Kомпьютердің жадысының архитектурасы

ЖОСПАР

 

КІРІСПЕ

НЕГІЗГІ БӨЛІМ

1. ЭЕМ-нің даму тарихы. ЭЕМ-нің буындары

2. ЭЕМ-нің негізгі блоктарын  ұйымдастыру элементтері

3. Kомпьютердің жадысының архитектурасы

ҚОРЫТЫНДЫ

ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КІРІСПЕ

 

Есептеуіш техниканың даму тарихы 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. Бұл құралмен есептеулер оның шұңғыл тақтада орналасқан тастарын жылжыту арқылы жүргізілген. Тастар піл сүйегінен, түрлі түсті шынылардан, қоладан жасалды. Осындай есепшоттар қайта өркендеу дәуіріне дейін пайдаланылып келді. Оның жетілдірілген түрі осы күнге дейін қолданылып келеді.

XVII ғасырдың басында шотландиялық  математик Джон Непер логарифм  түсінігін енгізді және логарифм  кестесін жариялады. Ал 1761 жылы ағылшын Д.Робертсон жүгіртпесі бар навигациялық есептеулер жүргізуге арналған логарифм сызғышын жасады. Мұндай құрал жасау идеясын 1660 жылдары Исаак Ньютон ұсынған болатын. Соңғы кезге дейін логарифм сызғыштары инженерлердің бірден-бір есептеуіш құралы болып келді, бірақ өткен ғасырдың екінші жартысында пайда болған электронды калькуляторлар оларды қолданудан ығыстырды.

1642 жылы француз математигі  Блез Паскаль он тоғыз жасында  дүние жүзінде бірінші рет  қосу машинасы деген атпен  белгілі, жетектер мен дөңгелектерден тұратын механикалық есептеу машинасын құрастырды. Паскальдың машинасында көпорынды сандарды қосу мүмкін болды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

НЕГІЗГІ БӨЛІМ

1. ЭЕМ-нің даму тарихы. ЭЕМ-нің буындары

 

Төрт арифметикалық амалдарлы автоматты түрде орындайтын бірінші машина XVII ғасырда пайда болды. 1623 жылы сандарды қосып не азайтып қана қоймай, оларды кейде көбейтіп және бөле алатындай машинаны өнертапқыш Вильгельм Шиккард жасап шығарды. 1642 жылы француздың философы және ғалымы Блез паскаль кеңсенің есептерін механикалық тұрғыдан есептеуге арналған арифмометр жасады. 1674 жылы немістің философы және математигі Готфрид Лейбниц Паскаль машинасының мүмкіндігін кеңейтті. Ол жасаған "Лейбництің тісті дөңгелегі" деп аталатын машинасы екілік санау жүйесінде көбейту, бөлу және түбір табу амалдарын орындайтын еді. XIX ғасырда ағылшын математигі Ч.Бэббидж "Аналитикалық машина" деп аталатын программаланатын автоматты есептеу құрылғысының нұсқасын жасады. Программалар кодталып перфокарталарға түсірілді. Бұл әдісті Бэббидж тоқыма станоктарындағы амалдарды бақылауға алғаш пайдаланған француз өнертапқышы Ж.Жаккардтан алды. Бэббидждің ойынша бұл командалар жұбын және мәліметтерден тұратын топтарын бірте-бірте енгізгенде автоматты түрде әр түрлі есептеулер орындауы тиіс еді. Картадағы тесіктердің орналасу тәртібін және карталардың келу ретін өзгертіп, есептеу ретін өзгертуге болатын еді (басқаруды шартты түрде беру идеясы!). Жобаның меценаты (қамқоршысы) – белгілі ақын Джорж Байронның қызы графиня Ада Лавлейс (Ada Lovelace) осы "аналитикалық машинаның" программисті болды. Ондық жүйенің орнына екілік жүйені қолдану қажеттілігіне Бэббидждің көзін жеткізген сол Ада Лавлейс болды. Ол осы күнге дейін көкейтесті болып келетін программалаудың негізгі принциптерін жасады. Оның құрметіне 1979 жылы жасап шығарған алгоритмдік тіл Ada – деп аталды. ХІХ ғасырдың екінші жартысында Герман Холлерит перфокарталарды сұрыптауға және санауға арналған бірінші электромеханикалық машинаны жасап шығарды. Табулятор деп аталатын бұл машина реледен, санағыштан және сұрыптаушы жәшіктен тұрды. Бұл машина 1890 жылы Америкада тұрғындардың санағын өңдеуге қолданылды. Холлерит 1896 жылы әйгілі IBM фирмасының негізі болатын фирманы ашты. Екінші дүниежүзілік соғыс есептеу құрылғыларын және оларды өндіру технологиясын жетілдіруге дем берді. 1944 жылы Говард Айкен IBM-нің бір топ зерттеушілері релелік логикалық элементтерге негізделген электрлік есептеуіш машинасын жасады. 1943 жылдан 1946 жылға дейін Пенсильвания қаласындағы (АҚШ) университетте ENIAK деп аталатын түгелімен бірінші электронды – цифрлық ЭЕМ құрастырылды. Машина 30 тонна тартты, 200 кв.м. жерді алып жатты, 18 мың лампадан тұрды. Оның жұмыс істеуінде ондық жүйе қолданылды. Программадағы командалар қолмен енгізілді; программаны енгізгеннен кейін орындалу тәртібі тек бүкіл программа орындалып болғаннан кейін ғана өзгертуге болатын еді. Әрбір жаңа программа ажыратқыштарды және алынып-салынатын коммуникацияларды орнату арқылы жүзеге асатын жаңа сигналдар комбинациясын қажет етті. Нәтижесінде ең қарапайым программаны құрып, орындау үшін өте көп уақыт қажет болды. ENIAK машинасында программалаудағы қиындықтар осы жобаның бұрынғы консультанты Джон фон Нейманның (1903-1957) ЭЕМ архитектурасын жасаудың жаңа принциптерін жасауына түрткі болды. Ол программаны, басқару командаларының тізбегін ЭЕМ-нің жадысында сақтауды ұсынды. Өз баяндамасында фон Нейман компьютердің бес базалық элементін атап көрсетті: арифметикалы-логикалық құрылғы (АЛҚ), басқару құрылғысы (БҚ), есте сақтау құрылғысы (ЕСҚ), ақпаратты енгізу және шығару құрылғылары. ЭЕМ-нің осы құрлысын фон Нейман архитектурасы деп атау келісілген. Бұл принциптер жаңа EDVAC ЭЕМ-де жасалды. Мұнда екілік арифметика қолданылды, негізгі жады 102444 - разрядты сөзді сақтай алатын болды. Бұл ЭЕМ 1951 жылы пайдалануға берілді. ЭЕМ-нің буындары түсінігі есептеуіш машиналарының даму тарихымен тығыз байланысты, яғни қолданылатын элементтік базасы бойынша анықталады. ЭЕМ-нің бірінші буынында элементтік база ретінде электрондық лампа мен реле қолданылды. 1948 жылы транзисторлар мен магниттік жүрекшелерге сақтау құрылғыларының ойлап табылуы есептеуіш техникасына үлкен әсерін тигізді. Катодты қыздыру үшін үлкен қуатты қажет ететін және сенімсіздеу болып келетін вакуумдық лампалар кішкене кремнилік транзистормен алмастырылды. Олар екінші буын машиналарының элементтік базасы ретінде қолданылды. Компьютерлердің миниатюрасын және сенімділігін көтерудің революциялық кезеңі 1958 жылы болды. Американдық инженер Д.Килби бірінші интегралдық схеманы ойлап тапты. 60-шы жылдардың ортасынан бастап элементтік базасы интеграциясы кіші және орта дәрежедегі интегралдық схемалар болатын үшінші буын машиналары шыға бастады. Тағы бір технологиялық революция микропроцессорларды жасауға алып келді. 1971 жылы американдық инженер М.Хофф бір кремнилік кристаллда –микропроцессорда – компьютердің негізгі элементтерін біріктірді. ЭЕМ-нің төртінші буынында интеграция дәрежесі жоғарғы интегралдық схемалар – үлкен интегралдық схемалар (ҮИС) құрыла бастады. Үлкен интегралдық схеманың кристалында он мыңға дейін элементтер қамтылады. Қазіргі кездегі кең қолдау тапқан дербес компьютерлер төртінші буынға жатады. Қазіргі уақытта ЭЕМ-нің бесінші буынын дайындау мәселесі қаралуда. Оның ерекшелігі дыбысты енгізіп және шығаруға қатысты өз бетінше оқып үйрену қабілеті болмақ.

 

2. ЭЕМ-нің негізгі блоктарын ұйымдастыру элементтері

 

ДЭЕМ бірыңғай аппараттық жүйеге біріктірілген техиикалық электрондық құрылғылар жиынынан тұрады. ДЭЕМ құрамына кіретін барлық құрылғыларды олардың функционалдық белгілеріне қарай екіге бөлу қалыптасқан, олар: жүйелік блок және сыртқы құрылғылар.

Жүйелік блок мыналардан тұрады:

-  микропроцсссор;

-  оперативті есте сақтаушы  құрылғы немесе жедел жады:

-  тұрақты есте сақтаушы  құрылғы;

-  қоректену блогы мен  мәлімет енгізу-шығару порттары.

Ал, сыртқы құрылғылар былайша бөлінеді:

- информация енгізу құрылғылары;

- информация шығару құрылғылары;

- информация жинақтауыштар.

ДЭЕМ-нің құрамында ең аз дегенде жүйелік блок, бір-бірден енгізу, шығару құрылғылары және ең аз дегенде бір информация жинақтауыш құрылғы кіреді. ДЭЕМ-де шешілетін мәселеге байланысты пайдаланушы адам оның минималды конфигурациясына қосымша шеткері құрылғыларды қосу арқылы кеңейтуіне болады.

Информация мен басқару командаларын негізгі құрылғыларға пернетақта (клавиатура), “тышқан” тәрізді тетік және сканер (із кескіш) жатады. Осындай функцияларды бұлардан өзге жарық қаламұштары, жарық сезгіш планшеттер, джойстиктер және басқа да мәселелерді шешуге қолданылатын құралдар орындайды. Мысалы, осылардың кейбіреуін жобалау жұмыстарын автоматтандыруда қолдануға болады.

ІВМ дербес компыотерінің негізгі блоктары

Әдетте     ІВМ   дербес     компьютерлері мынадай бөліктерден (блоктардан) тұрады:

-  жүйелік блок (тік  немесе жатық қорапта орналасқан)

-  мәтіндік және графикалык  информацияны кескіндеуге арналған монитор немесе дисплей

- әр түрлі символдарды  компьютерге енгізуге арналған  перне тақта немесе пернелік

Компьютердегі ең негізгі құрылғы – жүйелік блок, оның ішіне ДЭЕМ-нің басты құрылғылары орналасқан. Жүйелік блогы құрамында микропроцессор, жедел жады, тұрақты есте сақтаушы құрылғы, қоректену блогы мен енгізу-шығару порттары  мәлімет жинақтауыштары бар.

Бұлардан басқа компыотердің жүйелік блогына мынадай құрылғыларды қосуға болады:

-  мәтіндік жәнс графикалық  информацияларды басып шығаруға  арналған принтер;

-   графикалық   курсормен   басқарылатын   құрылғы   -“тышқан”  графикалық қолтетігі.

-  джойстик – компьютерлік  ойындарда колданылатын қолмен  баскарылатын тетік;

-   графиксызгыш   немесе   плоттер   –   сызбаларды (і рафиктерді) кағазға  шығаруға арналған кұрылғы;

-   сканер (ізкескіш) –  графикалық немесе мәтінді информацияларды  окуга арналған оптикалық құрылғы;

-  СБ-КОМ - компакт-дискілерді  оқуға арналған құрылғы ол  қозғалатын бейнелерді, мәтіндерді  және дыбыстарды үшін кейіннен  пайдаланылады;

-  модем — телефон  желісі арқылы баска компыотерлермен  информация алмасуға арналған  құрылғы;

- стример – мәліметтерді  магниттік таспада сақтауға арналған  құрылғы;

-  желілік адаптер компьютерді  жергілікті желіде (торапта) қолдануға  мүмкіндік береді.

Дербес компыотердің сыртқы түрі: 1 – жүйелік блок,  2 – дисплей,   3 - пернелік, 4—тышқан тетігі, 5 – дискіжетек, 6 — динамиктер, 7 — микрофон

Сонымен, ДЭЕМ-нің негізгі құрылғыларына процессор, жады (жедел және сыртқы), сыртқы құрылғыларды қосу және мәліметтерді жеткізу құрылғылары жатады. Енді компьютерге кіретін немесе оған қосылатын әр түрлі құрылғылардың сипаттамаларын  қарастырайық.

Микропроцессор

Микропроцессор бір кристалда дайындалған (үлкен) интегралдық схемалар – БИС, олар әртүрлі типтегі ЭЕМ жасауға керекті элемент болып табылады. Оны әр түрлі логикалық функцияны орындайтын етіп, программалауға болады,     сондықтан     программаны     өзгерту     арқылы микропроцессорды арифметикалық құрылғы немесе енгізу-шығару жұмыстарын басқарушы рөлінде қолдануға болады. Микропроцессорге жедел жәнс тұрақты жады, енгізу-шығару құрылғыларын қосуға болады.

ІВМ тәрізді компьютерлерде INTEL фирмасының және басқа да фирмалардың бір-біріне үйлесімді микропроцессорлары пайдаланылады.

Микропроцессорлардың бір-бірінен өзгешелігі олардың типтерінде (модельдерінде) яғни оның қарапайым амалдарды орындайтын жұмыс жылдамдығының көрсеткіші – мегагерц – МГц бірлігімен берілген тактылық (қадамдық) жиілігінде жатыр.

Бұған дейін кең тараған модельдерге Іntel-8088 (~5МГц), 80286

(~20МГц), 80386SХ (-25 МГц), 80386DХ (~40МГц), 80486

(100МГц-ке дейін), Реntium (75МГц-тен  жоғары) және Реntium-Рго (~200 МГц-тен  жоғары) жатады, бұл тізім олардың жұмыс өнімділігі мен соған сәйкес бағасының өсуі бойынша реттеліп келтірілген. Кейде конструкциялық ерекшеліктеріне қарай бір модельге кіретін процессорлардың жиіліктері әртүрлі бола береді – жиілігі артқан сайын оның жүмыс жылдамдығы да өсе

түседі.

Intel 8088, 80286, 80386 тәрізді бұрын  шыққан микропроцессорларда аралас  сандар мен амалдарды жылдам  орындайтын арнаулы командалары  жоқ, сондықтан олар жұмыс өнімділіктерін  арттыратын қосымша математикалық  сопроцессорлармен (Тurbо режимі) жабдықталады.

Компьютерлер алып жүруге ыңғайлы вариантта да жасалады. Мұндай ЭЕМ-дерде жүйелік блок, монитор және пернелік бір қорапта жасалған: жуйелік блок пернелік астында, ал монитор пернеліктің қақпағы түрінде    жасалған.

ЭЕМ-нің  жедел  жадысы

Оперативті есте сақтау құрылғысы немесе ЭЕМ-нің жедел жадысы (RАМ), сондай-ақ тұрақты есте сақтау құрылғысы (RОМ), компыотердің ішкі жадысын құрайды, осы екеуімен процессор жұмыс кезінде мәлімет алмасып отырады. Өңделуге тиісті кез-келген мәлімет алдымен компьютердің сыртқы жадынан (магниттік дискілерден) жедел жадына жазылады.

Компыотердің жедел жадында осы мезетте дереу өнделуге тиіс мәліметтер мен программалар ғана сақталады. Информация керек кезінде магнитгік дискіден жедел жадына көшіріліп, өнделген соң олар қайта сыртқы жадыға жазылып қойылады. Жедел жадта информация тек жұмыс сеансы кезінде сақталып, ойдағы мәлімет ЭЕМ сөндірілгенде немесе злскгр торабында йкау болып, ток ошксн шақтарда ізсіз жоғалады. Осыған байланысты әрбір адам өзіне ұзақ уақыт керек болатын информацияны жоғалтып алмауы ушін оны оқтын-оқтын магниттік дискіге жазып отыруы керек.

Компыотердің жедел жадысы көлемі өскен сайын оның есептеу жылдамдығы да артады. Информация көлемін өлшеуде Сегіз биттен (бір мен нөл тізбегі) туратын байт бірлігі қолданылатыны белгілі. Осы өлшем бірлігі арқылы жедел жадтағы не магниттік дискеттегі сақталатын информация, 720кб немесе 1,44 Мб болып жазылуы мүмкін. Мұнда 1 кб (1 килобайт)= 1024 байт, ІМб (1 мегабайт)= 1024 кб, ал винчестер деп аталып жүрген қатты дискіде,

1000-10 000 Мб (1-4 Гигабайт) және  одан да көлемді информация  жазылып сақталады.

Әдетте ІВМ РС ХТ (бұрынғы модель) компьютерлерінің жедел жадының көлемі 640 кб, ІВМ РС АТ үшін – ІМб-тап жоғары, ал олардың жоғарғы модельдері 1-ден 16 Мб-қа дейін, бірақ оның көлемі 32 Мб не одан да жоғары бола береді – жедел жадтың көлемін оның негізгі тақшасына микросхема қоса отырып үлкейтуге болады.

Компьютердің жедел жадынан өзгеше оның тұрақты жадысы бар, ол өзгертілмейтін информацияны сақтайды, ешкім оны өшіріп қайта жаза алмайды, оны тек оқуға болады. Әдетте тұрақты жадтын көлемі шағын 32 – 64 Кб шамасында. Тұрақты жадқа керекті программалар оны шығаратын заводта жазылады, олар көбінесе компьютерді ток көзіне жалғаған кезде оны тексеріп, іске   косу   үшін   қажет.

Сиымдылығы 1 Мб немесе оған жоғары болып келетін компьютерлердің жедел жады екі бөлімнен тұрады – алғашкы 640 Кб қолданбалы программалар мен операциялық жүйе үшін, ал қалғаны төмендегідей мақсаттарға пайдаланылады:

-    операциялық жүйенің  алғашқы жүктемесін және компьютердің жұмысқа жарамдылығын тексеретін операциялық жүйенің бөлігін сақтауға, сондай-ақ төменгі деңгейдегі қарапайым енгізу-шығару жұмыстарын орындау үшін;

-  экранға кескіндерді  беру үшін;

-    компыотердің  қосымша құрылығыларымен бірге  жүктелетін операциялық жүйелердің әр түрлі кеңейтілген мәліметтерін сақтау үшін қажет болады.

Жедел жадтың көлемі туралы сөз болғанда, оның бірінші бөлігі туралы айтылады, ал ол кейбір программаларды орындауға жеткіліксіз болып қалады. Міне, осындай сәттерде компыотердің жедел жадының кеңейтілген бөлігі  мен қосымшасы  пайдаланылады.

Intel фирмасының 80286, 803863Х и 804865Х сияқты процсссорлары 1-4 Мб  жедел жад көлемімен, 80386 и 80486 процсссорлар  – 4-8 М6 көлемімен жұмыс істей  алады. Бірақ операциялық жүйе  үлкен көлемді жадты толық пайдалана алмайды. Қосымша жадты пайдалану үшін арнаулы программалар – драйверлер жасалынады, олар қолданбалы программадан тапсырма алады да, процессордың қорғалған режим жүйесіне көшеді. Тапсырманы орындаған соң, драйвср алғашқы режимге көшуді қамтамасыз етеді де, процессор жұмыстың қалыпты режиміне ауысады.

Процессордың өте жылдам істейтін тағы бір шағын көлемді жады бар, оны  бүркеме-жады деп атайды.   Ол   жедел   жад   пен   процессордың   жұмысын жылдамдату үшін аралық дәнекер жады ретінде пайдаланылады.

Процессордан бөлек компьютер құрамында:

- ЭВМ құрамына кіретін (дисплей, диск және т.с.с.) әртүрлі  құрылғылар және олардың жұмысын  басқаратын электрондық схемалар (конгроллерлер);

- енгізу-шығару порттары, олар жүйелік блокқа әр түрлі принтер, графиксызғыш, тышқан тетігі тәрізді шеткері құрылғыларды тіркейтін байланыс құрылғылары түрінде болады.

 

 

3. Kомпьютердің жадысының архитектурасы

 

Қазіргі компьютерлердің жадысының иерархиясы бірнеше деңгейлерге құрылады, соның ішінде ең жоғары деңгей төменгі жеңгейге қарағанда көлемі бойынша аз, жылдам және байтпен есептегенде үлкен құнға ие болады. Иерархия деңгейлері өзара байланысты: бір деңгейдегі барлық мәліметтер неғұрлым төмен деңгейде де табылуы мүкін, және осы неғұрлым төменгі деңгейдегі барлық мәліметтер келесі төмен жатқан деңгейден табылуы мүмкін және сөйтіп біз негізгі иерархияға жетпейінше жалғаса береді.  Жады иерархиясы көбіне көптеген деңгейлерден құралады, бірақ уақыттың әр сәтінде біз тек жақын жатқан екі деңгеймен жұмыс жасаймыз. Екі деңгейлі иерархияда болатын, не болмайтын ақпараттың ең кіші бірлігі блок деп аталады. Блок өлшемі белгіленген, не айнымалы болады. Егер бұл өлшем белгіленген болса, онда жады көлемі блок өлшеміне қысқарады.  Соғұрлым жоғары деңгейге сәтті немесе сәтсіз жүгіну сәйкесінше тию (hit) немесе мүлт кету (miss)  деп аталады.  Тию – бұл неғұрлым жоғары деңгейде табылған жадыдағы объектіге жүгіну, ал сол кездегі мүлт кету бұл сол деңгейде оның табылмағанын білдіреді. Тию үлесі (hit rate) немесе тию коэффициенті (hit ratio) неғұрлым жоғары деңгейде табылған жүгіну үлесі болып табылады. Кейде ол пайызбен беріледі. Мүлт кетудің үлесі (miss rate) неғұрлым жоғары деңгейде табылмаған жүгінудің үлесі болып табылады.  Өнімділікті көтеру жады иерархиясының пайда болуының ең басты себебі болғандықтан тию мен мүлт кету жиіліг маңызды сипат болып табылады. Тию кезіндегі жүгіну уақыты (hit time) өзінде, дербес жағдайда, жүгіну тию ме әлде мүлт кету ме екенін анықтауға кететін уақытты құрайтын иерархияның неғұрлым жоғары деңгейіне жүгіну уақыты болып табылады. Мүлт кетудегі жоғалтулар  (miss penalty) неғұрлым жоғары деңгейдегі блокты неғұрлым төмен  деңгейдегі блокпен ауыстыруға арналған  уақыты пен  осы блокты қажет ететін құрылғыға (көбіне процессорға) тасымалдауға арналған уақыт болып табылады.  Мүлт кетулердегі жоғалтылар әрмен қарай екі компоненттен құралады: кіру уақыты (access time)  - мүлт кету кезінде блоктың бірінші сөзіне жүгіну уақыты, және жіберу уақыты (transfer time) – блоктың қалған сөздерін жіберуге арналған қосымша уақыт.