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 Цетрального 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. – 195 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.

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

УДК 004

ББК 32.81Я7

© ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», 2013

Содержание

Введение 7

МОДУЛЬ 1. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ 8

1 Основные понятия вычислительной техники и принципы организации вычислительных систем 8

1.1 Основные понятия и определения 8

1.2 Принципы организации вычислительных машин и систем 11

1.3 Основные характеристики вычислительных машин и 16

систем 16

1.4 Многоуровневая организация вычислительных процессов 18

Вопросы для самопроверки 20

2 Простейшие типовые элементы вычислительных машин 21

2.1 Комбинационные схемы 21

2.2 Автоматы с памятью 24

2.3 Триггеры 26

2.4 Проблемы и перспективы развития элементной базы 28

вычислительных машин 28

Вопросы для самопроверки 33

3 Функциональные узлы комбинационного и 34

последовательного типов 34

3.1 Функциональные узлы последовательного типа 34

3.1.1 Регистры 34

3.1.2 Счётчики 36

3.1 Функциональные узлы комбинационного типа 38

3.2.1 Шифраторы и дешифраторы 38

3.2.2 Компараторы 40

3.2.3 Сумматоры 41

Вопросы для самопроверки 42

4 Функциональная организация процессора 44

4.1 Основные характеристики и классификация процессоров 44

4.2 Физическая и функциональная структура процессора 48

4.2.1 Операционное устройство процессора 49

4.2.2 Шинный интерфейс процессора 53

4.3 Архитектурные принципы организации RISC-процессоров 54

4.4 Производительность процессоров и архитектурные 57

способы её повышения 57

Вопросы для самопроверки 62

5 Организация работы процессора 63

5.1 Классификация и структура команд процессора 63

5.2 Способы адресации данных и команд 66

5.2.1 Способы адресации данных 66

5.2.2 Способы адресации команд 72

5.3 Поток управления и механизм прерываний 74

Вопросы для самопроверки 82

6 Современное состояние и тенденции развития процессоров 83

6.1 Архитектурные особенности процессоров Pentium 83

6.2 Программная модель процессоров Pentium 86

6.2.1 Прикладная программная модель процессоров Pentium 86

6.2.2 Системная программная модель процессоров Pentium 87

6.2.3 Система команд и режимы адресации процессоров 88

Pentium 88

6.3 Аппаратная организация защиты в процессорах Pentium 88

6.4 Аппаратные средства поддержки многозадачности 93

6.5 Перспективы развития процессоров 95

Вопросы для самопроверки 96

7 Память. Организация памяти. 98

7.1 Иерархическая организация памяти 98

7.2 Классификация запоминающих устройств 99

7.3 Структура основной памяти 102

7.4 Память с последовательным доступом 105

7.5 Ассоциативная память 108

7.6 Организация флэш-памяти 110

7.7 Архитектурные способы повышения скорости обмена между процессором и памятью 112

Вопросы для самопроверки 116

8 Управление памятью. Виртуальная память 118

8.1 Динамическое распределение памяти 118

8.2 Сегментная организация памяти 120

8.3 Страничная организация памяти 123

8.4 Сегментно-страничная организация памяти 125

Вопросы для самопроверки 127

9 Организация ввода-вывода информации. Системная шина 128

9.1 Организация шин. Системная шина 128

9.1.1 Структура системной шины 128

9.1.2 Протокол шины 132

9.1.3 Иерархия шин 134

9.2 Организация взаимодействия между периферийными устройствами и процессором и памятью вычислительных машин 137

9.3 Внешние интерфейсы вычислительных машин 141

9.3.1 Параллельный порт LPT и интерфейс Centronics 142

9.3.1 Последовательный порт COM и интерфейс RS-232C 142

9.3.3 Универсальная последовательная шина USB 144

9.3.4 Беспроводные интерфейсы 145

Вопросы для самопроверки 146

МОДУЛЬ 2. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ 147