«национальный исследовательский томский политехнический университет»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

А.Д. Чередов

ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ И СИСТЕМ

Рекомендовано в качестве учебного пособия

Редакционно-издательским советом

Томского политехнического университета

3-е издание, переработанное и дополненное


Издательство

Томского политехнического университета

2011

	УДК 004.38+004.7(075.8) ББК 32.973+32.973.202я73 Ч–462
Ч–462	Чередов А.Д. Организация ЭВМ и систем: учебное пособие / А.Д. Чередов; Томский политехнический университет. – 3-е изд., перераб. и доп. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 200 с.

В учебном пособии рассматриваются основные вопросы, связанные с организацией ЭВМ и систем: архитектуры, характеристики и классификация ЭВМ; функциональная и структурная организация ЭВМ и центрального процессора; принципы организации подсистемы памяти ЭВМ и вычислительных систем; принципы организации подсистемы ввода-вывода; архитектуры и способы организации многопроцессорных вычислительных систем.

Учебное пособие подготовлено на кафедре вычислительной техники ТПУ и предназначено для студентов ИДО, обучающихся по специальности 230101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».

УДК 004.38+004.7(075.8)

ББК 32.973+32.973.202я73

Рецензенты
Кандидат технических наук,

начальник отдела корпоративной сети ОАО «Востокгазпром»

П.М. Острасть
Кандидат технических наук,
доцент кафедры программирования ТГУ

С.А. Останин

© Томский политехнический университет», 2000

© Чередов А.Д., 2000

© Оформление. Издательство Томского
политехнического университета, 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

В последнее десятилетие в России бурно осуществляется информатизация и компьютеризация всех сфер человеческой деятельности. Компьютеры или электронные вычислительные машины (ЭВМ), оснащенные специальным программным обеспечением, являются технической базой и инструментом для вычислительных, информационных и автоматизированных систем.

При изучении дисциплины «Организация ЭВМ» в процессе подготовки бакалавров по направлению «Информатика и вычислительная техника» и дипломированных специалистов по специальности «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» студенты используют знания, умения и навыки, полученные по дисциплинам «Информатика», «Дискретная математика», «Теория информации», которые являются пререквизитами данной дисциплины.

Целью дисциплины «Организация ЭВМ» является освоение теоретических основ функциональной и структурной организации ЭВМ, включающих архитектуры ЭВМ, технические характеристики, классификации, особенности организации различных типов ЭВМ и ее составных частей (процессора, памяти, ввода-вывода), а также современное состояние и тенденции развития средств вычислительной техники.

В результате изучения этой дисциплины студент должен уметь применять полученные знания для решения практических задач: проводить анализ всего многообразия типов ЭВМ, осуществлять анализ параметров основных технических средств ЭВМ, выбирать, комплексировать и тестировать аппаратные средства вычислительных систем. Он должен владеть навыками конфигурирования компьютеров различного назначения.

Знания, умения и навыки, полученные при изучении дисциплины «Организация ЭВМ», необходимы для освоения ряда других дисциплин: «Операционные системы», «Периферийные устройства», «Сети и телекоммуникации» и др.

В процессе освоения дисциплины у студентов формируются компетенции, дающие им возможность разрабатывать технические задания на оснащение отделов, лабораторий, офисов компьютерным оборудованием, осуществлять наладку и обслуживание этого оборудования.

В предлагаемом вниманию читателя учебном пособии рассматриваются современные проблемы, связанные с функциональной и структурной организацией ЭВМ и её составных частей. Учебное пособие состоит из шести глав.

В первой главе даются основные понятия и определения, относящиеся к ЭВМ, подробно рассматриваются однопроцессорные архитектуры компьютеров (SISD, SIMD, CISC, RISC, VLIW, EPIC), приводятся технические и эксплуатационные характеристики, классификации ЭВМ с кратким описанием истории развития, современного состояния и функциональных особенностей различных типов компьютеров (мэйнфреймов, суперЭВМ, рабочих станций, серверов, персональных компьютеров и т.д.).

Вторая глава посвящена изложению основ функциональной
и структурной организации ЭВМ. В ней содержится описание типов данных, используемых в процессорах интеловской архитектуры (IA-32, IA-64, MMX, SSE, SSE2 и др.), способов адресации данных, структур и форматов команд CISC- и RISC-процессоров, обобщенной структуры ЭВМ.

В третьей главе излагаются основы функциональной и структурной организации центрального процессора ЭВМ: определяется состав и назначение основных устройств процессора; описываются регистровые структуры процессоров IA-32, x86-64, IA-64, особенности многоядерных микроархитектур Intel Core, Intel Nehalem; структуры универсальных микропроцессоров Intel Nehalem, Intel Westmere, AMD K10.

В четвертой главе описываются принципы организации подсистемы памяти компьютера: рассматривается иерархическая структура памяти компьютера; способы организации кэш-памяти; принципы организации оперативной памяти и методы повышения её пропускной способности. Особое внимание уделяется реализации виртуальной памяти.

В пятой главе рассматриваются особенности организации системного интерфейса и ввода/вывода информации: даётся общая характеристика и классификация интерфейсов; описываются способы организации передачи данных и системной организации компьютеров на базе чипсетов Intel и AMD.

В шестой главе кратко описываются архитектуры и классификации многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем (MISD, MIMD, SMP, MPP и др.).

В приложении 1 приведены контрольные вопросы и задания для самопроверки.