Дәріс №4. Машинаны ұйымдастыру

Мақсаты: Дербес компьютердің негізгі құрылғылары, архитектурасы туралы түсінік беру, есте сақтау және сыртқы құрылғыларына сипаттама беру. Процессордың және жадының жұмысын ұйымдастыру туралы.

Негізгі ұғымдар: ДК архитектурасы, жедел жады, тұрақты жады, адаптерлер, ақпаратты жинақтағыштар, аналық тақша, процессор.

Жоспары:

1. Фон Нейман принципі

2. Негізгі жадтың ұйымдастырылуы және операциялары

3. Компьютер жадысының ұйымдастырылуы. Жады иерархиясы

4. Енгізу-шығару құрылғылары

1 Фон Нейман принципі

Ақпарат теориясын жасаған – Клод Шеннон, алгоритмдер және программалар теориясын құрған математик– Алан Тьюринг және есептеу құрылғыларының конструкциясының авторы – Джон фон Нейман, шын мәнінде компьютерлік ғылымның негізін қалаушылары деп есептеледі.

Есептеу машинасының архитектурасы туралы ілімнің негізін қалаған американдық математик Джон фон Нейман1 болған. Ол 1946 жылы «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства» деген классикалық мақаласында, есептеу машинасының құру принциптерін баяндаған.

Джон фон Нейман (1903 – 1957) — венгр-американдық математиігі, кванттық физикаға, кванттық логикаға, функционалдық анализге, жиындар теориясына, информатикаға, экономикаға және басқа ғылымдарға маңызды үлес қосқан. Көбіне қазіргі компьютерлер архитектирасының атасы деп танылады.

Э ЕМ-нің осы құрлысын фон Нейман архитектурасы деп атау келісілген.

4.1 Сурет. Фон Нейман принциптері негізінде құрылған эем архитектурсының схемасы

Фон Нейман (әріптестерімен Герман Голдстайн, А. Беркс) кез келген ЭЕМ –ы құру үшін қажетті прициптерді негіздеген.

Құрылғының логикалық принципі – ол ЭЕМ логикасын және негізгі құрамдас бөліктерінің жеткіліктілігін бірмағналы анықтау.

Нейман машинасында процессор орталық орын алады, сыртқы құрылғыларды басқарады және барлық ақпараттық ағымдар сол арқылы өтеді.

Нейман бойынша негізгі блоктар, ол басқару құрылғысы (БҚ), арифметикалық-логикалық құрылғы (АЛҚ) (әдетте орталық процессорда біріккен), жады, сыртқы жады, енгізу, шығару құрылғылары. Бұл ЭЕМ-ң бірінші және екінші буындарының классикалық схемасы.

- басқару құрылғысы (БҚ) – қажетті басқару сигналдардын тиісті уақыт сәтінде қалыптастырады және машинаның сәйкес блоктарына жібереді және жады ұяшықтарының адрестерін қалыптастырып оны ЭЕМ-ң сәйкес блоктарына жібереді. БҚ импульстер ырғақты генераторынан тіректі импульстер тізбегін алады.

- арифметикалық логикалық құрылғы (АЛҚ)1 – әртүрлі арифметикалық және логикалық амалдарды орындауға арналған (ДЭЕМ-ң кейбір моделдерінде амалдардың орындалуын жылдамдату үшін АЛҚ-ға математикалық бірлес процессор қосылады).

Құрылғысы осындай ЭЕМ-ң схемасы 2.1-суретте бейнеленген. Тұтас сызықтар ақпараттық ағындарды, ал үзік сызықтар – процессордан басқа құрылғыларға баратын басқарушы сигналдардың бағытын көрсетеді.

Қазіргі уақытта АЛҚ және БҚ біртұтас интегралдық схема түрінде жасалады, оны микропроцессор (МП) деп атайды.

Интегралдық схемаға АЛҚ, БҚ, микропроцессорлық жады, командалық және адрестік регистрлер, дешифраторлар «тігіледі». 1971 жылы Intel фирмасы бірінші микропроцессорды шығарған.

Қазіргі микропроцессорлар өте жедел регистрлік жадымен шығарылады, сонымен қатар регистрлер саны өсуде.

Екілік кодтау принципі – Нейман екілік санау жүйесінің техникалық игеру артықшылығын, арифметикалық және логикалық амалдардың орындалу ыңғайлылығын және қарапайымдылығын негіздеді.

Ол, сандарды жазғанда оңайлатып, негізі екіге еселі жүйелерді қолдануды, яғни сегіздік және он алтылық жүйелерінде жазылуын ұсынды. Бұл ақпараттың барлық түрлерін екілік кодтау әдістерімен кодтауға мүмкіндік берді.

Екілік кодтау кез келген қазіргі компьютерлердің ақпараттық негізін құрайды, бұл барлық, сандық емес ақпарат – мәтіндік, графикалық, дыбыстық және басқа түрлерін өңдеуге мүмкіндік береді.

Екілік жүйеде негізделген стандартты логикалық элементтердің жиынтығы логикалық функционалды жүйелердің (логикалық элементтер, триггерлер, есептеуіштер, қосындауыштар және т.б.) қызметтерінің толық игерілуін қамтамасыз етеді.

Программалық басқару принципі. Программа командалар жиынынан түрады, оларды процессор автоматты түрде бірінен кейін бірін, белгілі бір тізбекпен орындайды.

Программаның жадыдан таңдалып алынуы (орысша выборка) командалар есепшісі көмегімен жүзеге асырылады. Бұл процессордың регистрі өзінде сақталған кезекті команданың адресін, дәйекті түрде, команданың ұзындығымен өсіріп отырады.

Программаның командалары жадыда бірінен кейін бірі орналасқандығы, жадының тізбекпен орналасқан ұяшықтарынан, командалардың тізбесін таңдалып алынуын ұйымдастырады.

Егер команда орындалғаннан кейін келесіге өтпей, әлдеқандай басқаға өту керек болса, шартпен немесе шартсыз өту командалары қолданылады, ол келесі команда жазылған жады ұяшығының нөмірін, командалар есепшісіне енгізеді.

Жадыдан таңдап алыну "стоп" командасына жетіп және орындалғаннан кейін тоқталады.

Сонымен, процессор программаны адамның кірісуінсіз автоматты түрде орындайды.

Процессор (CPU – cenral processung unit) – арифметикалық және логикалық амалдарды орындайтын, сонымен қатар, компьютердің барлық құрылғыларына басқарушы сигналдарын қалыптастыратын, ең негізгі құрылғы.

Демек, ол программалардың командаларын орындайтын және компьютердің кұрылғыларының жұмысын үйлестіретін, басқаратын компьютердің ең басты мүшесі болып табылады.

Микропроцесссордың кәдімгі түрі интегралдық (біріктірілген) схема – тік бұрышты, ауданы бар-жоғы бірнеше шаршы миллиметр, жұқа кристалдық кремний пластинкасы, оның үстінде процесссордың барлық қызметін іске асыратын схемалар орналасқан.

Кристалдық пластинка әдетте жалпақ пластмасса немесе керамика қорапқа салынады және оның арнайы алтын сымшалары, жүйелік блокпен қосуға арналған, темір үшкірлермен (орысша штырьки) жалғанады.

Intel Celeron 1100 Socket 370, FC-PGA2 корпусында, астыңғы жағынан.

Ырғақ (такт) жиілігі – бір секундта схеманың кірісіне түсетін, синхронды электронды схеманың импульстердің үйлестіруші (орысша синхронизирующий) жиілігі, әғни үйлестіруші такт сандары.

Процесссор келесі екі негізгі параметрлермен сипатталады:

1) Процесссордың ырғақ жиілігі – процесссордың әрекет жылдамдығын көрсететін шама, яғни оның бір секунд аралығында орындайтын элементарлық амалдар саны. Бұл көрсеткіш процесссордың ең маңызды қасиеті болып табылады. Ырғақтық жиілік Мегагерцпен (Мгц), Гигагерпен (Ггц) өлшенеді. Дербес компьютердің жылдамдығының өлшем бірлігі 1 Мгц = 1 млн. герц/ сек.). (100Мгц –ол 1 секундта орындалатын амалдар саны, яғни 100 миллион элементарлық амалдар).

Мысалы, Pentium 4 2,8 ГГц таңбалауы (орысша маркировка) Intel фирмасы жасағанын, Pentium төртінші буын қатарына жататындығын және такт генераторынан 2,8 ГГц жиілігімен жұмыс істейтінін білдіреді.

Бірақ Intel компаниясы өзінің процессорлары үшін 2004 жылдың 19 науырзынан жаңа таңбалауды енгізді. Жаңа таңбалауда фирманың атауы (Intel), процесссорлар қатарының атауы (Pentium 4, Celeron D, Pentium Extreme Edition немесе Pentium D), сонымен қатар, ескі таңбалауда қолданған жиілікті, жаңа таңбалауға ауыстыратын үштаңбалы сан – Processor Number қолданылатын болды. Мысалы: Intel Celeron 1100 Socket 370.

2) Процесссордың разрядтылығы – бұл, процессордың бір ырғақта тұтастай өңдейтін немесе жіберетін екілік кодтардың максималды ұзындығы.

Мысалы: 32–разрядтты (бір машиналық сөз) немесе 64- разрядты (екі машиналық сөз) процессор бір ырғақта тұтастай, (машиналық сөздерге сәйкес) 4 немесе 8 байт ақпарат өңдейді.

Бірақ та процесссорлардың өнімділігі өскен сайын, кэш-жадының көлемі, шинаның жиілігі, тағы басқа параметрлер алдыңғы қатарға шығуда.

Микропроцессорлардың жаңа буындарында ырғақ жиілігі өзінің шектік мәніне жақындай бастады, сол себепті, микропроцессордың ішіндегі транзисторлар ауыстырып-қосып үлгермейді. Бұл жағдайда олардың жұмысының бір бөлігін кэш-жады өзіне алады.

Аналық тақша (ағылш. motherboard, MB) – бұл күрделі көп қабатты (орысша многослойная) баспа (орысша печатная) тақшасы. Оның үстінде дербес компьютердің негізгі құрамдастары: орталық процесссор, жедел жады (RAM) және оның контроллері, жүктеуші тұрақты жады (ROM), КЭШ жады, бейнекарта, дыбыстық карта, енгізу-шығару интерфейс контроллерлері орналастырылады.

ATX стандартты аналық тақша (MSI K7T266 Pro2 моделі)

Сонымен қатар, аналық тақшада қосымша контроллерлерді қосуға арналған қосқыштар (слоттар) орналасады, оларды қосу үшін, әдетте, USB, PCI и PCI-Express шиналары қолданылады.

Аналық тақшаның негізгі құрамдастары:

• орталық процесссор;

• түрақты (ROM) және жедел (RAM) жады, кэш-жады;

• шиналардың интерфейстік схемалары;

• кеңейту ұяшықтары (орысша гнезда);

• міндетті жүйелік енгіз-шығару құралдары және басқа.