УДК 004.318
ББК 32.971.32-04
С34
Сибуя Митио
С34 Занимательная информатика. Центральный процессор. Манга /
Сибуя Митио (автор), Тонаги Такаси (худож.); пер. с яп. Клионского
А. Б. — М.: ДМК Пресс, 2017 — 250 с.: ил. — (Серия «Образовательная
манга»). — Доп. тит. л. яп.
ISBN 978-5-97060-507-3
Кацураги Аюми, чемпионка по японским шахматам сёги, встречает
таинственного незнакомца, который предлагает ей сыграть партию
с компьютером. Кто одержит верх в этом поединке — человек или машина?
И какую тайную цель преследует загадочный программист?
В книге просто и доступно объясняются основы вычислительной
техники, рассказывается об устройстве классического центрального
процессора (ЦПУ), принципах его работы и областях применения.
УДК 004.318
By Michio Shibuya (Author), Takashi Tonagi (Illustrator) and
Office sawa (Producer)
Published by Ohmsha, Ltd.
Manga de CPU (The Manga Guide to CPU)
Original Japanese edition
Russian language edition copyright © 2017 by DMK Press
3-1 Kanda Nishikicho, Chiyodaku, Tokyo, Japan
в лВсе права защищены. Никакая часть этого издания не может быть воспроизведена
юбой форме или любыми средствами, электронными или механическими, вклюхрчая
фотографирование, ксерокопирование или иные средства копирования или соанения
информации, без письменного разрешения издательства.
Книга «Занимательная информатика. Центральный процессор» Митио Сибуя и
Такаси Тонаги подготовлена и издана по договору с Ohmsha Ltd.
ISBN 978-4-274-05061-9 (яп.)
ISBN 978-5-97060-507-3
Copyright © 2014 by Michio Shibuya and Office sawa
© Перевод, оформление, издание, ДМК Пресс, 2017
ББК 32.971.32-04
Стр.5
содержание
Глава 1
что делает цпу? ............................................................ 1
• Компьютер работает с любой информацией ............................ 11
• Центр компьютера — центральный процессор ........................ 14
• Пять основных устройств компьютера ..................................................................16
• АЛУ — центральная часть ЦПУ ......................................................22
• ЦПУ выполняет операции и принимает решения ..................25
дополнительная информация ..................................30
• Что такое информация? ...................................................................30
• В чём разница между цифровой и аналоговой информацией? ........32
Глава 2
цифровые вычисления ............................................35
2.1. Мир компьютера — двоичные числа ....................36
• 0 и 1 — два взаимоисключающих состояния .....................................37
• Десятичные и двоичные числа ......................................................38
• Двоичное представление ................................................................40
• Представления с фиксированной и плавающей точками ....42
• Сложение и вычитание двоичных чисел ...................................44
2.2. что такое логические операции? ........................48
• Микросхемы содержат логические вентили ............................48
• Три основных вентиля (И, ИЛИ, НЕ) ........................................... 51
• Таблица истинности, диаграмма Венна ......................................53
• Логические вентили И (AND), ИЛИ (OR) и НЕ (NOT) ...........55
• Другие логические вентили (NAND, NOR, XOR) ....................57
VI
содержание
Стр.7
• Логические вентили NAND, NOR и XOR ...................................58
• Законы де Моргана ............................................................................60
2.3. схемы, выполняющие операции .........................62
• Сумматоры ............................................................................................62
• Полусумматор .....................................................................................64
• Полный сумматор, сумматор с последовательным переносом ....66
• Сумматоры с последовательным и параллельным переносом .....68
2.4. Запоминающие схемы ....................................70
• Нужно запоминать! .............................................................................70
• Основа запоминающих схем — триггер .....................................74
• RS-триггер ............................................................................................76
• D-триггер, тактовый сигнал ............................................................78
• Т-триггер, счётчик ............................................................................. 81
• Современные методы проектирования схем (CAD, FPGA) ...85
дополнительная информация ..................................85
Глава 3
устройство цпу ............................................................87
3.1. различные сведения про память и цпу .................88
• Адресация памяти ..............................................................................89
• Шина — это путь данных ..................................................................92
• Ширина шины и битность ................................................................94
• Управление чтением/записью, управление вводом/выводом .......98
• Команды состоят из кода операции и операндов ........................ 101
содержание
VII
Стр.8
• Для операций используются регистры — аккумулятор и другие ....103
• Классический ЦПУ .......................................................................................106
3.2. обработка команд в центральном процессоре ........ 106
• Обработка команд в ЦПУ ...............................................................107
• Счётчик команд позволяет изменять порядок выполнения .... 112
3.3. различные запоминающие устройства ................. 115
• Сравнение жёсткого диска и ОЗУ .................................................116
• Области RAM, ROM, I/O .................................................................119
• О пользе прерываний .....................................................................122
3.4. что такое прерывания? .................................. 122
• Стек и его указатель ........................................................................126
• Приоритеты прерываний ..............................................................128
• Типы памяти......................................................................................132
дополнительная информация ................................ 132
• Порты I/O, GPU ................................................................................133
• Тактовая частота и её точность....................................................134
• Тактовый генератор .........................................................................135
• Прерывания от таймера .................................................................136
• Действие сброса ...............................................................................138
• Определение производительности ЦПУ (значение FLOPS)...139
Глава 4
коМанды для выполнения операций ....141
4.1. типы команд ............................................. 142
• Различные типы команд ................................................................144
• Арифметические и логические команды ................................146
• Что такое сдвиг? ...............................................................................147
VIII
содержание
Стр.9
• Знаковый бит для представления отрицательных чисел ..............149
• Логический и арифметрический сдвиг .....................................151
• Циклический сдвиг .........................................................................154
• Команды пересылки данных ........................................................155
• Команды ввода-вывода ..................................................................156
• Команды ветвления .........................................................................157
• Команды ветвления, перехода и пропуска ..............................159
• Проверка условия и флаг состояния .....................................................................160
• Соединяем ветвление и проверку условия ..............................163
4.2. типы операндов ......................................... 164
• Сколько операндов? ........................................................................164
• Методы указания операндов .........................................................167
• Непосредственные операнды ......................................................168
• Адресные ссылки .............................................................................169
• Что такое режимы адресации? .....................................................170
4.3. как алу выполняет операции? ........................ 178
• Заглянем внутрь АЛУ ......................................................................178
• Последовательная и параллельная передача ........................187
дополнительная информация ................................ 187
• Обзор основных регистров ............................................................188
• Основные флаги состояния ..........................................................190
• Команда SLEEP ..................................................................................192
Глава 5
проГраММы .....................................................................193
5.1. ассемблер и языки высокого уровня .................. 194
• Что такое ассемблер? ......................................................................196
содержание
IX
Стр.10
• Особенности ассемблера и языков высокого уровня ...........198
• Чем программа отличается от исходного кода? .................. 203
5.2. основные сведения о программах ..................... 204
• Что могут проверки условий и переходы?............................. 204
• Что бы поручить компьютеру?.................................................... 208
• Где хранятся программы? .............................................................212
дополнительная информация ................................ 212
• Этапы запуска программы ............................................................213
Глава 6
Микроконтроллеры .................................................215
6.1. что такое микроконтроллер? ........................... 216
• Микроконтроллеры находятся внутри разных изделий ......217
• Функции микроконтроллера ..........................................................218
• Устройство майкона ....................................................................... 223
• Что такое DSP? ................................................................................. 226
• DSP и умножитель-сумматор ...................................................... 228
дополнительная информация ................................ 228
• Использование в промышленном оборудовании ................. 229
ЭпилоГ ................................................................................231
• Послесловие. Тенденции современных ЦПУ ....................... 242
предМетный укаЗатель ......................................244
X
содержание
Стр.11