МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ-УЧЕБНО-НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС»

О.В. Конюхова

Архитектура вычислительных систем. Вычислительные машины, системы и сети

Рекомендовано ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» для

использования в учебном процессе в качестве учебного пособия для высшего профессионального образования

Орел, 2013

УДК 004

ББК 32.81Я7

К 65

Рецензенты:

кандидат технических наук, доцент кафедры «Информационные

системы» Федерального государственного образовательного

учреждения высшего профессионального образования «Государственный университет – учебно-научно-производственный комплекс»

А.П. Гордиенко,

доктор технических наук, профессор, заместитель директора филиала Федерального государственного унитарного предприятия «Радиочастотный центр

Центрального федерального округа» в Орловской области

А.П. Фисун

Конюхова, О.В.

Архитектура вычислительных систем. Вычислительные машины, системы и сети/ О.В. Конюхова. – Орел: ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», 2013. – 197 с.

К 65 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.

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 вычислительных систем» для студентов направлений 230400.62 «Информационные системы и технологии», 231000.62 «Программная инженерия»; «Вычислительные машины, системы и сети» для студентов специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств»; «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации» для студентов направления 230700.62 «Прикладная информатика».

Предназначено для студентов направлений 230400.62 «Информационные системы и технологии», 231000.62 «Программная инженерия», 230700.62 «Прикладная информатика», специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств». Может быть полезно студентам других специальностей при изучении информатики и программирования.

УДК 004

ББК 32.81Я7

© ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», 2013

Содержание

6

1. Основные понятия вычислительной 7

техники и принципы организации 7

вычислительных систем 7

1.1. Основные понятия и определения 7

1.2. Принципы организации вычислительных машин и систем 10

1.3. Основные характеристики вычислительных машин и 15

систем 15

1.4. Многоуровневая организация вычислительных процессов 17

Вопросы для самопроверки 19

2. Простейшие типовые элементы 21

вычислительных машин 21

2.1. Комбинационные схемы 22

2.2. Автоматы с памятью 26

2.3. Триггеры 28

2.4. Проблемы и перспективы развития элементной базы 30

вычислительных машин 30

Вопросы для самопроверки 35

3. Функциональные узлы комбинационного и 36

последовательного типов 36

3.1. Функциональные узлы последовательного типа 36

3.1. Функциональные узлы комбинационного типа 40

Вопросы для самопроверки 45

4. Функциональная организация процессора 47

4.1. Основные характеристики и классификация процессоров 47

4.2. Физическая и функциональная структура процессора 51

4.3. Архитектурные принципы организации 57

RISC-процессоров 57

4.4. Производительность процессоров и архитектурные 60

способы её повышения 60

Вопросы для самопроверки 65

5. Организация работы процессора 66

5.1 Классификация и структура команд процессора 66

5.2. Способы адресации данных и команд 69

5.3. Поток управления и механизм прерываний 77

Вопросы для самопроверки 85

6 Современное состояние и тенденции 87

развития процессоров 87

6.1. Архитектурные особенности процессоров Pentium 87

6.2. Программная модель процессоров Pentium 90

6.3. Аппаратная организация защиты в процессорах Pentium 92

6.4. Аппаратные средства поддержки многозадачности 97

6.5. Перспективы развития процессоров 99

Вопросы для самопроверки 100

7. Память. Организация памяти 102

7.1. Иерархическая организация памяти 102

7.2. Классификация запоминающих устройств 103

7.3. Структура основной памяти 107

7.4. Память с последовательным доступом 109

7.5. Ассоциативная память 112

7.6. Организация флэш-памяти 114

7.7. Архитектурные способы повышения скорости обмена между процессором и памятью 117

Вопросы для самопроверки 121

8. Управление памятью. Виртуальная память 123

8.1. Динамическое распределение памяти 123

8.2. Сегментная организация памяти 125

8.3. Страничная организация памяти 128

8.4. Сегментно-страничная организация памяти 131

Вопросы для самопроверки 132

9. Организация ввода-вывода информации. Системная шина 133

9.1. Организация шин. Системная шина 133

9.2 Организация взаимодействия между периферийными устройствами и процессором и памятью вычислительных машин 144

9.3. Внешние интерфейсы вычислительных машин 147

Вопросы для самопроверки 153

МОДУЛЬ 2. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ 154

10. Вычислительные системы параллельной обработки. Многопроцессорные и многоядерные системы 154

10.1. Параллельная обработка информации 155

10.2. Классификация систем параллельной обработки данных 157

10.3. Вычислительные системы на кристалле. Многоядерные системы 165

10.4. Тенденции развития ВС 170

Вопросы для самопроверки 171

11. Организация микроконтроллеров и микроконтроллерных систем 172

11.1. Общие сведения о системах управления 172

11.2. Организация микроконтроллеров и микроконтроллерных систем 174

11.3. Области применения и тенденции развития МК 179

Вопросы для самопроверки 180

МОДУЛЬ 3. ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СЕТИ 181

12. Организация компьютерных сетей 181

12.1. Обобщённая структура компьютерных сетей 181

12.2. Классификация компьютерных сетей 183

Вопросы для самопроверки 188

13. Стандартизация компьютерных сетей. Эталонная модель взаимодействия открытых систем 189

13.1. Понятие «открытой системы». Взаимодействие 189

открытых систем 189

13.2. Эталонная модель взаимодействия открытых систем 191

13.3. Структура блоков информации 192

Вопросы для самопроверки 197

ЛИТЕРАТУРА 198

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 вычислительных 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 вычислительных 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 вычислительных систем» для студентов направлений 230400.62 «Информационные системы и технологии», 231000.62 «Программная инженерия»; «Вычислительные машины, системы и сети» для студентов специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств»; «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации» для студентов направления 230700.62 «Прикладная информатика». Может быть полезно студентам других специальностей при изучении информатики и программирования.

МОДУЛЬ 1. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ