Ші дәріс. Тақырыбы: ЭЕМ-нің процессорлары

Процессорлық құрылғылар. Микропроцессорлық жүйенің құрылымы.

Процессор (CPU - central processor unit - орталық процессор) – бұл компьютердің негізгі компоненттерінің бірі, оны мимен салыстыруға болады. Ол әртүрлі мәліметтер үшін логикалық және арифметикалық операцияларды орындайды. Процессор бұл біртекті жартылай өткізгіш кристалындағы үлкен интегралды схема.

Процессор компьютердің ең тез дамитын бөлігі, жыл сайын оның өнімділігі жоғарылауда.

Процессордың ролі

1945 жылы Джордж фон Нейман дербес компьютердің архитектурасын ұсынды. Мұндай архитектурасы бар компьютердің құрамына басқару блогы, арифметико-логикалық құрылғы (АЛҚ), жады және енгізу шығару құрылғысы кірді. 50 жыл бұрын ойлап табылған осы архитектураға қазіргі заманғы дербес копьютерлердің барлығы негізделген. Процессор бұл архитектурада АЛҚ және басқару блогының функцияларын орындап, жадыдан бұйрықтарды таңдайды да, оларды кезегімен орындап нәтижелерін қайтадан жадыға жазады. Мұндай компьютерлерде барлық құрылғылар бір бірімен жүйелік шина арқылы байланысады.

Компьютердің миы - процессор – жүйелік шинаға қосылған және компьютердің жадындағы программаны орындайды. Программа бұйрықтар тізбегінен құрылған. Әрбір бұйрық әртүрлі өлшемге ие және орындауға қажетті ақпаратты ғана емес, сонымен қатар өңдеуге қажетті ақпаратты да қамтиды. Барлық компьютерлер екілік мәліметтермен жұмыс жасайтындықтан (бір және ноль), бұйрықтар мен мәліметтер екілік кодпен теріледі. Мысалы: х86 процессорларында бұйрық ұзындығы 1 байттан (8 бит) 12 байтқа дейін болуы мүмкін.

Негізгі сипаттамалар

Процессор үлкен көлемді мәліметтерді өңдеу үшін, оған бұйрықтарды бір байттан емес, бірнеше байттан жіберу көзделді. Осылайша процессордың разрядтылығы мен жүйелік шинаның разрядтылығы деген түсінік енгізілді. Егер процессор бір ретте бір байттан қабылдаса, оны сегіз разрядты, ал екі байттан болса он алты разрядты, төрт байт болса отыз екі разрядты деп аталады. Ал соңғы шығарылған процессорлар бірден сегіз байт қабылдай алады, оларды алпыс төрт разрядты деп атайды. Сонымен, неғұрлым процессордың разрядтылығы үлкен болған сайын, соғұрлым ол көп ақпаратты бір уақыт периодында қабылдап және өңдей алады.

Микропроцессор

Алғашқы сериялық микропроцессор Intel 4004 1971жылы жарық көрді. Онда сөз ұзындығы тек қана 4 бит, мәліметтерге арналған мекен —жайлық шина да 4 бит болды, ал бұйрықтар мекен —жайлық шинасы мультиплексирлену арқылы 12 битке дейін үлкейтілді. Микропроцессорде 2300 транзистор бар, 108 кГц жиілікте Intel 4004 секундына 60 мың операция орындауға мүмкіндігі жететін.

Соңғы 35 жыл ішінде микропроцессорлар разряды біртіндеп жоғарылап 64 разрядқа жетті. Жылдам орындайтын кэш-жады пайда болып, транзисторлардың жалпы саны 1 млрд, жиілігі 4 ГГц болды.

Кейбір жоғарғы деңгейдегі микропроцессор модельдерін жасау үшін үлкен мерзім қажет.

Қарапайым режімде микpопpоцессор компьютеpдің барлық функцияларын орындай алады. Ал соoпроцессор орындай алатын күрделірек тапсырма кездескен жағдайда, оған мәліметтер мен басқару бұйрықтары жіберіледі, ал орталық процессор нәтижелерді күтеді.

Соoпроцессор

Соoпроцессор - бұл негізгі процессормен бірігіп жұмыс жасайтын арнайы интегралды схема. Әдетте соoпроцессор графикалық немесе математикалық операциялардың спецификалық функцияларын атқару үшін орнатылады. Бұл операцияны соoпроцесссор негізгі процессорға қарағанда бірнеше есе тез жасай алады. Соoпроцессор – бұл қарапайым тым әмбебап емес микропроцессор. Әдетте соoпроцессор нақты анықталған функцияны жүзеге асыру үшін арналған арнайы құрылғы ретінде шығарылады. Кез келген микpопpоцессоp сияқты, соoпроцессор сол принциптермен жұмыс істейді. Ол микpопpоцессоpлық бұйрықтардың тізбектілігі бар программаларды орындайды.

Көбіне PCда қолданылатын соoпроцессорлар, математикалық соoпроцессорлар болып табылады. Математикада олар сандарды бөлу және көбейтуге негізделген. Intel компаниясының айтуы бойынша соoпроцессор бөлу, көбейту сияқты математикалық амалдарды орындау уақытын қысқартады.

Соoпроцессор және негізгі микропроцессор әртүрлі тактілі жиіліктерде жұмыс жасай алады (өздерінің тактілі генераторларынан).

Микропроцессор және соoпроцессор жиіліктерінің қатынасы бүтін санмен өрнектелсе, онда олар ақпаратты бір-біріне оңай жіберіп синхронды жұмыс істейді. Intel соoпроцессорлары келесідей болады: 8087, 80287, 80387, 80387SX.

Бұл соoпроцессорлардың әрқайсысы Intel микропроцессорларының негізгісімен сәйкесінше жұмыс жасау үшін арнайы шығарылған. Бұл әрбір төрт соoпрцессордың өзінің ерекше мінездемелері бар. Intel соoпроцессорлары бірден 80 битті өңдейді.

Қазіргі кезде соoпроцессор-жылдамдатқыштар төмен энергияны қолданатын, нақты функцияны жылдам орындайтын енгізілген жүйелерде қолданылады. Соoпроцессорларды шығаруға арналған нақты шешімдерді Critical Blue (www.criticalblue.com) ағылшын компаниясы ұсынып отыр. Олардың Cascade жобалайтын автоматизирленген құралы соoпроцессорды синтездеуге мүмкіндік береді. Ол Cи немесе C++ тіліндегі программада белгіленген нақты код бөлігін орындау үшін жеңілдетілген.

Қазіргі жаңа заманда компьютердің маңызды бөлігін құрайтын процессор компьютердің ең тез дамитын бөлігі болғандықтан, жыл сайын оның өнімділігі жоғарылауда. Ал процессордың күрделі түрі - микpопpоцессор компьютеpдің барлық функцияларын орындай алады. Микропроцессордың қарапайым, тым әмбебап емес келесі буыны сoопроцессор, графикалық немесе математикалық операциялардың спецификалық функцияларын атқару үшін орнатылған интегралды схема болып табылады. Қорытындылай келе компьютердің негізгі компоненттері, яғни жоғарыда аталған процессорлар мен олардың түрлері жедел қарқынмен дамып, жаңа «ақпарат ғасырында» маңызды орын алуда.

Ші дәріс. Тақырыбы: Микропроцессордың өңдейтін бөлігін ұйымдастыру. Қысқартылған командалар жүйесі бар – RISC процессорлар және толық командалар жүйесі бар CISC (Complete Instruction Set Computer) процессорлар.

CISC-процессорлар және RISC-процессорлар – командалардың сәйкесінше кеңейтілген және қысқартылған жүйесімен берілген процессорлар. Контроллерлер. Жүйелік шина (магистраль). Деректер, адрестер және басқару шиналары. Шиналар стандарты: ISA, MCA, EISA, VL-bus (VESA), PSI, SCSI.

Жады – ұйымдастырылған түрде деректерді сақтауға арналған құрылғы. Жадының жекеленген құрылғыларының маңызды сипаттамалары жады сыйымдылығы, меншікті сыйымдылығы, жадыға жету уақыты болып табылады. ОЗУ, ПЗУ, ВЗУ, кэш-жады.

ЭЕМ архитектурасының маңызды құрамдық бөлігі командалар жүйесі болып табылады. Команданың операциондық және адрестікбөлігі. Деректерге жету тәсілдері.

Жүйелі блоктағы компьютердің ең негізгі платасы аналық тақта. Оның негізгі құрушы бөліктерінің бірі шина.

Аналық тақтаның өзінің және оған қосылған құрылғылардың арасындағы байланысты микропроцессорлық комплекттегі микросхемадағы құрылғылар және шина атқарады.

Әртүрлі шиналар жүйелік тақтаның негізі болып келеді, ол жүйе бөлік-теріне сигнал жеткізуші қызметін атқарады. Шинада компьютерлерде қолданылатын және екі немесе одан да көп жүйе бөліктерін қосатын ортақ байланыс каналы болады. ПК арнайы иерархиясы болады, оның анықтығы әрбір жай жұмыс істейтін шина мен тез жұмыс істейтін шинамен байланысуында. Жаңа компьютерлерде үш, төрт және одан да көп шиналар орналасқан. Әрбір жүйелік құрылғы кез келген шинамен байланысып, олардың арасында көпір қызметін атқарады.

· Процессор шинасы. Бұл микросхема жиынтығымен жүйелік тақтаның ядролық жоғарғы жылдамдықтағы шинасы болып келеді. Негізінде берілген мәліметтерді кэш-жадысына жеткізетін немесе негізгі жады және Norght Bridge микросхема жиынтығының бөлігі болып процессорлер келетін.

· AGP (Advanced Graphic Port) шинасы. Бұл видеоадаптерлерді қосуға арналған шиналыұ интерфейс. Бұл PCI шинасы жылдамдығы жағынан видеоадаптерлердің талаптарына сай келмегендіктен шығарылған шина. Шина жиілігі 33 – 66 МГц, өткізу жылдамдығы 1066 Мбайт/с. Бұл 32-разрядтық шина болып келеді. Ол 66(AGP 1x), 133 (AGP 2x), 266(AGP 4x) немесе 533 МГц (AGP 8x) жиілігінде жұмыс істейді және видеоадаптерге қосылу үшін арналған. Бұл шина Norght Bridge бөлігіне және Memory Controller Hub (MCH) микросхема жиынтығының жүйелік логикасына қосылу үшін арналған.

· PCI (Peripherial Component Interconnect) шинасы.Pentium базасында ДК енгізілген сыртқы құрылғыларды қосатын стандарт. Бұл локальді шина интерфейсі. Бұл интерфейстің шина жиілігі 66 МГц, ал жылдамдығы қосылған құрылғыларға тәуелсіз 264 Мбайт/с тең. Негізінде жүйелік тақтада төрт немесе одан да көп разъемдер орнатылады, оларды желілерге, SCSI және видеоадаптерлерге, сонымен қатар интерфейстен тұратын құрылғыларға қосуға болады. PCI шиналарына IDE және USB интерфейсінен тұратын South Bridge микросхемаларының жиынтығының бөлігін қосады.

· ISA (Industry Standart Architecture) шинасы.Жүйелік блоктың барлық құрылғыларының арасындағы өзаралық байланысты атқарады, сонымен қатар стандартты слот арқылы жаңа құрылғылардың қосылуын қадағалайды. Бұл 8 МГц жиілігінде жұмыс істейтін 16-разрядтық шина; бірінші рет 1984 жылы АТ жүйелерінде қолданыла бастаған. Кеңкөлемді тарала бастаған болатын, бірақ, РС99 спецификациясының арқасында шығарылып тасталды. South Bridge бөлігінің көмегімен таралған. Бұл шинаға Super I/O микросхемасы жиі қосылған.

· FSB (Front Side Bus) шинасы.Pentiun pro процессорынан бастап оперативты жадымен байланысу үшін FSB шинасы қолданылады. Бұл шина 100-133 МГц жиілікпен жұмыс істейді және өткізу жылдамдығы 800 Мбайт/с. FSB шинасының негізгі параметрі – жиілік және ол аналық платаның спецификациясында көрсетіледі. PCI шинасынан кейін тек қана жаңа құрылғыларды қосатын функция қалды.

· USB (Universal Serial Bus) шинасы. Универсалды шина стандарты компьютердің перифериялық құрылғыларымен байланысының жаңа түрін белгілейді.

Кейбір жүйелік тақталар Audio Modem Riser (AMR) немесе Communi-cations and Networking Riser (CNR) атауына ие болған арнайы разъемдерден тұрады. Осыған ұқсас арнайы разъемдер желілік және коммуникациялық функциямен жабдықталған кеңейтілген тақталарға арналған. Еске сақтар бір жайт, осы арнайыланған AMR немесе CNR тақталарының аз бөлігі ғана ашық өндіріске шыға алды, өйткені бұл разъемдер универсалды шина интерфейсі емес. Ережеге сай, мұндай тақталар кез келген анықталған жүйелік тақтаға ұсынылады. Олардың конструкциясы тақталарда қосымша микросхемаларға алдын ала орын алмай-ақ, стандартты және кеңейтілген жүйелік тақталарды құруға мүмкіндік береді. Жүйелік функцияның көбісі стандартталған жүйелік функциямен және модеммен жұмыс істеу функциясымен жабдықталған, ол PCI шинасының негізінде құрылған, өйткені AMR/CNR разъемдері арнайылаеған мақсаттардан тұрады.

Микросхеманың жүйелік жиынтығы – бұл әр біреуінің өз шинасына қосылуына мүмкіндік бере отырып жүйелік оркестрді басқаратын дирижер болып табылады.

Шы дәріс. Тақырыбы: Орталық басқару құрылғысы (ОБҚ). ОБҚ-ның негізгі функциялары. Процессорда бағдарламалардың орындалуы.

Өткен ғасырдың 40-шы жылдары қазіргі заманғы архитектуралы және қазіргі заманғы логикалы компьютерлер жасау кезеңінің негізі қаланды.

1945 жылы жарияланған өзінің тарихи баяндамасында Джон Фон Нейман қазіргі заманғы компьютердің «Фон Нейман архитектурасы» деп аталатын 5 кілтті компонентті бөліп алып, оларды сипаттап берді.

Тиімді әрі әмбебап құрал болу үшін компьютер мынадай құрылымдардан тұруы қажет: орталық арифметикалық-логикалық құрылғы (АЛҚ); операцияларды басқаратын басқару құрылғысы (БҚ); есте сақтау құрылғысы немесе жады; сонымен қатар ақпаратты енгізу және шығару құралдары.

Джон Фон Нейман айтып кеткендей, бұл жүйе екілік сандармен жұмыс істеп, механикалық емес, электрондық құрал болып, операцияларды тізбектей, яғни бірінен соң бірін орындауы қажет.

Фон Нейман құрастырған принциптер кең таралып, алғашқы буынды үлкен ЭЕМ мен кейінгі мини және макро ЭЕМ негіздеріне салынған болатын.

Осылайша, ЭЕМ келесідей негізгі функционалды блоктардан тұрады:

• есте сақтау құрылғысы (жады);
• арифметикалық-логикалық құрылғы (АЛҚ);
• басқару құрылғысы (БҚ);
• ақпаратты енгізу және шығару құралдары.

Машинадағы ақпарат жолы енгізу құрылғысынан басталады. Машина ақпаратты телетайптан, магниттік және лазерлік дискіден, магнитті лентадан, перфолентадан, карталардан оқып алуы мүмкін. Сонымен қатар пернелерді басу арқылы оператор бастапқы деректерді машинаға енгізіп, дәл сол уақытта оларды экраннан көре алады. Енгізілген ақпарат ешбір аралық тасымалдаушылар көмегінсіз жүреді. Барлық процесс машина мен қолданушы арасындағы сұхбаттасу түріндегі режимде өтеді.

ЭЕМ-ге енгізілген ақпарат оперативты жадыға түседі. Оның бір бөлігі осында белгілі бір кезеңге дейін қалып, іс әрекетке түспейді. Ақпараттың басқа бөлігі үшін оперативті жады жіберу пункты болып табылады. Ол арқылы ақпарат бөлігі жұмыс үшін пайдалы көптеген деректерді сақтайтын машинаның өзіндік жазу кітапшасы, есте сақтау құрылғысына түседі. Ақпараттың екінші бөлігі жедел түрде өңделеді, яғни ол қосындылауыштардан (сумматорлардан) тұратын арифметикалық-логикалық құрылғысына түседі. Барлық арифметикалық және логикалық іс әрекеттерді орындайтын осылар.

Электронды машинада маңызды рөл атқаратын бөлігі – жады. Жұмыс кезінде жиі пайдаланылатын деректерді оперативті жады есте сақтайды. Осындай жадының ерекшелігі – керекті ақпаратты жедел жіберу.

Өзінара тығыз қатынастарды басқару құрылғысы мен арифметикалық-логикалық құрылғы құрайды, сондықтан оларды жиі процессор деп аталатын ортақ топқа біріктіреді. Процессор өзіндік бір түйін ретінде құрастырылады. Ол анықталған операциялар жиынтығын орындап, жадыдан керекті командаларды шығарып, оларды келесі іс әрекеттер үшін талдайды. ЭЕМ қуаты мен оның өндірушілік қасиеттерін үлкейту үшін жиі программаларды бір уақытта орындай алатын бірнеше процессорларды біріктіреді. Процессорлар арасында біреуі, әдетте, орталық процессор болып табылады. Есептеулердің соңғы нәтижелері, яғни машинаның «дайын өнімдері» қолданушыға қолайлы формада шығару құрылғылары арқылы беріледі.

Бірінші және екінші буынды ЭЕМ құрылымдық схемасы

Үшінші буынды ЭЕМ құрылымдық схемасы

Сильносвязанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор, т.е. устройство, предназначенное для обработки данных. В схеме ЭВМ появились также дополнительные устройства, которые имели названия: процессоры ввода-вывода, устройства управления обменом информацией, каналы ввода-вывода (КВВ). Последнее название получило наибольшее распространение применительно к большим ЭВМ. Здесь наметилась тенденция к децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств, что позволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом.

Среди каналов ввода-вывода выделяли мультиплексные каналы, способные обслуживать большое количество медленно работающих устройств ввода-вывода (УВВ), и селекторные каналы, обслуживающие в многоканальных режимах скоростные внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

Басқару құрылғысы

Микропроцессордың басқару бөлігі қабылдайтын программалар командаларының операциялық кодтары қай операцияларды орындау керектігін, деректер жадының қай бөлігінде орналасқандығын, нәтижені қайда жіберу керектігін анықтайды.

Басқару құрылғысы есте сақтау құрылғысындағы ақпаратты оқу және жазу операцияларын, сонымен қатар арифметикалық-логикалық құрылғыда (АЛҚ) ақпараттың айналуы үшін қажет басқару сигналдарын өндіру үшін арналған.

Басқару құрылғысының түрлері:

· схемалы логикасы бар БҚ;

· программалы логикасы бар БҚ немесе микропрограммалы БҚ.

Бірінші типті басқару құрылғыларында операциялық коды арқылы берілген әр команда үшін керекті тактілерде қажетті басқарушы сигналдар өңделетін комбинациялық схемалар жиынтығы жасалады.

Микропрограммалы басқару құрылғысында әр командаға сәйкесінше арнайы жадыда сақталатын микрокомандалар – сөздер сөздер қойылады. Әр микрокомандада берілген тактіде орындалатын микрооперациялар және келесі тактіде жадыдан анықталатын сөз туралы ақпарат сақталады.