на ко-
нечного пользователя. Обычно эти системы являются однопроцессорными и рабо-
тают на платформах Intel или AMD, используя однопользовательские операционные
системы. Они в основном применяются в качестве персональных рабочих станций.
1.1.2 Рабочие станции. Рабочие станции являются прообразом и долгождан-
ным этапом в эволюции современных систем, в частности настольных систем высо-
кой производительности, которые в наши дни известны как рабочие станции. Такие
компьютеры, как правило, оснащены RISC-процессорами и работают под многопользовательскими операционными системами, входящими в семейство ОС UNIX.
Они обычно имеют от одного до четырех процессоров, предоставляют возможность
удаленного доступа и способны удовлетворить вычислительные потребности не-
больших групп пользователей.
1.1.3 Х-терминалы. Термин «X-терминалы» относится к интегрированным
устройствам, представляющим собой симбиоз бездисковых рабочих станций и стан-
дартных ASCII-терминалов. Бездисковые рабочие станции обычно использовались в
качестве дорогостоящих дисплеев и, таким образом, не полностью задействовали
свои вычислительные ресурсы. В то же время, многие пользователи ASCII термин-
лов стремились улучшить их характеристики, чтобы иметь возможность работать в
многооконной среде и использовать графические функции.
8
На рынке компьютерных устройств X-терминалы занимают промежуточное
положение между персональными компьютерами и рабочими станциями. Произво-
дители X-терминалов утверждают, что их продукты более экономичны по сравне-
нию с высококлассными рабочими станциями и предлагают повышенную произво-
дительность по сравнению с персональными компьютерами. Обычно стоимость X-
терминалов составляет около половины стоимости сходной по конфигурации без-
дисковой машины и примерно четверть стоимости полностью оснащенной рабочей
станции.
X-терминалы отличаются от персональных компьютеров и рабочих станций
не только тем, что они не выполняют локальную обработку данных. Их функциони-
рование зависит от центральной (хост) системы, к которой они подключены через
сеть.
Система X-Windows, также известная как X, представляет собой результат
совместной работы Массачусетского технологического института (MIT) и корпора-
ции DEC. X-Windows на сегодняшний день считается открытым стандартом для од-
новременного выполнения множества приложений с поддержкой многооконного
режима и высокоразрешающей графики на интеллектуальных терминалах, персо-
нальных компьютерах, рабочих станциях и X-терминалах. Эта система стала стан-
дартом для обеспечения совместимости различных поставщиков и обеспечения до-
ступа к разнообразным приложениям. В настоящее время X-Windows является стандартом для разработки пользовательского интерфейса, и более 90% поставщиков
UNIX-рабочих станций, а также многие производители персональных компьютеров,
адаптировали эту систему и используют ее как стандарт.
1.1.4 Серверы и суперсерверы. Серверные и суперсерверные системы научных
и коммерческих приложений, таких как системы управления базами данных, обра-
ботки транзакций, издательские платформы, сетевые приложения и системы комму-
никаций, все более настойчиво требуют перехода к модели вычислительных процес-
сов, известной как «клиент-сервер», а также к распределенной обработке данных. В
распределенной модели «клиент-сервер» сервер выполняет определенную часть вы-
числений, в то время как клиентский компьютер, который может быть интегрирован
9
с пользовательским компьютером, выполняет другие задачи. Существует несколько
разновидностей серверов, таких как файловые серверы, серверы баз данных, принт-
серверы, вычислительные серверы и серверы приложений, каждый из которых спе-
циализирован в управлении определенными ресурсами, такими как файловые си-
стемы, базы данных, принтеры, процессоры или прикладные программы. Термин
«сервер» различается в зависимости от вида управляемого ресурса, и на практике
термин «суперсервер» больше не используется, так как он не учитывает все аспекты
современных вычислительных систем.
1.1.5 Мейнфреймы. Мейнфреймы представляют собой синоним «крупных
универсальных компьютеров». Они остаются наиболее мощными общими вычисли-
тельными системами в наши дни, исключая суперкомпьютеры, и обеспечивают бес-
прерывную круглосуточную работу. Мейнфреймы могут включать один или не-
сколько процессоров, каждый из которых может быть оснащен векторными сопро-
цессорами, способными ускорять операции на уровне суперкомпьютеров. По сего-
дняшним представлениям, мейнфреймы всё ещё ассоциируются с крупными маши-
нами, требующими специальных помещений с системами водяного охлаждения и
кондиционирования воздуха. Тем не менее, прогресс в разработке компонентов поз-
волил значительно уменьшить размеры основных устройств.
1.1.6 Минисуперкомпьютеры и суперкомпьютеры. Минисуперкомпьютеры и
суперкомпьютеры являются объектами изучения, между которыми существует раз-
личие, аналогичное разнице между серверами и суперсерверами. Вопрос о том, как
точно выделить суперкомпьютер от обычного компьютера, вызывает затруднения. В
соответствии с определением, предложенным в Оксфордском толковом словаре по
вычислительной технике в 1986 году, суперкомпьютер - это сильно производительная электронно-вычислительная машина (ЭВМ) с производительностью свыше 10
миллионов операций с плавающей запятой в секунду (MFLOPS). В настоящее время
этот показатель достигается не только на рабочих станциях, но и на персональных
компьютерах. В начале 1990-х годов границу суперкомпьютера устанавливали око-
ло 300 MFLOPS. В 1996 году эксперты из двух ведущих стран в области суперком-
пьютеров, США и Японии, согласовали уровень производительности на уровне 5
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]