Компьютер архитектурасы

5. Есептеулердің орындалу  тәртібі алгоритммен анықталып,  командалардың тізбегімен (программамен) сипатталынады.

 

Осы аталынған принциптер бойынша ЭЕМ–нің келесі түрдегі  құрылғылары болуы тиіс:

 

-         арифметикалық-логикалық құрылғы  екілік сан жүйесіндегі сандарға  арифметикалық және логикалық  амалдарды орындауға арналған;

 

-         басқару құрылғысы программаның  орындалу үрдісін ұйымдастырады;

 

-         жад немесе еске сақтау құрылғысы   программалар мен деректерді  сақтауға арналған;

 

-         сыртқы құрылғылар  информацияны  енгізу және шығару үшін қолданылады.

 

Компьютерлік құрылғыларды қарастырғанда олардың архитектурасы  мен құрылымы туралы сөз болады.

 

ЭЕМ–нің архитектурасы дегеніміз  оның логикалық ұйымдастырылуы, функционалдық  құралдарының құрамы мен міндеттері, кодтау принциптері және осы сияқты информацияны өңдеуге қажеттілердің  барлығы.

ЭЕМ-нің құрылымы дегеніміз  оның элементтері мен олардың  арасындағы байланыстардың жиыны.

 

ЭЕМ–нің барлық құрылғылары  бір-бірімен байланысқан; байланыс жолдары арқылы информациялық және басқару сигналдары жеткізіледі. Сигналды информацияны жеткізудің материалдық (физикалық) тасымалдаушысы ретінде  қарастыру керек. Қазіргі кезде  информацияны жеткізу үшін электр сигналы  пайдаланылады. Сигналды анықтайтын физикалық  шама ретінде токтың күші немесе кернеуі  болады.  Сигналдарды бір мезгілде (синхронизация) жеткізу үрдісі ырғақтық импульстер генераторының (ГТИ-генератор тактовых импульсов) шығаратын ырғақтық импульстері  арқылы орындалады.

 

Информация сақталынып,  қажет кезде оны ешбір қиындықсыз пайдалана алатындай болуы   керек. Ол  міндеттерді орындайтын  компьютердің арнайы информацияны еске сақтайтын құрылғысы  -  оның жады болады.

 

Жад дегеніміз деректерді қабылдап, болашақта қажетке жаратуға мүмкіндік беретін компьютердің құрылғысы.

 

Информация өңдеуші компьютерлік жүйелерде келесі негізгі жад  түрлері қолданылады:

 

-         регистрлік жад;

-         негізгі жад,

 

-         кэш-жад (сache),

 

-         сыртқы жадтар.

 

Бұлардан бөлек жадтардың  болуы мүмкін, мысалы,  видеожад.

 

Регистрлік жад процессордың құрамында орналасқан, оның көлемі үлкен болмайды; ондағы информация есептеулерде немесе енгізу-шығару амалдарында  тікелей қолданылады.

 

Негізгі жад өңдеу үрдісіне немесе деректер алмасуда тікелей қолданылатын информацияны оперативті (жедел) түрде  сақтауға арналған. Ол интегралдық  схема күйінде құрастырылып, екі  түрге бөлінеді:

 

- тұрақты еске сақтау  құрылғысы (ROM – Read Only Memory – оқуға  ғана арналған жад) өзгермейтін  (тұрақты) программалар мен анықтама  информацияны сақт ау үшін қолданылады;

 

- оперативті  (жедел) еске  сақтау құрылғысы (RAM – Random Access Memory – еркін қол жететін жад)  ағымдағы мерзімде орындалатын  информациялық – есептеу үрдісіне  қатысатын программалар мен деректерді  сақтауға арналған.

 

Негізгі жад  өте көп  элементтерден тұрады. Элементтердің  әрқайсысы екі (0 немесе 1 арқылы бейнеленген)  жағдайдың бірінде болады. Жадтың элементтері топталып, ұяшық  түрінде  болады. Ұяшықтар сөздерді сақтау үшін қолданылады. Әрбір ұяшықтың номері сонда орналасқан сөздің адресі болып  есептеледі; сол адрес бойынша  қажетті информация сөзін табуға болады. Жадтың сапасын анықтайтын қасиеттері мен көрсеткіштері бар. Олардың негізгілері мыналар:

 

-         информациялық  сыйымдылығы  - сақталынатын информация көлемінің  максимумы (байтпен есептеледі);

 

-         қол жеткізу уақыты – процессор  адрестік шинаға қажетті ұяшықтың  адресін берген уақыттан бастап, онымен байланыс орнатылғанға  дейінгі мерзім;

 

-         жазу уақыты – деректер шинасындағы  информацияны оған байланысқан  ұяшыққа жазуға жұмсалынатын  уақыт;

 

-         құрылымы – жадтағы ұяшықтардың  саны мен әрбір ұяшықтың разрядын  көрсетеді.

 

Бұлардан бөлек басқа  да жадтың көрсеткіштері қолданылады, мысалы, бір бит құны, пайдаланатын электр қуаты, статикалық немесе динамикалық  типке жатуы және т.б.

 

Информацияны өңдейтін негізгі  техникалық құрал компьютер болғандықтан, оның техникалық ерекшеліктеріне байланысты,  ондағы информация белгілі бір тәртіппен  бейнеленуге тиісті. Біріншіден, компьютер  — электрлік жүйе, электр қуатымен жұмыс істейді. Эл ектр тогының екі ғана тұрақты жағдайы болады: өткізгіште ток бар немесе жоқ. Осыған байланысты, фон Нейманның принципі бойынша, информация компьютер жадында екілік жүйеде немесе екі цифрдың (0 және 1) көмегімен бейнеленеді. Оны екілік жүйедегі кодтау деп те атайды.

 

Екілік жүйеде бейнеленген  информацияны сақтауға арналған ЭЕМ-нің  жадының ұяшықтары мен регистрлері  болады. Ұяшық бірнеше биттерден  тұрады. Бір бит (bit – binary digit – двоичная цифра – екілік цифр) дегеніміз  бір екілік разрядты сақтауға арналған жад. Сегіз бит бір байтты құрайды. Ұяшықта сақталынатын информацияны сөз деп атайды.

 

Регистр (латын сөзі regestum – енгізілген, жазылған)  жадтың арнайы ұяшықтары; регистрлер орталық  процессорда тікелей пайдаланылатын информацияны уақытша сақтау, жазу мен шығару үшін қолданылады. Регистр  тек онда сақтауға болатын бит  санымен  сипатталынады.

Үлкен көлемді информацияны сақтайтын жадтың көлемі келесі өлшем  бірліктерімен өлшенеді:

 

1 Кбайт = 1024 байт = 210 байт;

 

1 Мбайт = 1024 Кбайт = 220  байт = 1 048 576 байт;

 

1 Гбайт = 1024 Мбайт = 230 байт = 1 073 741 824 байт;

 

1 Тбайт = 1024 Гбайт = 240 байт = 1 099 511 627 776 байт.

 

Мұндағы:  Кбайт – килобайт, Мбайт – мегабайт, Гбайт –  гигабайт, Тбайт – терабайт.

 

Жадтың ұяшықтары мен  регистрлері жад элементтерінен тұрады. Әрбір осындай электрлік  элемент екі жағдайдың бірінде  болады: конденсатор зарядталынған  немесе  зарядталынбаған, транзистор өткізгіш немесе өткізбейтін жағдайда және т.б. Осы физикалық жағдайлардың бірінде жоғары шығатын кернеу құралса,  ал басқасында – төменгі кернеу пайда болады. Көпшілік жағдайда бұл  4-5 вольт және 0 вольт электр кернеуі; біріншісі екілік жүйенің 1 деген мәні болса, ал екіншісі – 0 болады. (Керісінше де болуы  мүмкін; ол кодтауға байланысты).

 

Кэш-жад ағымдағы информация алмасу амалдарында қолданылатын информацияның  көшірмесін сақтауға арналған. Ол өте  жылдам орындалатын, көлемі  кішігірім  жад. Ол көбінесе жылдамдықтары әртүрлі  микропроцессор мен оперативтік  жад арасында информация алмасу үшін қолданылады.

 

Сыртқы жадтар үлкен көлемді  информацияны ұзақ мерзімге сақтауға арналған; оларға келесі жадыларды  жатқызуға болады:

 

- қатты магниттік дискілер (винчестер);

 

- майысқақ магниттік дискілер (дискеталар);

 

- оптикалық дискілер;

 

- магнитоптикалық информация  тасымалдаушылары;

 

- ленталар (стримерлер).

 

Осылардың ең жиі қолданылатындарының  бірі – майысқақ магниттік дискілер немесе Floppy Disk Drive (FDD). Мұнда цифрлық информацияны магниттік жазу принципі қолданылған. Бұл жазу үрдісінің негізін информация тасушы (дискета)  мен оның бетімен қозғалатын өте кішігірім электромагниттің арасындағы бір-біріне әсері құрайды. Дискеталардың көмегімен информацияны бір компьютерден екіншісіне көшіруге,  информацияның көшірмесін сақтап қоюға болады. Информацияны жазу немесе оқу үшін ол белгілі бір бөлімдерге бөлінеді. Оны форматтау деп атайды. Форматтау нәтижесінде дискета жолдар (тректер) мен секторларға бөлінеді.

 

Компьютердің негізгі  құрылғысының  бірі — қатты магниттік  дискі немесе винчестер (Hard Disk). Ол деректер мен программаларды тұрақты түрде  ұзақ мерзімде сақтау үшін қолданылады. Оның жұмыс істеу принциптері  майысқақ дискілерге ұқсас. Қазіргі  кездегі винчестерлердің көлемі өте үлкен: ондаған, жүздеген Гбайт  болуы мүмкін. Процессор деректерге сұраныс жасаған сәттен оны алғанға  дейінгі уақыт мерзімін информацияны алу уақыты деп атайды; ол жадының  негізгі сипатының бірі болады. Қазіргі  кездегі винчестер үшін бұл көрсеткіш 7-9 мс. Дискінің деректерді беру мүмкіншілігін  сипаттайтын көрсеткіш оның енгізіу-шығару арналарына байланысты. Қазіргі кезде  бұл көрсеткіш 60 Мбайт/с деңгейіне  дейін жетеді. Жұмыс өнімділігін  көтеру мақсатымен соңғы кезде шығарылып  жатқан винчестерлер кэш-жадымен қамтамасыз етілген. Оның көлемі шамамен 2 Мбайт  болады. Қатты диск  процессормен өзінің контроллері арқылы байланысқан. Жадтарды  ондағы деректерді алу тәсілі бойынша да жіктейді. Бұл көрсеткіш бойынша, жадтар екі түрге бөлінеді: деректерді тікелей алу (прямой доступ) және деректерді бір ізді алу (последовательный доступ).

 

Деректерді тікелей алу  тәсілі бойынша  қажетті информация жадтың элементінен тікелей адресін  көрсету арқылы алынады; деректерді тікелей алуды қамтамасыз ететін жадтарға RAM, ROM  және  дискілік жадтар жатады. Ал деректерді бір ізді алу  тәсілі бойынша – информация жадтағы  жазылу тәртібі (немесе кері)  бойынша оқылады; бұл тәсіл бойынша жұмыс істейтін жадтарға магниттік ленталар, файлдық және циклдық жадтар мен «соңында келіп – бірінші шығу» (FIFO – Fist In – Fist Out)  принципі бойынша құрастырылған жад жатады.

 

Информация магниттік  дискілерде сақталынғанда белгілі  бір тәртіппен орналастырылады. Ондағы сақталынатын информацияның  бірлігін файл (file – папка — десте) деп атайды.

 

Файл дегеніміз сыртқы жадтың белгілі бір ат берілген  облысында орналасқан,  толық түрде өңделінетін деректердің жиыны. Файл құрамында программа, сандық деректер, мәтін, кодталынған бейнелер және т.б. болуы мүмкін. Файлға ат беріледі. Оның аты екі бөлімнен тұрады; біріншісі өзінің жеке аты болса, ал екіншісі оның атының кеңейтілуі деп аталынады. Файл атының кеңейтілуі ондағы информацияның типін көрсетеді. Мысалы, prog100.pas – Паскаль  алгоритмдік тілінде жазылған программа орналасқан файл болса, prog100.exe – орындалуға дайын программа.

 

Дискіде жазылған файлдардың саны өте көп болуы мүмкін, сондықтан  олармен жұмысты жеңілдету үшін каталог жүйесі қолданылады. Файлдар  иерархиялық каталог жүйесіне  орналастырылады.

Оптикалық дискілердегі информацияны оқу үшін немесе оған жаңа информацияны жазу үшін лазер сәулесі қолданылады. Мұндай дискілерге жататындары:  CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD.

 

CD-ROM (Compact Disk Read-Only Memory) – оқуға  ғана арналған компакт-диск; өте  үлкен көлемді (780 Мбайт) информацияны  сақтауға арналған; ондай дискіде  анықтама жүйелерін, көп орынды  қажет ететін суреттері бар  информацияны сақтау үшін қолданған  тиімді.

 

CD-R (Compact Disk – Recordable ) –  деректерді оқуға және бір  рет жазуға  арналған.

 

CD-RW (Compact Disk Re-Writable) – деректерді  оқуға және көп рет жазуға  арналған.

 

DVD (Digital Versatile Disk) – жалпыға  пайдаланылатын цифрлық дискі,  оның көлемі 17 Гбайтқа дейін жетеді.

 

 

 

 

 

 

ТЬЮРИНГ МАШИНАЛАРЫ

  Тьюринг машиналары.Сыртқы  және ішкі альфавиттер, командалар, бағдарламалар. Тьюринг машинасының  жұмысының сипаттамасы.

Егер алгоритм түзу құрылымын қарастырса, онда оларды түзудің үш негізгі типін: сызықтық, тармақталатын, циклдік-ерекшелеуге  болады.

Орындаушы командалардың орналасу ретіне қарай бірінен кейін бірін  орындайтын алгоритм сызықтық деп аталады.

Орындаушының әрекеті қандай да бір шарттардың орындалу нәтижесімен  анықталатын алгоритм тармақталатын  деп аталады.

Кейбір жеке командаларды немесе командалар тобын орындағанда бірнеше рет  қайталанатын алгоритм циклдік деп  аталады.

Көптеген алгоритмдер осы құрылымдардың  бәрін өзіне біріктіреді.

Жоғарыда  сипатталған алгоритм анықтамалары интуитивті деп аталады, себебі олар адам түсінігіне есепке алады. Бірақ  математиканың өзінің есептерін  шешу үшін алгоритм ұғымын анықтап  алу қажеттігі пайда болды. Алгоритмнің  математикалық анықтамасы ХХ ғасырдың отызыншы жылдарының ортасында үш типті  модельдерде алынды:

Есептелгіш (рекурсивті) функциялар теориясы;

Ақырлы, ақырсыз автоматтар теориясы;

Марковтың нормалы алгоритмдері.

Бірінен-бірі тәуелсіз тарихи пайда болған бұл  тәсілдер, соңыра өзара эквивалентті болып шықты. Алгоритм ұғымын тұрпаттандырудың негізгі мақсаты мынада: әртүрлі  математикалық есептердің алгоритмдік  шешімділігі мәселесін шешуге жол  ашу, яғни есеп шешіміне әкелетін алгоритм құруға бола ма?- деген сұраққа жауап  беру. Біз осы мәселенің қойылуын және есептердің алгоритмдік шешімділігі  теориясының кейбір нәтижелерін  қарастырамыз, бірақ алдымен Пост, Тьюринг машиналары және Марковтың  нормалы алгоритмдері мысалында  автоматтар  теориясындағы алгоритм ұғымын тұлғатандыруды, сонан соң  рекурсивті функциялар теориясы негіздерін талқылаймыз.

Өздеріне  арналған программалардың қасиеттері туралы әртүрлі тұжырымдауды дәлелдеуге арналған абстракты ( яғни шын емес, тек қиялда ғана бар) Пост  пен  Тьюринг машиналарын американдық  математик Эмил Пост пен ағылшын  математигі Аллан Тьюринг бірінен-бірі тәуелсіз (және іс жүзінде бір уақытта) 1936 ж. ұсынды. Бұл машиналар бастапқы мәліметтерді “енгізіп”, программалар орындалғаннан соң нәтижені оқуға  мүмкіндік беретін, толығымен анықталған әмбебап орындаушылар болып табылады. Пост машинасы аса танымал емес, бірақ Тьюринг машинасына қарағанда  әлдеқайда қарапайым.

Пост машинасы

Пост абстракты машинасы, жазатын  немесе оқитын  түбіртек арқылы не ен жазылып, не ен оқылатын жеке секцияларға (ұяшықтарға) бөлінген ақырсыз таспа  болып табылады.

1.16. сур. Пост абстракты машинасы.

Таспа (немесе түбіртек) командаға байланысты бір адым солға немесе оңға ауыс қимыл жасай алады. Таспа әрқашан  түбіртектің қарсы алдында секция (ұяшық) тұратындай етіп тоқтайды. Абстракты  автомат командалары әдетте келесі әрекеттердің бірінен тұрады:

Команда	Таспаның  күйі
		командадан  кейін
Түбіртектің оңға қозғалуы
Түбіртектің солға қозғалуы
М енін жазу m
С енін өшіру m
Басқаруды беру
Тоқтау стоп n