МикроЭЕМ құрылымдары. Қарапайым микропроцессорлардың ерекшеліктері

Қазақстан Республикасының Білім және Ғылым министрлігі

Л.Н.Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті

Физика-техникалық факультеті

Радиотехника,электроника және телекоммуникация кафедрасы

Кристалдағы жүйелерді жобалау пәні

 

 

 

 

 

 

                                                   СӨЖ

«МикроЭЕМ құрылымдары.

Қарапайым микропроцессорлардың ерекшеліктері»

 

 

 

 

                                                                          Орындаған: Орынбаева А.А

                                                                                         Тобы: РЭТ-39К

                                                                       Қабылдаған: Ерғалиев Д.С

 

 

Астана, 2014ж

ЖОСПАР:

1. КІРІСПЕ.....................................................................................................3
2. НЕГІЗГІ БӨЛІМ........................................................................................5

Микропроцессор және оның түрлері......................................................5

МикроЭЕМ-нің мүмкіндіктері.................................................................7

Микропроцессордың үлгілері..................................................................9

3. ҚОРЫТЫНДЫ........................................................................................11
4. ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР.........................................................12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КІРІСПЕ

 

Ең алғашқы пайда болған есептеу құралы есепшот болып табылады. Кейбір деректерге сүйенсек,есепшоттың жасы 2000-5000 жылдар шамасында, ал пайда болған жері ертедегі Қытай немесе ертедегі Египет, тіпті ежелгі Греция болуы да мүмкін. Бұл санау құралын гректер мен Батыс-Еуропалықтар «абак» деп, қытайлықтар «суан-пан», жапондықтар «серобян» деп атаған.

Бірінші кезеңнің электронды-есептеуіш машиналары он мыңдаған электронды шамдардан тұратын. Сондықтан олар жүздеген киловатт электр энергиясын пайдаланып, жүздеген шаршы метр жер аумағын алып жатты. Салмағы бірнеше тоннаға дейін жететін. Ал олардың жылдамдығы секундына 20 мың операциядан аспайтын. Бұндай машиналарға программаларді енгізу үшін перфокарталар мен перфоленталар қолданылды. Бұл компьютерлер тек инженерлік және ғылыми есептеулер жүргізу үшін қолданылды. Бұл машиналарға қажетті программалар машиналық командалар тілінде жазылатын. Бұл өте қиын іс болғандықтан программалауға таңдаулы мамандар ғана алынып оқытылатын.

ІІ кезең (1955-1965 жылдар) Электронды шамдардан тұратын бірінші кезеңнің электронды-есептеуіш машиналары 50-жылдардың соңына дейін қолданылып келді. 1959 жылдан бастап жартылай өткізгіш транзисторлардан тұратын ЭЕМ-дер дүниеге келді. Транзисторлар электронды шамдармен салыстырғанда әлдеқайда сенімді болатын, олар электр энергиясын көп пайдаланбайтын және орынды көп алмайтын. Ал бұндай элементтерден жасалған компьютердердің жылдамдығы секундына 200 мың операцияға дейін артып, ішкі жадының көлемі де бірінші кезеңнің компьютерлерімен салыстырғанда жүздеген есе көбейді.

ІІІ кезең (1965-1980 жылдар) 1958 жылы америкалық мамандар өте күрделі технологияны қолдана отырып ауданы 1 см-ден аспайтын жіңішке пластинаға ондаған, кейін жүздеген электронды схемаларды орналастыруды үйренді. Бұлардыинтегралды схемалар (ИС) деп атады. Интегралды схемалардың пайда болуы компьютерлік техниканың дамуына үлкен әсерін тигізді. Интегралды схемалар компьютерлердің жылдамдығын айтарлықтай арттырды (секундына 1 млн операциядан жоғары), оперативті жадының да көлемі жүздеген мың байтпен өлшенетін болды, компьютерде бір мезгілде бірнеше жұмыс атқару мүмкіндігі пайда болды. Осы кезеңнен бастап ЭЕМ-дерді қолдану аясы да артты.

IV кезең (1980 жылдан бері қарай) Өткен  ғасырдың 70-жылдары мини-ЭЕМ-дер  жедел дами бастады. Бұл компьютерлер үлкен ЭЕМ-дерге қарағанда көлемі шағын және бағасы арзан болатын. 1971 жылы американдық Intel фирмасы өзінің микропроцессорды ойлап тапқанын мәлімдеді. Микропроцессор — бір пластинада миллиондаған электронды схемаларды өзара байланыстыратынүлкен интегралды схемалардан жасалды. Микропроцессор компьютерлердің жылдамдығын секундына бірнеше миллиард операцияға дейін арттырды. Микропроцессорды енгізу-шығару, сыртқы есте сақтау құрылғыларымен байланыстырудың нәтижесінде компьютерлердің жаңа түрі – микро-ЭЕМ-дер дүниеге келді. Үлкен интегралды схемалармен немесе микропроцессормен жұмыс жасайтын қазіргі компьютерлер ЭЕМ-дердің IV кезеңіне жатады. Қазіргі ЭЕМ-дердің ең көп таралған түрі — дербес компьютерлер болып есептеледі. Алғашқы дербес компьютер 1976 жылы пайда болды. Apple-1 деп аталған бұл компьютерді американдық Стив Джобс пен Стив Возняк ойлап тапты.

Жалпы, процессор төрт белімнен тұрады: арифметикалық-логикалық құрылгы (АЛУ), басқару құрылғысы (БҚ), жалпы міндет атқаратьш регистрлер және өте жылдам жүмыс істейтін, аумағы үлкен емес кэш-жад (сасһе – жасырын қойма). АЛУ берілгендермен арифметиқалық-логиқалық амалдарды орындайды; Басқару құрылға жалпы басқару программалары енгізіледі; регистрлерде негізгі жадтан түсетін аралық мәндер сақталады. Кэш-жад қойма сияқты, оған аралық деректер мен командалар келіп түседі. Көп мөліметгерді кэш-жадтан алу өрекеті процессордың мәліметтерді алуына жеңілдік келтіріп, оның жылдамдығын арттыруға жәрдемдеседі. Яғни кэш – жад компьютерінің жалпы жұмыс өнімділігін арттыруға арналған. Кэш-жад екі деңгейлі. Біріншісі процессордан сырт орналастырылады, көлемі 256-512 Кбайт шамасында.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

НЕГІЗГІ БӨЛІМ

 

Микропроцессор — жүйелік тақтаның ең маңызды құраласы, ол деректерді тікелей өңдейді, атап айтқанда, бөлектелген деректермен арифметикалық және логикалық амалдарды орындайды. Микропроцессор - бір немесе бірнеше үлкен интегралды кестеде орындалған, берілісті өңдейтін бағдарламалық құрылғы; көліктердің автоматты басқару агрегатында қолданылады.

Микропроцессор бір мезгілде қатарынан 8, 16 немесе 32 биттік деректерді өңдей алады. 8 биттік процессор бір мезгілде небары бір бит дерекпен ғана жұмыс істей алады. 16 биттік процессор бір мезгілде 2 байт, ал 32 биттік процессор — 4 байт өңдейді.

Жалпы алғанда 16 биттік компьютер 8 биттік жүйеден жылдамдырақ жұмыс істейді, ал 32 биттік компьютер 8 және 16 биттік үлгілерден жылдамырақ. Микропроцессор, жады және периферия құрылғылардың арасында дерек беру үрдісі шина арқылы жүзеге асырылады. Қазіргі заманғы процессорлардың көпшілігінде 32 биттік шина қолданылады, яғни бір мезетте 32 биттік дерек беруге болады. 64 биттік шиналы компьютер де болады, бірақ олар әлі кең тарай қойған жоқ.

Микропроцессор немесе процессор қарапайым ( processor ағылшынының) - мынау компьютер ең басты жұмысшы компоненті, арифметикалық және қисынды операциялар орындайды , бағдарламамен берілгендер , есептеуіш процеспен басқарады және компьютер барлық құрылғыларының жұмысын үйлестіреді. Процессор логикалық және арифметикалық операцияларды орындайды, операциялардың орындалу тәртібін анықтайды, дерек көздері мен нәтижелері қабылдаушыларды көрсетіп береді.Процессор жұмысы программалардың басқаруымен жүзеге асады. Жүйелік шинаның негізгі қызметі процессорлар арасында және дербес компьютердің қалған басқа да құрылғыларының арасында информацияны жіберу болып табылады. Түйінмен микропроцессорлы жүйе кез келгені микропроцессорды келеді . Сөз мынау орыс тіліне ауыстыру правильнее барлығы қалай `` өңдеуші '', дәл осылай қандай нақ микропроцессор -- мынау анау түйін, одақ, хабар өңдеуін бәрін өндіреді микропроцессорлы жүйе ішінде. Барлығы қалғаны түйіндер орындайды тек қосалқы функцияның: хабар сақтауы ( соның ішінде және басқарушы хабардың , яғни бағдарламаның ), байланыстың сыртқы құрылғылармен, байланыстың пайдаланушымен және практикалық бәрін д . т . процессор ауыстырады `` қаттыны логика маманына '', қайсы жүйенің цифрлік дәстүрлі оқиғада керек болар еді. Ол келесі функциялар орындайды: Арифметикалық функцияның (қосу, көбейту және д т .), Кисынды функцияның ( жылжу, салыстыру, кодтардың маскалау және д.т.), Кодтардың уақытша сақтауы (ішкілерді тізімдерде), Микропроцессорлы жүйе түйіндері аралық кодтардың жіберуін және көптеген басқа. Сондай элементарлық операциялардың саны, процессормен орындалатындардың, бірнеше жүз жете алады . Бірақ мыналар жанында керек еске алыну, не барлық жүйелі өз операция процессор орындайды, яғни біреуіннің үшін басқа, кезекпен. Ақырғы , процессорларды бар болады паралельдімен орындалумен - операциялардың, микропроцессорлы жүйе сонымен қатар кездеседі, қайсыларды бірнеше процессордың жұмыс істейді біреу мақсаттың паралельді , бірақ мынау сирек шығарудың. Бір жағынан, операциялардың жүйелі орындалуы -- сөзсіз адамгершілік, дәл осылай қалай арқасында рұқсат етеді барлығы бір процессордың орындау - , ең күрделі алгоритмдерді хабар өңдеулері . Бірақ, басқа жағынан , операциялардың жүйелі орындалуы анаға ертіп әкеледі, не алгоритм орындалу уақыты оның қиындығынан тәуелді болады . Қарапайым алгоритмдер выполняются күрделілердің. Яғни барлық микропроцессорлы жүйе қабілетті істеу, бірақ өте жылдам емес ол жұмыс істейді , өйткені барлық ақпараттық селдер өткізуге келеді арқылы бір - жалғыз түйін – микропроцессор. Дәстүрліде цифрлік жүйеге хабар барлық селдерінің паралельді өңдеуін жеңіл ұйымдастыруға болады , шын , бағамен схема күрделендірулері .

Орталық процессор (CPU,CENTRAL PROCESSING UNIT) - бұл компьютердің ең негізгі жұмысшы компоненті, ол бағдарламамен берілген арифметика логикалық операцияларды орындайды, есептеу процессін басқарады және компьютердің барлық құрылыстарының жұмысын үйлестіреді. Орталық процессордың құрамында болады: Арифметика логикалық құрылыс; Көрсеткіштер және мекен жай шиналары; Регистр; Бұйрықтар санаушы; КЭШ ықшам көлемді өте тез жад ден Кбайт; Жүзіп жүрген нүктемен математикалық сандар сопроцессоры; Қазіргі просецессорлар микропроцессор түрінде жасалынады. Шынайы микропроцессорды интегралды сызба ретінде көруге болады. Ол үшбүрыш пішінді ауданы бірнеше квадрат милиметр кристалды кремнилі жіңішке табақша, оның үстінде процессордың барлық функциясын орындайтын сызба орналасқан. Кристалл табақша әдетте күйіктасты немесе пластмассалы тегіс денеге орналасады және алтын өткізгіштермен жалғасқан, компьютердің жүйелік тақшасына қосу үшін металл штырьлары бар. Есептеу жүйесінде параллель жұмыс істейтін процессорлар болуы мүмкін;бұндай жүйені көппроцессор деп атайды. Бірінші микропроцессор 1971 жыл Intel (АҚШ)- МП 4004 фирмасымен шығарылды. Қазіргі таңда жүздеген әр түрлі микропроцессолар шығарылуда, бірақ Intel және AMD фирмаларының микропроцессорлары кең тараған. Есептеу жүйесінде параллель жұмыс істейтін процессорлар болуы мүмкін;бұндай жүйені көппроцессор деп атайды. Бірінші микропроцессор 1971 жыл Intel (АҚШ)- МП 4004 фирмасымен шығарылды. Қазіргі таңда жүздеген әр түрлі микропроцессолар шығарылуда, бірақ Intel және AMD фирмаларының микропроцессорлары кең тараған. Микропроцессор құрылымы Басқару құрылысы ДК - дің функционалды ең күрделі құрылысы басқару құрылысы болып табылады. Ол нұсқаудың кодталған шиналары арқылы машинаның бүкіл блогына түсетін басқару сигналдарын өндіреді. Оның құрамына: Бұйрық регисторы - есте сақтайтын регистор, онда бұйрықтар коды сақталады; орындалатын операцияның коды және операцияға қатысатын операндтар мекен жайы; Бұйрық регисторы (МПП – дің бұйрықтар регистр блогында интерфейстік бөлімінде орналасқан) кіреді. Операцияның дешифраторы - логикалық блок, бұйрық регисторынан келетін операция кодына сәйкес көптеген шығу жолдардың біреуін таңдайды. Интерфейстік бөлім құрамына МПП мекен жайлы регистрлер, мекен жай қалыптасу түйіні, МП - дің бұйрықтар буфері болатын бұйрықтар регистр блогы, МП - дің ішкі интерфейстік шинасы және шинаны басқаратын сызбалар және шығару енгізу порттары кіреді Енгізу шығару - бұл ДК - дің жүйелік интерфейстік пункті, сол арқылы МП басқа құрылыстарымен ақпаратымен алмасады. МПда барлығы 65536 порт болуы мүмкін. Әр порттын мекен жайы болады жадтың ұяшығының мекен жайына сәйкес келетін порт нөмері, енгізу шығару құрылысының шығару бөлімі болып табылатын, яғни компютер жадының негізгі бөлімін емес, портты пайдаланылады. Порт құрылысына: кіреді қосылу аспаптары және екі жад регистірлері- көрсеткіштерді айырбастау және басқару ақпаратына айырбастау үшін. Кейбір сыртқы құрлыстар айырбастауға болатын үлкен мүлшердегі ақпаратты сақтау үшін негізгі жадты пайдаланылады. Көпдеген стандартты құрлыстарда (НЖМД, НГМД, клавиатура т,б.) Әр уқыта бекітілген енгізу шығару порттары бар. Шинамен және портармен басқару сызбасының атқаратын функциалары: Порттың мекенжайының және ол үшін басқарылатын қалыптасуы; Порттан басқарылатын ақпараты қабылдау, порттың дайындығы және оның күйі туралы ақпарат; Порттар арасында енгізу шығару құрылысы және МП көрсеткіштері үшін жүйілік интерфейста желорайлы каналдардың ұймдастырылуы; Шинаны, портты басқару сызбасы порттармен байланыс үшін инструкцияның кодталған шиналарын, жүйелік шинаның күрсеткіштерін, мекен жайын қолданады портқа кіргенде МП ЮПИға сигнал жібереді, сигнал арқылы барлық енгізу шығару құрылысын хабарландырады, КША дағы мекен жайы портың мекен жайыболылып табылады, кейін порттың өзінің мекен жайына жібереді. Порттың мекен жайы сәйкес келгенде құрылыс дайындығы туралы жауап қайтарады, осыдан кейін КШД бойынша көрсеткіштермен алмасу орындалады.

Ғылыми-техникалық прогресс әр әртүрлі есептеу машиналарын құруға себепші болды.Олар өздерінің арнаулы және функционалдық мүмкіндіктеріне қарай үлкен ЭЕМ-дерге,мини-ЭЕМ-дерге,микро-ЭЕМ-дерге және дербес компьютерлерге бөлінеді. Үлкен ЭЕМ-дер – өте қуатты компьютерлер, олар ірі мекемелерге, кәсіпорындарға немесе халық шаруашылығының тұтастай салаларына жұмыс істеу үшін қолданылады. Үлкен ЭЕМ-дерді пайдалану үшін көптеген қызметкерлері бар есептеу орталықтары құрылады. Үлкен ЭЕМ-дер қызмет көрсетуі мен құрал-жабдықтары құнының қымбаттығымен ерекшеленеді. Олар бірнеше міндеттерді қатар шешіп, бірнеше пайдаланушымен қатар жұмыс істей алады. Мини ЭЕМ-дердің үлкен ЭЕМ-дерге қарағанда,өлшемдері шағын және өнімділігі мен құны да төмен.Мини ЭЕМ-дер өндірістік прцестерді бақаруда, ғылыми мекемелерде, ғылыми жұмыстарды оқу ісімен үйлестіретін жоғарғы оқу орындарында қолданылады. Мини ЭЕМ-дердің жұмысын ұйымдастыру үшін де арнайы шағын есептеу орталығы қажет. Микро ЭЕМ-дердің өнімділігі үлкен ЭЕМ-дерге қарағанда, өлшемдері шағын және олар негізінде деректер дайындау,программалық қамтамасыз етуін жетілдіру бойынша көмекші операциялар орындайды.Микро-ЭЕМ-дер үшін құрамында бірнеше адамы бар шағын лаборотория да жеткілікті. .Қазіргі ДК көлемі шағын,құны жоғары емес бола тұрып,70-жылдардың үлкен ЭЕМ –деріне,80-жылдардың мини ЭЕМ-деріне және 90-жылдардың бірінші жартысының микро-ЭЕМ-деріне қарағанда,өнімділіктері жоғары. Қазіргі кезде дербес компьютерлер адам әрекетінің барлық салаларында қолданылады. IBM фирмасының анықтамасы бойынша компьютерлік есептеу жүиелер 4 негізгі компоненттен тұрады. 1. есепті мәселе ретінде қойып,соның нәтижесін алатын адам ; 2. компьютердің ақпараттық жабдықтары.(Hardware) ; 3. деректер,яғни керекті мәліметтер файлы ; 4. компьютердің программалық жабдықтары (Software) Компьютерлік жүйелер немесе деректерді өңдеу жүйелері ұғымдары осы төрт бөлікке адамның қатысуынан тұратын кешен ретінде қарастырылады. 

 Микропроцессор үлгілері.

Дербес компьютердің типі онда орналастырылған микропроцессордың үлгісімен анықталады. Intel және AMD фирмасының процессорларының моделдері Алғашқы шығарылған 8086, 8088 нөмірлі ІВМ РС компьютерлерінде Intel фирмасы дайындаған 16 разрядты микропроцессорлар пайдаланылды. Олардың адрестік шинамен интерфейсі 20 разрядты және осыған сәйкес ОЕСҚ-ның көлемі 1 Мбайт болатын. ОЕСҚ (оперативті есте сақтау қүрылғысы). Оның басқа түрде аталуы: RАМ — арифметикалық-логикалық операцияларды орындау алдында және орындау процесінде деректер мен программалар уақытша сақталатын ішкі жадтың негізгі бөлімі, оны жедел жад (ЖЖ) деп те атайды. ОЕСҚ-ның көлемі адрестік шинаның разрядтығына байланысты. Программистердің көзқарасы бойынша Intel корпорациясының құлақтандырылған ММХ технологиясы соңғы 10 жылда Intel архитектурасының неғұрлым елеулі жақсаруын білдіреді. Осы технологияларды құру бірнеше жыл бұрын ақпараттың әр түрлі түрлерін өңдеумен байланысты есептеу жүйелерін жылдам дамытуға жауап ретінде басталды: жоғары сапалы графика, бейне және дыбыс процессорлардан өте жоғары өнімділікті талап етті. Неғұрлым жоғары өнімді процессорларға мұқтаждық сол сияқты Internet-тің дамуынан және осыған қатысты байланыстың тиісті желілері бойынша түрлі ақпараттарды жеткізу қажеттілігінен артты. Intel корпорациясының инженерлері қарқынды есептеулерді талап ететін және осы санаттағы қолданбалар үшін сипатты неғұрлым нологиялы Pentium процессоры 4,5 миллион транзисторларды қамтиды және ММХ инструкцияларынан басқа, бірнеше архитектуралық жақсартулары бар. Оларға кристалда орналасқан бүркеме-жадының қотиптес циклдарды орындау кезінде өнімділікті арттыруға мүмкіндік берген 57 жаңа нұсқаулық құрды. ОП-технологиясы негізінде құрылды, бұл қуаттылықты аз қолдана отырып, неғұрлым жоғары өнімділікке қол жеткізуге мүмкіндік береді. ММХ теЖаңа процессорлар Intel-де жасалған 0,35 микронды жақсартылған КМхсарланған көлемі (ол қазір 32 Кб-ға тең) және шартты өту жолдарының неғұрлым тиімді болжаулары жатады, бұл процессорды стандартты эталондық тестілеуді өнімділікті 10-20%-ке арттыруға себеп болды. ММХ технологиясы Intel архитектурасымен толық үйлесімділікті қамтамасыз етеді және бұдан басқа, кең пайдаланылатын операциялық жүйелермен және қолданбалы программалық жасаумен толығымен үйлесімді. Корпус түріне қарамастан Intel Celeron процессорлары жоғары сапаға, сенімділікке және үйлесімділікке ие. Бұл қуатты процессорлар танымал қазіргі заманғы офистік қолданбалармен және Internet-ке қатынау программаларымен жұмыс істеуге арналған. Xeon тобының процессорлары Қуатты компьютерлер үшін Xeon тобының процессорлары арналған. Олар үшін жаңа 2-слот енгізілді, ол (жаңа процессордың интерфейсімен бірге) FRC-мен артық жүйелер де, симметриялық 1-, 2-, 4- және 8-процессорлық жүйелер құруға мүмкіндік береді. Шина жиілігі – 100 МГц, ядро жиілігі – 400 МГц және жоғары, екінші сатыдағы бүркеме Pentium Pro сияқты ядро жиілігінде жұмыс істейді. Екінші деңгейдегі бүркеменің көлемі – 512 Кбайт, 1 немесе 2 Мбайт бүркемелеген кезде 64 Гбайтқа дейін (36-биттық адрестеу кезінде барлық адрестік кеңістік). Xeon процессорларыүлкен қуаттылығымен ғана емес, үлкен мөлшерлермен – 15,2 х 12,7 х 1,9 см артықшаланады. Xeon процессорларының жүйелік ақпаратты сақтаудың жаңа құралдары бар. PIROM (Processor Infrmation ROM) процессорлық ақпаратының тұрақты (оқу үшін ғана) жады процессор ядросының және бүркеме-жадының электрлік спецификациясы (жиілік ауқымы және кернеулер қоректендіретін), S-спецификациясы және сериялық 64-биттық процессор номері секілді деректерді сақтайды. CPUID идентификациясы нұсқауы бойынша мұндай ақпаратқа қатынау жоқ.