Архитектура компьютера

ҚАЗАҚ ТҰТЫНУ ОДАҒЫНЫҢ АЛМАТЫ КООПЕРАТИВТІК КОЛЛЕДЖІ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курстық жұмыс

 

 

 

 

Пәні бойынша: «Ақпараттық техникалық құралдары»

Тақырыбы: «Компьютерлік архитектурасы»

 

 

 

 

 

 

 

 

Орындаған:

Тексерген: Капенова Н.С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Талдықорған қаласы

 

 

Мазмұны:

 

Кіріспе.

І. Сандық машиналардың арифметикалық және логикалық негіздері.

1. Есептеуіш техниканың даму тарихы, қазіргі заманғы компьютерлердің даму кезеңдері.

1.2. Санау  жүйесі, сандарды бір санау жүйесінен  екінші санау жүйесіне ауыстыру.

1.3. Ақпаратты кодтау тәсілдері, компьютерде ақпараттың берілуі. Негізгі логикалық элементтер. Алгебра логикасының негіздері. Логикалық құрылымды синтездеу.

ІІ. ЭЕМ элементтері және түйіндері.

2.1 Элементтер құрылымы және  қызметі. Орталық процессордың  жалпы құрылымы. Орталық прцессордың негізгі элеметтері және қолданылуы.

2.2. Жады  құрылымы және оны ұйымдастыру.  Жады элеметтері, олардың қолданылуы, мүмкіндіктері және жұмыс жасау  принципі. Компьтерлік жады құрылымы.

2.3.Үзіліс  жүйесі. Үзіліс жүйесінің қолданылуы, жұмыс жасау принципі және ұйымдастырылуы. Енгізу-шығару жүйелері.

2.4. Интерфейс  қолданылуы және мүмкіндіктері,  компьютердің негізгі интерфейсі.

ІІІ. Перифериялық құралдары.

3.1 Перифериялық құралдарың техникалық  мүмкіндіктері, құрылымы, қолданылуы. Перифериялық құралдар.

3.3. Ақпаратты бейнелеу құралдары. 

3.2. Ақпаратты енгізу құралдары. 

Қорытынды.

Қолданылған әдебиеттер тізімі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кіріспе

 

Қазіргі кезеңде дербес компьютердің ғылымда, техникада, экономикада тіпті өндірістің кез-келген саласында кеңінен қолданыла бастауымен оның маңызы туралы айтып, ешкімді таңқалдыра алмайсың. Бұл салада тек білікті мамандар дайындау мәселесі күн тәртібіндегі негізгі мәселелердің бірі болып отыр. Электронды есептеуіш машиналар (ЭЕМ) және жүйелер адамның ойлап тапқан ең қиын аппартатық және программалық қамсыздандыруы. Сондықтанда қазіргі заманның және келешек ЭЕМ мен оның элементтік базаларын , яғни ЭЕМ-нің орталық құрылғыларының негізі болып табылатын микропроцессорлар мен микроконтроллерлерді және олардың интерфейстері мен орталық құрылғылармен байланыс каналдарын толықтай оқытатын оқу құралы қажет. Оқу құралында ЭЕМ архитектурасының негізгі түсініктері, электронды есептеуіш техниканың ақпараттық-логикалық негіздері, ЭЕМ-нің типтік логикалық элементтері мен түйіндері, процессордың жұмыс істеу принциптері мен құрылысы, ЭЕМ-нің перифериялық құрылғылары, электронды есептеуіш жүйелердің аппартаттық қамтамасыздандыруы мен архитектурасының даму тенденциялары қарастырылады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

І. Сандық машиналардың арифметикалық және логикалық негіздері

 

1.1 Есептеуіш техниканың даму тарихы, қазіргі заманғы компьютерлердің даму кезеңдері.

 

Көпшілік мақұлдаған топтастыруды қолданып, есептеуіш техниканың дамуын келесі кезеңдерге бөлуге болады:

1. Қол – б.э. дейінгі елуінші мыңжылдықдан бастап;

2. Механикалық – XVII ғасырдың  ортасынан бастап;

3. Электромеханикалық – XIX ғасырдың 90-шы жылдарынан бастап;

4. Электрондық – XX ғасырдың 40-шы  жылдарынан бастап.

Адам баласы есептеу үшін саусақтарын қолданудан бастап көптеген есептеу әдістерімен қатар көмекші құралдарды қолдануды талап еткен . Сондықтан да көптеген есептегіш құралдар ойлап табылды. Шотландия математигі Джон Непер көп таңбалы сандарды бір таңбалы сандарға көбейту амалын орындайтын есептеу құралын ойлап тапқан. Осы құрал " Непер таяқшасы " деп аталады. Сонымен қатар есептеу машинасын жасау идеясы кезінде атақты неміс ғалымы Г. В. Лейбницті қатты толғандырады. Ол 1670 жылы арифметикалық құралдың алғашқы эскизін жасады. Лейбництің арифметикалық машинасы арифметикалық төрт амалды орындайтын дүние жүзіндегі бірінші болып саналады. 1874 жылы орыс инженері В. Т. Однер арифмометр ойлап тапқан. Академик П.Л.Чебышев 1878 жылы сандарды автоматты түрде қосуға арналған "қосушы" машина ойлап құрастырды. Чарлз Бэббидж 1823 ж. санақ машинасын ойлап тапқаны үшін Астрономиялық қоғам оған Алтын медаль берді. Ада Августа Лавлейс математикаға деген талпыныс өте ерте оянды. Чарлз Бэббидж оның жұмыс істеу қабілеттерін жоғары бағалады. Ада Августа Лавлейсті тұңғыш программист деп атауға болады, өйткені оның кейбір терминдерін қазіргі программистер әлі күнге дейін қолданады.

 

Есептеу техникасы мен  электрондық есептеу машиналарының  даму тарихы мен келешегі.

 

 

 

Адамның қызметінсіз  есептеу жұмысын автоматты түрде  орындайтын тетікті алғашқылардың бірі болып ағылшын математигі және экономисі Чарлз Бэббидж ұсынған болатын . 1830-1833 ж Бэббидждің санақ машинасын шығаруда көп еңбек етіп 1834ж. жұмысын аяқтады. 1849-1852 ж аналитикалық есеп машинасын құрастырады. Аналитикалық машинаның келесідей құрама бөліктері болған: 1.сандарды сақтау үшін "қойма" (қазіргі терминалогиямен "жинақтаушы" , немесе "есте сақталатын жабдық'') 2."дирмен"(мельница) - сандарға арифметикалық әрекет өндірісі үшін (арифметикалық жабдық) 3.машиналар операцияларының бірінің артынан бірі нақты басқаратын контор. 4.берілген мәліметтерді енгізуге және шығару құралдары. Генерал- майор Генри Провост Бэббидж (1824-1918ж.) отставкаға шықаннан кейін әкесінің жұмысын аяқтады. 1888 ж. 12 қазанда Генри Бэббидж Британ ассоциация мүшелерінің жиналысында аналитикалық машинаның дамығанын баяндады. 1906 ж Генри Бэббидж аналитикалық машинаның кейбір бөлшектерін өзгертіп қайта құрастырды және Р.В.Мунро фирмасының көмегімен дайындап шығарды. 1890 жылы американ инженері Герман Холлерит Бэббидж идеясын қосу амалын орындайтын арнайы есептеу машинасын жасауға пайдаланады. Осы машина "табулятор " деп аталады. Табулятордың есептегіштері механикалық бойынша жұмыс істегенімен, электронды импульс арқылы басқарылып отырған. Әр жыл өткен сайын, соның ішінде 1902 жылы автоматты табулятор, ал 1913 жылы өзі басатын және жинақтағыш табулятор сонымен қатар 1936 жылы перфокарталық машина, ал ең соңында 1946 жылы алғашқы электронды есептеуіш - аналитикалық машина жасалды. Есептеу техникасын жетілдіру саласы осындай жаңа бағыт алып одан әрі дами түсті. АҚШ-та 1944 жылы американ физигі Г.Г.Айкеннің басшылығымен реле жүйесі негізінде машинасы алғашқы электронды - есептеу пайда болды . Ол машина "Марк - 1" деп аталады. Ең алғаш рет электронды есептеуіш машина 1946 жылы АҚШ-та жасалынды. Осы машина "ЭНИАК" деген атпен әлемге таралды. ЭНИАК – сөзі электрлі - механикалық реледен тұрады . Бірінші Советтік ЭЕМ 1950 жылдары МЭСМ (кіші электрондық есептеуш машина) Киев қаласының ғалымы Лебедев Сергей Алексеевичтың қолбасшылығымен құралған. Лебедевтің басшылығымен Москвада 1962 жылы ССРО Ғылым академиясының механика және есептеу техникасы институында "МЭСМ" - жетірілдірген түрі - БЭСМ (үлкен электронды есептегіш машина) жасалып шығарылды. Бұл машина секундына 10 мың команда орындайды, БЭСМ - нің жады 39 разряды 1024 - ұядан тұрады.

1963 жылы  Москвада Ю. Б. Базилевскийдің  басшылық етуімен "Стрела" деп аталатын электронды - есептеу машинасы өмірге келді. Осыдан кейін де бірнеше әмбебап машиналары шығарылды. Олардың қатарына мынадай машиналар жатады: БЭСМ - 1; М - 2; Раздан; Минск - 2 және т.б. жатады. Бұл машиналардың элеметтік базасы - электрондық шамдардан, жартылай өткізгішті диодтардан және магнитті өзекшелерден тұрады. Бұл айтылғандардың барлығы электрондық есептеуіш машиналардың бірінші белесіне жатады. ССРО - да 60- жылдардың басында элементтік базасы транзистордан тұратын екінші буынды электрондық есептеуіш машиналар шықты. Бұл машиналардың қатарына БЭСМ - 4; М - 220; Урал - 14; Минск - 32 т. б. жатады. С. А. Лебедев пен В. А. Мельниковтың басқаруымен БЭСМ - 6 электрондық есептуіш машинасын ерекше атауға болады. Бұл машина секундына 1миллионға дейін командалар орындайды. Осы машинаның сыртқы жады магнитті барабандарда, ленталар мен дискілерде орналастырылған, сонымен қатар онда миллиондаған байт информация сыяды. Ал екінші буындағы қуатты әмбебап электронды - есептеуіш машиналардың қатарына: Найри - 1; Мир - 1, 2 жатады. ССРО - да 70 - жылдары интегралдық микросхемаларды шығарудың іске асыруы электронды есептеуіш машиналары өндірісінің үшінші белесіне өтуге мүмкіндік туғызды. Үшінші белестегі машиналардың элементтік базасы интегралдық схемалардан тұрады. Интегралдық схеманың барлық электрондық элементтері: диодтар, транзисторлар, резисторлар ғана материалдан (жартылай өткізгішті кристалдан, металдан немесе диэлектриктен) жасалады. Жеке - жеке бөлшектерге қарағанда бүтін бір схеманы жасау , жеңілдеу және интегралдық схеманы автоматты түрде монтаждауға болады. Бірақ та осы жасалған пластинкалардың ұсақтығы жұмыс істеуге көптеген қиыншылықтар туғызады. Олардың электронды "миы" тек қана сандармен емес, сонымен қатар сөздермен және үлкен - үлкен текстермен де жұмыс атқара алады. Оның амал орындау жылдамдығы мен жұмыс атқару қабілеті жоғары тетіктері де сатылап емес, бәрі бір мезгілде жұмыс атқара алады және бұларға жаңа тетіктер қосылды. Үшінші буындағы есептеу машиналарының негізгі тетіктерінің бірі - автоматты түрде оқу тетігі. Осының көмегі арқылы текстерді лезде қабылдап оқуға болады. 80 - жылдарда микроэлектрониканың дамуына байланысты элементтік базасы үлкен интегралдық схемалардан тұратын төртінші буындағы машиналардың серияларын шығаруға көптеген мүмкіндік туғызды. үшінші буындағы қолданылған интегралдық схема мен үлкен интегралдық схеманың арасында бір талай айырмашылық бар:

а) бұрынғы схемаларға қарағанда үлкен интегралдық  схеманың жұмыс атқару мүмкіншілігі артық , көлемі шағын , салмағы жеңіл ;

ә) пайдаланылатын электр қуаты да бірнеше есе аз ;

б) блоктардың бағасы алғашқы буындардағы машиналар блоктарына қарағанда бірнеше есе арзан.

Машинаның сыртқы ауқымының кішіреюі, ЭВМ құрылғыларының құнының арзандауы - әрекет тездігі, жадының көлемі және басқа жақтарынан да 60 - жылдардағы күрделі ЭВМ - дерге тең келетін көлемі телевизордай дербес компьютерлердің пайда болуына әкеп соқты. Жеке компьютерлермен қатар ұзақ уақыт есептеуді қажет ететін есептерді шығаруға арналған жоғары өнімді ЭВМ-дер шығарылды. Бұлардың қатарына – көп процессорлы есептегіш комплексі "Эльбурс" және МВК ПС - 2000. Төртінші буын - Программаланатын микрокалькулятор (ПМК). Қазіргі кезде халық шаруашылығында үлкен, күрделі ЭЕМ-мен қатар, кәсіптік дербес ЭЕМ-дер және қалталық программаланатын электронды микрокалькуляторлар да (ПМК) көп таралып қолдануда. Жылдан - жылға ПМК-лар дамып олардың жаңа түрлері жасалынып шығуда. ПМК-ы уақытша ғана қажет есептеу құрылымы - деп қарауға болмайды. Олардың күнделікті жай есептеудегі қызметі өте зор және келешегі мол. Қазіргі кездегі программаланатын микрокалькуляторды кәдімгі компьютер - деп қарастыру керек. Олар тек шағын ғана күнделікті жады құрылысын қажет ететін және оперативтік есептеуді талап ететін жұмыстарды атқаруда өте тиімді. Қазіргі кезде ТМД-да программаланатын әр түрлі электронды микрокалькуляторлар (ПМК) шығарылады.  Бесінші буындағы компьютерлердің элементтік базасы өте үлкен ИС - тен тұрады (ӨҮИС). Олардың негізгі қызметі дыбыс арқылы қабылдайды және дыбыстап жауап береді. Ал енді есептеу техникасының келешегі туралы айтсақ: - Болашақта ЭЕМ - нің жаңа типі " Жарық машинасын " жасауға үміт бар. Мұндай құрылыс көптеген мәліметтерді әртүрлі қашықтықтардан қамтамасыз етеді. - Болашақта биологиялық машина жасау жөнінде де идея туындап отыр. Егерде бұл идея іске асса, онда мұндай ЭЕМ - дердің мәлімет тасушылары белоктар болады деп айтуда. - Қазіргі уақыттағы электронды өндіріс орындарының "Элементтік база" жасаудағы көптеген жетістіктеріне байланысты, есептеу техникасының жұмыс істеуін арттырудағы мүмкіндігін пайдалана отырып, параллельді - құрылысты ЭЕМ жасалуы керек , яғни оның мағнасын тереңірек аша түссек ЭЕМ бірден бірнеше есеп шығарады да, қаншама әрекет тездігі тиімді қолданылады. Адам миының ойлау жүйесіне ЭЕМ жұмысы сәйкес келеді, яғни " Нейронно - сеттік " құрылысы осы сәйкестікті қамтамасыз етуге тиісті.

 

1.2. Санау жүйесі, сандарды бір санау жүйесінен екінші санау жүйесіне ауыстыру.

 

ЭЕМ-нің жұмыс істеу тәсілдерін, оның берілген информацияны қалай ұғатындығын  түсіну үшін, санақ жүйелері туралы кейбір ерекшеліктерін білу керек. Санақ жүйелері. Санақ жүйесі деген - кез-келген берілген санды көрсету кезінде қолданылтын белгілер және ережелер жиынын атайды. Санақ жүйелері тұрған байланысты мағынасын (өзгертетіндер) позициялық және позициялылық емес болып бөлінеді.

Позициялық сандық жүйеде цифрдың мағынасы оның орналасқан позициясына байланысты өзгеріп отырады. Мысалы, 2749, 365 қандай позицияда тұруына байланысты бұл санның мағынасы өзгеріп отырады.

 

 

Позициялық сандық жүйеде кез-келген негізге мынадай қағида сәйкес келеді: әрбір қарастырылып отыратын разрядтағы бірліктер алдыңғы разрядтың бірліктерінен қанша есе көп екенін көрсететін сан, сол сандық жүйенің негізі болып саналады. Сондықтан кез-келген позициялық сандық жүйеде тұрған санды мынадай түрде жазуға болады:

 

ЭЕМ-де тек позициялық сандық жүйе ғана қолданылады, өйткені бұл жүйеде санды жазу басқа жүйеге қарағанда жинақы және есептеуге ыңғайлы келеді. Тарих бойынша ондық жүйе ең көп тараған жүйе түрі. Бірақ сонымен қатар көптеген жүйелер де осы күнге дейін қолданылады. Мысалға: Маия халқы - жиырмалық, индейстер -бестік, ондық, Европада революцияға дейін - он екілік, ал Қытайда - бестік жүйелер қолданылады. Негізінде кез-келген сандық жүйе құруға болады. Сандық жүйенің негізі ретінде кез-келген бүтін санды, мысалы, 2, 3, 8 және т.б. қабылдап, соларға сәйкес екілік, үштік, сегіздік, және басқа да жүйе құруға болады. Ондық сандық жүйеде ЭЕМ-де информацияны өңдеу ыңғайлы, өйткені есептеу машиналарының негізгі жұмысшы элементтері екі позицияда ғана болады: "Қосылған", "Айырылған", және т.б. Сегіздік сандық жүйе машинаға есепті программалауға дайындағанда команданы жазу үшін және машинаға енгізу үшін қолданылады. Сегіздік сандық жүйеде тек 0-ден 7-ге дейінгі цифралар қолданылады. ЭЕМ-де мәліметтерді екілік жүйеде өңдеу өте ыңғайлы, себебі екілік жүйеде санның кез-келген разряды тек 0 және 1 өрнектеледі, ал мұндай цифралардың физикалық моделін құру техникалық жағынан оңай келеді. Мысалға, реле контактылар қосылға - модель - 1, айырылған - модель - 0.

Екілік сандық жүйенің  негізін алғаш рет 1850 жылы ағылшын  ғалымы, математик Дж. Буль ойлап тапты. Бұл жүйе тек екі цифрмен 0 және 1-мен өрнектеледі. Бұл жүйенің түбірі 2-саны болып саналады. Дж. Буль ЭЕМ жасалмай тұрып екілік алгебраны құрастырып шықты. Қазіргі кезде бұл алгебраны математикалық логика немесе Буль алгебрасы деп атайды.

 

 

Ақпаратты екілік жүйеге аудару

 

 Әрбір ақпаратты неше түрлі әдістер жолымен бір жерден басқа жерге тасымалдауға, не көруге болады. Мысалға ертеде ақпаратты Морзе әліппесінің көмегімен, яғни нүктелер мен сызықша тізбегі түрі арқылы кодтап немесе тасымалдауға болатын. Ал газеттерде, кітаптарда ақпарат текст және белгілі бір бейне арқылы берілген. Осы замандағы ақпаратты есептеуіш техникада тек екі түрлі сигнал тізбегі көмегімен кодталады: ол магниттеген не магниттемеген, қосылған не ажыратылмаған, төмен не жоғары кернеу. Кейбір кезде 0 цифрімен кейде 1 цифрімен белгілеу қажет. Мұндай кодтау түрі екілік кодтау деп атаса 0 мен 1 цифрлары биттер деп аталады. Ал сегіз биттен тұратын тізбекті байт дейді. Бит-ақпараттың мөлшерін есептеудің бірлік өлшемі. Бірақ қазіргі уақытта өлшем ретінде байт алынған. Есептеуіш техникасында сонымен бірге килобайт, мегабайт өлшемдері де қолданылады. Текстік ақпаратты екілік кодтау үшін әрбір символға нөлдер мен бірліктердің белгілі бір санынан тұратын тізбектен құралған код керек. Мұндай тізбектің 256 түрі белгілі. Бұлардың көмегімен әр түрлі 256 символды кодтауға болады. Символдар мен байттардың сәйкестігі таблица арқылы беріледі,онда әрбір код үшін сәйкес символ көрсетіледі. Кең тараған ИК-8 (ақпаратты өңдеу кодтары) кодтау кестесінен үзінді былай жазылады: