А.М. Нечаев, Н.М. Вершинина, Е.В. Устинов (ред.) | Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей. Учебник (2025) [PDF]

Оглавление
Введение ..........................................................................................................3
Тема 1
ЭВМ как средство обработки информации............................................................5
1.1. Назначение и основные принципы построения вычислительных систем...........5
1.1.1. Основные понятия и определения в области организации
вычислительных систем...............................................................................5
1.1.2. Программируемые системы и системы на «жесткой логике» ..................6
1.1.3. Понятие о процессоре.................................................................................8
1.1.4. Структура вычислительной системы.........................................................10
1.1.5. Режимы работы вычислительной системы................................................13
1.1.6. Архитектура микропроцессорных систем................................................16
1.1.7. Логические основы ЭВМ............................................................................18
1.1.8. Логические основы ВМ..............................................................................19
1.1.9. Логические функции и способы их представления.................................24
1.1.10. Логические законы и правила преобразования
логических выражений..............................................................................32
1.1.11. Примеры решения логических задач средствами алгебры логики
(построение таблиц истинности для логических функций)....................35
1.1.11.1. Пример построения логических схем......................................36
1.1.11.2. Составление логической формулы по заданной таблице......38
1.1.12. Функциональные схемы логических устройств .....................................40
1.1.13. Техническая интерпретация логических функций ................................45
1.2. Классификация ЭВМ...............................................................................47
1.2.1. Классификация ЭВМ по принципу действия...........................................47
1.2.2. Классификация ЭВМ по этапам создания ..............................................49
1.2.3. Классификация ЭВМ по назначению.......................................................50
1.2.4. Классификация ЭВМ по размерам и функциональным
возможностям............................................................................................50
1.3. Основные области и формы использования ЭВМ различных классов............52
Вопросы для самопроверки......................................................................................57
Тема 2
Устройство персонального компьютера......................................................................58
2.1. Фон-неймановская архитектура ЭВМ.................................................................58
2.2. Структурная схема устройства персонального компьютера.............................59
2.3. Классификация технических средств, входящих в состав
персонального компьютера..............................................................................60
2.4. Устройство и принцип работы блока питания.....................................................67
2.5. Арифметические основы. Системы счисления. Машинные коды.....................78
2.5.1. Преобразование чисел из одной системы счисления в другую..............84
2.5.1.1. Перевод из десятичной системы счисления в двоичную
шестнадцатеричную и восьмеричную с/с........................................................85
2.5.1.2. Перевод из двоичной, шестнадцатеричной
и восьмеричной систем счисления в десятичную...........................................86
2.5.2. Двоично-восьмеричные и двоично-шестнадцатеричные преобразования....88
2.5.2.1. Перевод из двоичной системы счисления в восьмеричную......88
2.5.2.2. Перевод восьмеричного числа в двоичную форму....................89
2.5.2.3. Перевод из двоичной системы счисления
в шестнадцатеричную................................................................................89
2.5.2.4. Перевод шестнадцатеричного числа в двоичную форму..........89
2.6. Перевод смешанных чисел..................................................................................90
2.6.1. Перевод правильных дробей из десятичной системы
счисления в двоичную и шестнадцатеричную..........................................90
2.6.2. Перевод неправильных дробей из десятичной системы
счисления в двоичную и шестнадцатеричную..........................................91
2.7. Арифметические операции в позиционных системах счисления.....................92
2.8. Выбор системы счисления...................................................................................95
2.9. Кодирование как процесс представления информации
в цифровом виде..................................................................................................99
2.9.1. Общее понятие о кодировании.................................................................99
2.9.2. Кодирование символьных данных...........................................................101
2.9.3. Формы представления чисел с фиксированной
и плавающей запятой..............................................................................104
2.9.4. Естественная форма представления чисел
(с фиксированной запятой).....................................................................105
2.9.5. Нормальная форма представления чисел (с плавающей запятой).....107
2.9.6. Кодирование двоичных чисел.................................................................113
2.10. Внутреннее представление вещественных чисел в памяти ЭВМ..................118
2.10.1. Особые случаи во внутреннем представлении чисел
с плавающей точкой..............................................................................119
2.10.2. Двоичная машинная арифметика.........................................................121
2.10.3. Арифметические операции над числами
с фиксированной точкой.......................................................................123
2.10.4. Арифметические операции над двоичными числами
с плавающей точкой..............................................................................125
Вопросы для самопроверки......................................................................................125
Тема 3
Типы и логическое устройство материнских плат....................................................126
3.1. Устройство системной (материнской) платы....................................................126
3.1.1. Печатная плата.........................................................................................128
3.1.2. Чипсет.......................................................................................................129
3.1.2.1. Основные функции северного моста........................................131
3.1.2.2. Основные функции южного моста.............................................138
3.1.3. BIOS (Basic Input-Output System).............................................................139
3.1.4. Другие элементы материнской платы.....................................................140
3.2. Классификация и технические характеристики материнских плат................141
3.3. Интегрированные материнские платы..............................................................143
3.4. Как выбрать материнскую плату? Пошаговая инструкция..............................145
Вопросы для самопроверки......................................................................................154
Тема 4
Типы и устройство процессоров. Система команд процессора............................155
4.1. Типы процессоров..............................................................................................155
4.2. Назначение и структура центрального процессора, состав устройств...........174
4.2.1. Ядро процессора......................................................................................175
4.2.2. Принцип работы ядра процессора..........................................................178
4.2.3. Способы повышения производительности ядра процессора................179
4.2.3.1. Конвейеризация..........................................................................179
4.2.3.2. Суперскалярность......................................................................183
4.2.3.3. Параллельная обработка данных..............................................183
4.2.3.4. Технология Hyper-threading........................................................184
4.2.3.5. Технология Turbo Boost..............................................................185
4.2.3.6. Эффективность выполнения команд........................................186
4.2.4. Способы снижения энергопотребления процессора.............................189
4.2.5. Кэш-память...............................................................................................191
4.3. Система команд процессора.............................................................................193
4.3.1. Команды пересылки данных....................................................................195
4.3.2. Арифметические команды......................................................................196
4.3.3. Логические команды................................................................................197
4.3.4. Команды переходов.................................................................................199
4.4. Регистры процессора.........................................................................................202
4.5. Система прерываний процессора.....................................................................208
4.5.1. Прерывания и цикл команды...................................................................209
4.5.2. Обработка прерываний............................................................................213
4.5.3. Множественные прерывания...................................................................216
4.6. Многозадачный режим работы процессора......................................................219
4.6.1. Типы псевдопараллельной многозадачности........................................220
4.7. Классификация и технические характеристики процессоров........................222
4.8. RISC-, CISC-, VLIW- и MISC-процессоры, их использование
в ЭВМ будущих поколений.................................................................................225
4.9. В чем разница между процессорами i3, i5, i7 и i91?........................................227
Вопросы для самопроверки......................................................................................228
Тема 5
Типы и устройство памяти вычислительных машин.................................................229
5.1. Оперативная память...........................................................................................230
5.1.1. Назначение оперативной памяти............................................................230
5.1.2. Основные принципы построения оперативной памяти..........................231
5.2. Статическая и динамическая память................................................................235
5.2.1. Динамическая память (DRAM) и ее типы...............................................235
5.2.2. Статическая память (SRAM)....................................................................241
5.3. Синхронный и асинхронный интерфейсы обращения
к оперативной памяти.........................................................................................242
5.4. Регенерация оперативной памяти.....................................................................243
5.5. Технические параметры модулей оперативной памяти...................................245
5.6. Система прямого доступа к оперативной памяти............................................248
Вопросы для самопроверки......................................................................................249
Тема 6
Система ввода-вывода и организация взаимодействия
с периферийными устройствами................................................................................250
6.1. Взаимодействие центральных и периферийных устройств
организация ввода-вывода информации..........................................................250
6.1.1. Интерфейсы связи с периферийными устройствами
устройствами ввода-вывода и другими ЭВМ..........................................250
6.1.2. Интерфейсы шин связи южного моста с жесткими дисками................254
6.1.3. Интерфейсы связи с медленными компонентами
материнской платы..................................................................................257
6.2. Классификация периферийных устройств.......................................................258
6.3. Способы подключения периферийных устройств............................................258
6.4. Беспроводные интерфейсы...............................................................................260
6.5. Периферийные устройства................................................................................263
6.5.1. Устройства ввода......................................................................................264
6.5.1.1. Компьютерная клавиатура.........................................................264
6.5.1.2. Указательные (координатные) устройства................................280
6.5.1.3. Устройства ввода графической информации...........................298
6.5.1.4. Устройства ввода звуковой информации..................................313
6.5.2. Устройства вывода...................................................................................319
6.5.2.1. Устройства вывода графической информации........................319
6.5.2.2. Устройства вывода звуковой информации...............................361
6.5.3. Устройства ввода-вывода.........................................................................364
Вопросы для самопроверки......................................................................................371
Тема 7
Сети ЭВМ, информационно-вычислительные системы и сети..............................373
7.1. Основы сети передачи данных..........................................................................373
7.2. Эталонная модель TCP/IP..................................................................................379
7.3. Типы сетей и типы топологии.............................................................................390
Вопросы для самопроверки......................................................................................403
Тема 8
Архитектурные особенности многомашинных
и многопроцессорных параллельных вычислительных систем............................405
8.1. Многопроцессорные системы и многомашинные вычислительные
системы: назначение, уровни организации взаимодействия..........................405
8.2. Суперкомпьютеры............................................................................................407
8.3. Конвейерные, ассоциативные, матричные, потоковые
параллельные ИВС.............................................................................................413
8.4. Классификация и особенности архитектуры параллельных
систем различных типов.....................................................................................421
8.5. Уровни и средства комплексирования средств вычислительной
техники................................................................................................................424
Вопросы для самопроверки......................................................................................427
Заключение ...........................................................................................................428
Список рекомендуемой литературы..........................................................................429