Дәріс 4. Дербес компьютердің архитектурасы.

Құрылысының ақпараттық-логикалық негіздері. Функциональды-құрылымдық ұйымдастыру. Микропроцессорлар. ДК есте сақтау құрылғысы. Жадының құрылымы. Жадында мәліметтердің берілу тәсілдері. ДК негізгі сыртқы құрылғылары.. Жедел жады. BIOS. Шиналар мен порттар. Жинақтағыш құрылғылар.

ЭЕМ архитектурасы ұғымы – ЭЕМ-нің көрнекі аспектілерін, атап айтқанда: командалар жүйесін, адрестеу режимдерін, деректердің форматын, программамен басқаратын регистрлер жиынын білдіреді.

ЭЕМ–нің конфигурациясы ұғымы - ЭЕМ-ді жабдықтайтын элементтердің қызметінің, санының, негізгі сипаттамаларының дәл анықталуын және өзара байланысуын білдіреді.

ЭЕМ–ді ұйымдастыру ұғымы ЭЕМ мүмкіндіктерінің қалай жүзеге асырылатындығын білдіреді.

Команда – программаны орындау кезінде белгілі бір әрекетті іске асыруға қажет мәліметтердің жиыны. Команда операция кодынан және бірнеше адрестер өрісінен тұрады. Операция коды орындалатын операцияны көрсетеді. Адрестер өрісі – командалар операндтарының орнын көрсетеді. Команданың адрестік өрісіндегі ақпарат арқылы адресті алу адрестеу режимі деп аталады.

ЭЕМ–де жүзеге асырылатын командалар жиыны оның командалар жүйесін құрайды.

1946 жылы американ математигі Джон Фон Нейман өз мақаласында ЭЕМ-нің жұмыс атқару принципі мен құрылғыларын толық көрсетті. ЭЕМ жұмысының басты принципі – программалар мен деректердің машинаның жалпы жадында сақталу принципі болды. Мақала мазмұнының идеясы “Джон фон Нейманның ЭВМ архитектурасы” деп аталды, бұл идея негізінде 1949 жылы EDSAC машинасы құрастырылды.

1945 жылы американ математигі Джон фон Нейман компьютер құрудың мына принциптерін ұсынды.

• Джон Фон Нейман машинасында басқару блогы, арифметикалық-логикалық құрылғы (АЛҚ), жады және енгізу-шығару тәрізді негізгі блоктар болу керек.

• Ақпарат екілік жүйеде кодталады және сөздер деп аталатын бірліктерге бөлінеді.

• Алгоритм орындайтын әрекеттер басқарушы сөздер тізбегі түрінде жазылады. Бұл басқарушы сөздер командалар деп аталады. Алгоритмды командалармен жазу программа деп аталады.

• Программалар мен берілгендер бір жадыда сақталады.

• Басқару құрылғысы (БҚ) мен арифметикалық құрылғы орталық процессорға біріктіріледі. Олар шапшаң жадыдағы команданы оқып, орындалатын әрекетті анықтайды. Алгоритмдегі ақпаратты өңдеу, программадағы командаларды тізбектеп орындауға келіп тіріледі.

Эем даму буындары

ЭЕМ-нің даму тарихы бірнеше буындардан тұрады. Буындардың ауысуы электрондық техникалардың дамуына, ЭЕМ-нің элементтік базасына тәуелді болды

Буын	даму жылдары	Негізгі базасы	сипаттама
1	1940-1955 жылдар	электрондық шамдар	ENIAC
2	1955 жылдан бастап	жартылай өткізгіштер – транзисторлар	Фортран, Алгол, Кобол программалау тілдері
3		Интегралдық схема	мультипрограммалық режим
4	1971 жылы, алғашқы микропроцессор	үлкен интегралдық схема	дербес компьютер
5	1980 жылдан бастап	өте үлкен интегралдық схема	“Жасанды интеллект”

1975 жылы АҚШ алғашқы сериялық дербес компьютер (ДК) пайда болуы адамның барлық қызмет саласында революциялық аударым жасады. Бірінші ДК ашық архитектура принципіндегі әр түрлі ЭЕМ жасауға болатын электрондық блок түрінде құрылды. 1981 жылы блок-модульдік конструкциядағы ДК шыға бастады. Кіші ЭЕМ ХХ ғасырдың 80 жылдардың басында кең тарауы компьютерді қолданушыға жақындатумен түсіндіріледі. Кіші-ЭЕМ-дер кәсіпорындар мен өндірістерде қолданылды, себебі үлкен ЭЕМ –дерді қолдану үнемдеу жағынан пайдасыз. ДК кіші класқа жатады және жеке қолдануға арналған; әртүрлі саладағы мамандардың интеллектуалдық еңбегінің өнімділігін арттыратын жалпы қолайлы универсалдық инструмент. Ол қолданушымен диалогтық режимде автономды жұмыс атқаруға арналған. ДК-ң жалпы қолайлылығы салыстырмалы түрде кіші бағасымен, компактілігімен, қолдану шарттары мен қолданушының дайындық деңгейіне арнайы талаптардың жоқтығымен анықталады.

Негізгі ДК кішіпроцессор (КП) болып табылады. КП техникасының және технологиясының дамуы ДК ұрпағына алмастыруды әкелді:

• Бірінші кезеңі (1975-1980ж)- 8- разряд қорындағы КП

• Екінші кезеңі (1981-1985ж)- 16- разряд қорындағы КП

• Үшінші кезеңі (1986-1992ж)- 32- разряд қорындағы КП

• Төртінші кезеңі (1993ж-қазіргі кезге дейінгі)- 64- разряд қорындағы КП

ДК-ң дамуында 1981 ж Intel-8086 кіші процессорқоры негізінде IBM (АҚШ) кәсіпорнымен шығарылған IBM РС компьютерінің пайда болуы үлкен рөлді алды.

Бұл компьютер нарықта үлкен сауда орнын алды. Басқа да компьютерлік фирмалар осы компьютер моделіне сай етіп компьютерлер шығара бастады. Біздің күнде сатылатын компьютерлердің 85% IBM РС архитектура базында жасалған.

ДК-ны өндірудегі даму келесі факторлармен анықталады:

• Арзан бағасымен

• Қолдануға және түсінуге оңай диалогиялық бағдарламалар құралдары

• Жеке жұмыс үшін қызмет орнында қолдануы

• Ақпаратты өндіруде салыстырмалы түрде үлкен мүмкіндіктері бар

• Адамның қызмет етуінің барлық саласында ДК-ны қолдануда бағдарламамен қамтамасыз етеді

• ДК –ны жергілікті есептеу желісіне бірлестіру мүмкіндіктері

ДК қызмет көрсетуі және міндеті бойынша 3 топқа бөліп көрсетуге болады: тұрмыстық , жалпы міндеттік және профессионалдық.

Тұрмыстық ДК көпшілік тұтынушыларға арналған, сондықтан олар жетерліктей арзан, берік және қарапайым пішінді болуы керек. Оларды үйде ойын-сауық үшін тұрмыстық техникамен басқару үшін қолданылады.

Ортақ міндетті ДК ғылыми-техникалық және экономикалық есептерді шешу үшін сонымен қатар үйрену және жаттығу үшін қолданылады. Бұл машиналар кіші процессорінің жоғарғы өнімділігі, жеделк жадының сиымдылығы деңгейінің үлкендігі, иілгіш және қатты магнит дискілеріндегі сыртқы жадына ие. Интерфейстер есептеу жүйесінің құрамында жұмыс істеу үшін перифериндік құрылғылардың көптеген санын қосуға мүмкіндік береді. Бұл ДК класы әлемдік нарықта кең көлемде таралған.

Профессионалдық ДК ғылым саласында өндірістік есептер мен қиын ақпараттарды шешу үшін кең қолданылады. Профессионалдық ДК-ң қолданушылары маман-программистер болып табылады. Қазіргі кезде қиын есептерді шешуде көп процессорлік профессионалдық ДК-лар қолданылады.

Салмағын және габариттерін азайту үшін LAPTOP компьютері және NOTEBOOK компьютер-блокноттар шығарылуына әкелді. Ноутбук және лэптоп – пернетақта мен жүйелік блок бір корпуста шабадан түрінде орындалған кішкентай ДК.Корпустың қақпағы электрондық негізінен бөлінбей байланысқан сұйық кристалды дисплей ЭЕМ мен дисплей арасындағы сымдар корпуста жасырылынып жасалған. Бұл модельді компьютерлер техникалық параметрлері бойынша әдеттегі компьютерлердің атқаратын функцияларынан сәл төмендеу болып келеді. Ноутбукта ДК сияқты қосымша сканер, принтер, модемдер және т.б. құрылғыларды қосуға болады. Бұданда кіші көлемдегі PALMTOPS атты компьютерлер бар.Бұндай компьютерлер алақанға да сиып кетеді.

Дербес компьютер-ақпаратты құру, сақтау, өңдеу және тасымалдау жұмыстарын автоматтандыруға арналған күрделі электрондық құрал.

Адам мен компьютердің қарым-қатынасы интерфейс деп аталады. Бағдарламалар арқылы қарым-қатынас бағдарламалық интерфейс деп аталады.

Адамға компьютердің жұмысын басқаруға мүмкіндік беретін және компьютерден ақпарат алуға мүмкіндік беретін физикалық құрылғылар аппараттық интерфейс деп аталады.

1981 жылы IBM фирмасы ұсынған IBM PC XT компьютерінің конструкциясы табысты болды. Оның себептері мынада:

- ең алдымен, жаңа, болашағы бар Intel 8088 процессорының қолданылуы. Intel 8088 процессорына16 разрядты екілік кодқа есептелген ішкі регистр қойылды.

- IBM PC компьютерінің «ашық архитектурасы», яғни, кеңейту шинасына қосымша блоктар қосу арқылы компьютердің конструкциясын жаңарту;

- IBM фирмасы өзі жасаған архитектураға авторлық құқығын бекітпеді. Тек BIOS кодын ғана патенттеді. ДК-дің жұмысқа қосылуы осы BIOS программасынан басталады. Басқа фирмаларға өздерінің BIOS кодын жазу жеткілікті. Сондықтан, басқа фирмаларға осы архитектурадағы ДК жасауға мүмкіндік пайда болды. Осыдан соң, IBM-мен үйлесімді ДК ұғымы пайда болды.

Microsoft фирмасы IBM PC компьютерін программалармен жабдықтайды. Ол программалар ДК-дің әрбір алдыңғы буындарымен үйлесімді. Осы себептерге байланысты ДК-лер қоғамның барлық саласында кеңінен енгізілуде және үлкен сұранысқа ие болып отыр.

Джон фон Нейман принципі бойынша ДК-дің құрылымдық сұлбасы мына түрде бейнеленеді (1-сурет).

АЛҚ- арифметикалық-логикалық құрылғы.

БҚ – басқару құрылғысы

ЕҚ – енгізу құрылғысы

ШҚ – шығару құрылғысы.

Орталық процессор деректерді өңдеуге, барлық есептеуді жүргізуге, компьютер жұмысын басқаруға арналған. Бір интегралдық схемадан тұратын процессор микропроцессор (МП) деп аталады. Күрделі машиналарда процессор бір-бірімен өзара байланысты бірнеше интегралдық схемалар жиынынан тұрады.

Процессордың негізгі сипаттамалары:

• Ішкі регистрлерінің ( екілік кодтағы сандарды сақтау, жазу, оқу құралдарының) разрядтылығы;

• Деректер шинасы мен адрестер шинасының разрядтылығы;

• Ішкі және сыртқы тактілік жиіліктің мәндері;

• Байланыс режимінің конструкциясы;

МП бір-бірінен өзгешелігі олардың типтеріне (модельдерінде), қарапайым амалдарды орындайтың жылдамдығына (тактілік жиілігіне, МГц) байланысты.

Жады-деректерді, бағдарламаларды, нәтижелерді, аралық шамаларды сақтауға арналған.

Енгізу құрылғысы-екілік кодымен кодталған информацияларды және бағдарламаларды компьютер жадысына енгізуге арналған.

Шығару құрылғысы-өңделген нәтижелерді кері кодтауға және оларды адамға қолайлы түрде шығаруға арналған.

Магистраль (Информациялық даңғыл) -барлық құрылғыларға информациялар алмастырып беріп отыруға арналған

Жады - әр-біреудің өз адресі бар саны анықталған ұяшықтардан тұрады. Ұяшыққа оның адресі бойынша қол жеткізеді. Жады екі операция жүргізеді: деректі жоғалтпай оқиды және алдыңғы мәнді өшіріп жаңа мәнді жазады. Жадының ең кіші адрестелуі – 8 бит (байт). АЛҚ бір уақытта регистрге орналастыра алатын немесе өңдей алатын биттер жиыны машиналық сөз деп аталады.

машиналық сөз машиналық сөз

0байт

1байт

2байт

3байт

.....

Ұяшық адресі 1120 1121 1122

Жады түрлері

Дербес компьютердің барлық құрылғыларының жиыны аппараттық жасақтама деп аталады, олар:

• Жүйелік блок – ішінде: аналық тақша процессор, жедел жады (RAM – RandomAccess Memory), бейнетақша, дыбыстық тақша және сыртқы жады құрылғылары орналасады;

• Сыртқы жады құрылғылары – қатты магниттік диск (HDD – Hard Disk Drive), лазерлік оқу (CD ROM) және оқу/жазу CD RW компакт-дискілері және олардың дискқозғағыштары;

Негізгі ішкі жадыға 2 типті электронды құрал жатады

• Тұрақты сақтаушы құрылғы (ROM – Read Only Memory);

• Жедел жады (RAM – RandomAccess Memory) және КЭШ жады (cache Memory). Олардың нағыз түрлері – микросхемалар.

Шапшаң жадыда ақпарат уақытша сақталады.

Кэш-жадыда жиі қолданылатын деректер сақталады. Кэш-жады жүйелік платада немесе процессорда орналасады да, процессор мен негізгі жадының арасында тез әрекет жасайтын буферлік жады қызметін атқарады.

Тұрақты жады ақпаратты тұрақты сақтайды. Компьютерді сөндіргенде де ондағы ақпарат жоғалмайды.

Сыртқы жады – электр энергиясынан тәуелсіз көлемі үлкен, ақпаратты ұзақ мерзімге сақтауға арналған алмалы салмалы магниттік тасымалдаушы құрылғылар.

Қатты магниттік дискідегі жинақтауыш (HDD – Hard Disk Drive) немесе винчестер – жүйелік блогка кірістірілген, жұмыс жасауға қажетті ақпаратты ОЖ, программалар дестесін, сандыұ деректерді, мәтіндерді, ойындарды сақтау үшін арналған. HDD тің сыйымдылығы 4096 Гб (4 Тб) дейін жетеді.

Енгізу құрылғылары: Клавиатура, Тышқан, сканер (планшетті, штрих-сканер, барабанды), жарықтық қалам, дигитайзер, цифрлік фотокамера, графикалық планшет (диджитайзерлер), микрофон, сенсорлық экран

Шығару құрылғылары: Монитор, принтер (Матрицалық, лазерлік, сия бүріккіш), график сызғыш, плоттер, колонкалар жатады.

Манипуляторлар: трекбол, джойстик.