Архитектура компьютера

 

 

Берілген  кестедегі 00100000 кодына бос орын-шамасы бір символға тең бос аралыққа сәйкес болу керек, ол бір сөзді екінші сөзден ажыратуға үшін 11 қажет. Символдардың кодтары белгілі аты бар кесте түрінде беріледі. Ең көп тараған кестелер қатарына КОИ-8, ДКОИ, ASCII, т.б. ASCII кестесіндегі берілген әріптерінің кодтарын былай келеді: А әрпінің коды - 01000001 (65), В әрпінің коды - 01000010 (66, К әрпінің коды - 01001011 (75), тағы сол сияқты. Мұндағы жақша ішінде берілген сандар - әріптердің ондық кодтары болып саналады. Олар екілік кодтаутардың ондық санау жүйесінде жазылу түрі деп аталады. Сонымен қатар ASCII - де символдар кодтары 32 - ден басталады. Ал орыс алфавиті әріптерінің кодтарына келсек олардың кеңейтілген ASCII кетесі деп аталатын КОИ - 8 кестесіндегі жазылуы мынандай түрде болады: А әрпінің коды - 11000001 (193), Т әрпінің коды - 11010100 (212), Е әрпінің коды - 11000101 (197), Х әрпінің коды - 11001000 (200), тағы сол сияқты. Осындай кесте көмегімен кез - келген текстің екілік кодын жазып алуға болады. Мысалға 24 разрядты екілік саннан тұратын " хат " деген сөздің кодын жазсақ ол былай болады: 11001000 11000001 11010100. Қәзіргі кезде ЭЕМ - нің дамуы нәтижесінде ақпаратты қабылдайтын өңдейтін мыңға тарта логикалық элементтер, яғни электрондық схемалар бар. Сонымен қатар нөлдер мен бірліктердің тізбектері көмегімен графикалық ақпаратты кодтауға болады. Мысалға газеттердегі фотосуретке жақсылап қарасаң, одан сол суреттердің өте майда нүктелерден тұратынын көре аласың. Әрбір адам екілік кодтау жүйесімен жұмыс жасаған кезде төмендегідей кестелерге қарап жұмыс істей алады:

 

 

 

 

 

 

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

 

 Қазіргі кезде ЭЕМ-дерінде ақпаратты қабылдайтын, өңдейтін мыңдаған логикалық элементтер (электрондық схемалар) бар. Оларға информация электр сигналдары түрінде беріледі де, схемаларда жоғарғы деңгейлі кернеу (U) I-ге, төменгі деңгейлі кернеу 0-ге теңестіріледі. Логикалық элементтердің ең қарапайым түрлері: ЕМЕС, ЖӘНЕ, НЕМЕСЕ. Осы элементтердің әрқайсысының белгілері бар. I - ші логикалық элемент-ЕМЕС (не,not). ЕМЕС элементінің белгілері: ЕМЕС қарсы мән беретін элемент, оның бір кірісі және бір шығысы бар. Егер кіріске сигнал берілсе, онда шығыста сигнал мүлдем болмайды. Ал кірісте сигнал жоқ болса, онда шығысқа сигнал түседі.

 

II - ші логикалық функция - ЖӘНЕ (и, and). ЖӘНЕ конъюкцияны беретін элемент: онда екі немесе бірнеше кірістер және бір шығысы бар. Егер кірістерге сигнал берілсе, онда шығысқа да сигнал түседі. ЖӘНЕ элементінің көмегімен бірігетін А және В пікірлері логикалық көбейту немесе осы пікірлердің конъюкциясы деп аталады. Сонымен А және В пікірлерінің шындық мағынасы келесі шындық кестемен анықталады. ЖӘНЕ элементінің белгілері:

 

 

III-ші логикалық элемент - НЕМЕСЕ (или,OR). НЕМЕСЕ элементі дизъюкцияны береді: онда екі немесе одан да көп кірістер және бір шығысы бар. Егер кіріске бір сигнал берілсе, онда шығысқа сигнал түседі. НЕМЕСЕ элементімен біріккен екі пікір логикалық бөлу немесе дизъюкция деп аталады. А және В пікірінің дизъюкциясы мынадай жаңа пікірімен көрсетіледі: А v В. Сонымен А v В дизъюнкцияның шындық мағынасы А және В шындық мағынасынан тәуелді келесі шындық кестемен анықталады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 тарау. ЭЕМ  элементтері және түйіндері

 

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

 

ЭЕМ негізгі  екі қызмет атқарады:

•Ақпаратты өңдеу және сақтау;

•Сыртқы объекттермен ақпарат  алмасу.

Бұл қызметтер  ЭЕМ-нің екі компоненті арқылы орындалады: бағдарламалық қамтамасыз ету және аппараттық қамтамасыз ету.

Аппараттық қамтамасыз ету келесі бөліктерден тұрады:

 •Жүйелік блок;

•Ақпаратты енгізу құрылғылары (пернетақта);

•Ақпаратты шығару құрылғылары (монитор).

Жүйелік блок, пернетақта және монитор дербес компьютерді  құрайды.

 

 

Сурет 2.1 – Дербес компьютер  құрылысы

 

Жүйелік блок - компьютердің ең негізгі құрылғысы болып табылады. Жүйелік блокта компьютердің барлық негізгі құрылғылары орналасқан:

- Компьютердің жұмысын  басқаратын электрондық схема  (микропроцессор, тұрақты сақтау  жадысы,контроллер құрылғысы және  т.б.);

-      Ток  көзі;

-      Дискіжетек, СD-ROM;

-      Қатты диск және т.б.

Жүйелік блоктың типіне қарай қолданылатын жүйелік платаның пішімі мен орналасуына, қоректену  блогының минимальды қуатына және орналасатын  жинақтауыштарға байланысты.

Жұмыс жасау орнына байланысты жүйелік  блокты екіге бөледі: тігіннен және көлденең. Көлденең орналасқан жүйелік блокқа desktop (үстелді), small-footprint (кішіпрофильді), slimline (жіңішке) және (ultra) superslimline (сверхкомпактный) типті корпустар жатады. Бұл корпустардағы жүйелік плата да тігіннен орналасады. Desktop типті корпус әдетте екі 5,25 дюймді және бір-екі 3,5 дюймді орынды сыртқы байланыста болады. Тігіннен орналасқан корпустар әдетте үш түрде болады: tower, midi-tower және big-tower. Бұлардың бір-бірінен айырмашылығы - габаритінде, қоректену блогының қуатында, 5,25 дюймді дискіжетектің мӛлшерінде. Демек, қосымша плата орналасуында мен жинақтауыштар мүмкіндігінде.

 

Сурет -2.2. Жүйелік блоктың  сыртқы құрылысы

 

 

Сурет -2.3. Жүйелік блоктың  артқы жағы

 

Процессор – компьютердің ең басты  бөлігі. Ол- компьютердің - миы. Ол бүкіл компьютердің жұмысын басқарады және бағдарламалардағы барлық командаларды орындайды.

Бұл құрылғы  командаларды таниды, оларды орындайды  және өз жұмысының нәтижелерін шығарып береді немесе оны машинаның жадына жазады, тіпті екеуін де қатар орындай алады. Компьютердің кез-келген жұмысы болса да, процессордың қатысуымен орындалады. Іс жүзінде компьютердің орындайтын жұмысының бәрін оның бас микросхемасы – микропроцессор атқарады. Қазіргі кезде ең көп тараған процессор (Pentium) ― пентиум деп аталады, сондықтан мұндай процессор орнатылған компьютерді - Пентиум деп атайды. Компьютердің негізгі сипаттамасының бірі – оның жылдам әрекеттілігі, ол мегагерцпен өлшенетін жиілікке байланысты. Жиілік жоғарылаған сайын, компьютерде жақсырақ болады. Процессор жадпен бірге жұмыс істейді. Жад микросхемасынан процессор өзіне қажетті ақпаратты алады және өз жұмысының нәтижесін қайтадан жадқа жібереді. Орындайтын функцияларына сәйкес процессор екі бөліктен тұрады: БҚ- басқару құрылғысы және АЛҚ арифметикалы-логикалық құрылғысы. Құрлысы бойынша процессор жедел жадтың ұяшықтарына ұқсас ұяшықтардан тұрады, бірақ бұл ұяшықтарда деректер тек сақталып қана қоймай, өзгертіледі де. Процессордың ішкі ұяшықтары регистр деп аталады. Қазіргі дербес компьютерлердің архитектурасының барлық үлгісі магистральды принципке негізделген. Қазіргі ДК қарапайым әрі күрделі. Өткен жылдар ішінде жүйені құрастыру үшін қолданылатын құрауыштардың көбі басқа құрауыштармен біріктірілді, сондықтан элементтерінің саны азайып, ол едәуір қарапайым болды. Сонымен қатар ол күрделірек те болды, өйткені қазіргі жүйенің әрбір бөлігі бұрынғы жүйелердің сол бөліктеріне қарағанда әлдеқайда көп функция атқарады. Төменде қазіргі ДК-нің құрамына кіретін негізгі құрауыштар аталған:

· Жүйелік процессор

· жад (жедел жад)

· қатқыл диск

· CD-ROM, CD-R немесе DVR-ROM жинақтауышы

· Бейнеадаптер

 

 

 

Сурет –2.4. Процессорлардың сыртқы көрінісі

 

 

 

 

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

 

Жедел жад. Жүйелік жад көбінесе жедел жад немесе ерікті қатынасты жад (Random Access Memory) деп аталады. Бұл онда процессор өңдеу кезінде пайдаланылатын барлық бағдарламалар мен деректер жазылатын негізгі жад. Жедел жадта деректерді сақтау үшін оны үздіксіз деректермен қоректендіріп отыру керек. Компьютерді ажыратқанда- жедел жадтағының бәрі өшеді, ал компьютерді қосқанда – барлық бағдарламалар мен деректерді процессордың өңдеуі үшін жедел жадқа қайта жүктейді. Бастапқы жүктеу бағдарламалары процессорға тұрақты жадтайтын құрылғы- ІЖҚ(Read Only Memory - ROM) деп аталатын, ішіндегісі компьютерді әдеттегідей ажыратқанда өшпейтін арнайы типті жадтан жүктеледі. Бұл жадта операциялық жүйені және басқа бағдарламаларды дискіжетектердің бірінен жедел жадқа жүктеуге мүмкіндік беретін командалар жазылған. Кейінгі жаңа операциялық жүйелер бірнеше бағдарламаларды қатар орындауға мүмкіндік береді және әрбір бағдарлама жадтың өзіне бөлініп, арнайы бөлігіне жүктеледі. Жалпы айтқанда, жүйе жадының көлемі неғұрлым үлкен болса, соғұрлым көп бағдарламаны қатар орындауға болады.

Қазіргі компьютерде  жад модульдері екі: (SIMM Single Inline Memory Module- жадтың кіріктірме жеке модулі) немесе DIMM (Dual Inline Memory Module – жадтың құрамдас қосарлы модулі) типтерінің біріне жатады. Типтік компьютерде қанша жедел жад болуы керек туралы тұжырымдар үздіксіз өзгеріп отырады. 80-жылдардың ортасында 1 Мбайт жадтың өрісі өте зор болып саналса, 90- жылдардың барысында 8 тіпті 16 Мбайт көлемі жеткілікті болып саналады. Бүгінгі таңда типтік деп көлемі 32-64 Мбайт ЖЖҚ саналады, бірақ өте жақын уақытта бұл көлем әуелі жалпылай қолданылатын модельдерде де 2-4 есе өседі. Жедел жад компьютерде модульдер деп аталатын стандарты тақталарда орналасады. Жедел жадтың модульдерін аналық тақшадағы сәйкес ажыратпаларға қондырады. Жедел жадтың модульдерінің негізгі сипаттамалары жад көлемі (4, 8,16,32Мбайт) және қатынау уақыты (әдетте 50-70- наносекунд – секундтың миллиардтық үлесі) Сыртқы жад ДК-нің сыртқы құрылғыларына жатады және қашан болса да, қандай да болса міндеттерді шешуге қажет болуы мүмкін кез-келген ақпаратты ұзақ уақыт сақтау үшін қолданылады. Атап айтқанда, сыртқы жадта компьютердің барлық программалық жасауы сақталады. Сыртқы жад есте сақтайтын құрылғылардың әр алуан түрлерінен тұрады, бірақ неғұрлым кең тараған, негізінде кез-келген компьютерде болатын түрлері- қатқыл (ҚМДЖ немесе НДД) және иілгіш (ИМДЖ) магниттік дискілерде, магниттік таспаларда (стримерлер), оптикалық дисклерде (CD- ROM - Compact Disk Read Only Memory-тек оқитын ғана жады бар компакт-диск) және магнитті - оптикалық дискілердегі жинақтауыштар болып табылады. Бұл жинақтауыштардың қызметі – ақпараттың үлкен көлемін сақтау, сақтаулы ақпаратты сұрау бойынша жедел жадтайтын құрылғыға жазу және басып шығарып беру. ҚМДЖ (НДД) мен ИМДЖ бір-бірінен конструкциясы, сақтайтын ақпарат көлемі бойынша, ақпаратты іздеу, жазу және есепке алу құрылғылары да әр түрлі болады. Ішкі жадта деретер мен программалар байттар немесе байттар тобы түрінде ұяшықтарда орналасады. Оларға ұяшық адресі бойынша шығуға болады. Сыртқы жад құрылғысы мүлдем басқа. Мұнда сақталатын ақпарат көлемі үлкен болғандықтан, байттық әдіс қолайсыз. Біріншіден, көлемі тым үлкен. Екіншіден, пайдаланушылар үшн қиындық тудыратындығынан. Процессормен жұмыс істейтін ішкі жадтан айырмашылығы – адамның сыртқы жад құрылғысымен тікелей (ақпаратты жазу және сақтау кезінде) жұмыс істеуіне тура келеді. Байттық әдіс жағдайында пайдаланушының үнемі құрылғының типін, ондағы ақпараттың берілу схемасын тексеріп, байттың ішіндегісінің дерек немесе программа екендігін, егер дерек болса, онда ол оның қандай түрі және т.с.с. анықтап отыру қажет болады. Бұл проблемаларды шешу үшін сақтау құрылғыларының түріне, тасушының типіне, оның кӛлеміне, жазу және есепке алу жылдамдығына қатыссыз ақпараи сақтаудың арнайы пішіні ойлап табылды. Ақпарат тасушыға аты бар белгілі үлестер түрінде жазылады. Мұндай құрылым файлдық, ал үлестер файлдар деп аталады.

Файлдармен  орындалатын күрделі айла-шарғыны  операциялық жүйенің функционалды бөлігі болып табылатын файлдық жүйе жасайды. Файлдармен орындалатын операциялардан басқа, файлдық жүйенің міндеті- файлдарды сақтауды ұйымдастыру және оларға жылдам шығуды қамтамасыз ету. Файлдарды орналастырудың үш варианты мүмкін: бірдеңгейлік, көпдеңгейлік, кестелік. Бірдеңгейлік схема жағдайында файлдар бірінен кейін бірі сызықты орналасады. Файлдарды іздеу, аты бойынша барлық файлдарды ретімен қарап шығу арқылы жүргізіледі. Кестелік сақтау жағдайында жолдар мен бағандар нөмірлері олардың қиылысқан жеріндегі файлдың координаттары болып табылады. Көпдеңгейлік жүйеде файлды іздеу ―толық аты деп аталатын файлдардың аты бойынша жүргізіледі. Қатқыл магнитті дискідегі жинақтауыштар немесе винчестер – бұл дискілер жиыны бар (екі жақ бетіне де ақпарат жазылатын, жылтыратып тегістелген ферромагнитті қабаты бар мүлтіксіз жазық бірнеше пластина), жетекпен бірге жинақталған (сәйкес электронды басқару схемасымен оқу-жазу механизмінің үйлесуі) жадтайтын құрылғы.

 

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 мен 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. Кэш-жады Кэш-жадысының ұйымдастырылуын, жады иерархиясына қатысты төрт сұраққа жауап беру арқылы егжей-тегжейлі қарастырайық. Блоктардың кэш-жадыға орналасу принциптері олардың ұйымдастыруының үш негізгі типін анықтайды: - Егер негізгі жадының әр блогы тек ғана бір белгіленген, онда кэш-жадыда пайда бола алатын, орынға ие болса, онда бұндай кэш-жады тікелей кӛрсетілімді кэш (direct mapped) деп аталады. Бұл кэш-жадының ең қарапайым ұйымдасқан түрі, ол кезде негізігі жадының блоктарының адрестерін көрсету үшін кәш-жадының адрестеріне блок адрестерінің жай ғана кіші разрядтары қолданылады. Сөйтіп, негізгі жадының өз адрестерінде бірдей кіші разрядқа ие барлық блоктар кэш-жадысының бір блогына түседі, яғни