ПОӘК 042-18. 39 113/01-2013 10. 09. 2013 ж. №1 басылым 107 беттің 1
жүктеу/скачать 2,59 Mb. Pdf көрінісі
|
4058304f-9df2-11e3-9dd5-f6d299da70eeУМКД Компьютер архитектурасыТ241
| ПОӘК 042-18.39.1.113/01-2013 10.09.2013 ж. № 1 басылым 107 беттің 1 ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ Семей қаласының ШӘКӘРІМ атындағы МЕМЛЕКЕТТІК УНИВЕРСИТЕТІ 3 деңгейдегі СМК құжаты ПОӘК ПОӘК 042-18.39.1.113/01-2013 ПОӘК «Компьютер архитектурасы» пәні бойынша оқу әдістемелік жиынтық 10.09.2013 ж №1 басылым «Компьютер архитектурасы» ПӘНІН ОҚЫТУ-ӘДІСТЕМЕЛІК КЕШЕН 5В011100 - «Информатика» мамандығына арналған ОҚУ-ӘДІСТЕМЕЛІК ЖИЫНТЫҚ Семей 2013 ж. ПОӘК 042-18.39.1.113/01-2013 10.09.2013 ж. № 1 басылым 107 беттің 2 МАЗМҰНЫ 1. Глоссарий 2. Дәрістер 3. Зертханалық сабақтар 4. Студенттің оқытушымен бірге орындайтын өздік жұмысы 5. Студенттердің өздік жұмыстарының құрылымы ПОӘК 042-18.39.1.113/01-2013 10.09.2013 ж. № 1 басылым 107 беттің 3 Дәріс 1. Компьютер архитектурасы Мақсаты: ЭЕМ ұйымдастыру принциптерімен, компьютерлік техниканың даму тарихымен және ЭЕМ буындары және олардың классификациясы, есептеуіш машиналардың кластарымен танысу. Жоспары: Кіріспе. ЭЕМ ұйымдастыру принциптері. Компьютерлік техниканың даму тарихы. ЭЕМ буындары және олардың классификациясы. Есептеуіш машиналардың кластары. Кіріспе. Есептеу техникасының негізгі этаптары Көпшілік мақұлдаған топтастыруды қолданып, ЕТ дамуын келесі кезеңдерге бөлуге болады: 1. Қол – б.э. дейінгі елуінші мыңжылдықтан бастап; 2. Механикалық — XVII ғ. Ортасынан бастап; 3. Электрмеханикалық — XIX ғ. 90-шы жылдарынан бастап; 4. Электрондық — XX ғ. 40-шы жылдарынын бастап. ЕТ-нің қол түрінің даму кезеңі есептеу үшін адам денесінің мүшелерін, бірінші кезекте саусақтарын және есептеу нәтижелерін белгілеу үшін, әр түрлі заттарды, мысалы, есептеу таяқшаларың түйіншіктерді, белгілер қоюды қолдануға негізделген. Қолмен санау түрінің даму кезеңі: 1. Ондық пен он екілік санау жүйесіндегі саусақ есебі; 2. Колумқа дейнгі Америка халықтарының түйіншек санауы; 3. Заттарды топтастыру және бір жерден басқа жерге санап қою көмегімен санау; 4. Есепшотпен санау; 5. 17-ғасырдың басында Дж. Непердің логарифм және логарифм кестесін ойлап табуы және есептеу таяқшаларымен Дж. Непердің есептеу тақтасын ендіру. Механикалық құралдардың даму кезені: 1. Механикалық есептеу принциптерін қолданатын есептеу құрылғылары мен аспаптарын жасау; 2. 1642 жылы Блез Паскаль ойлап тапқан он разрядты сандармен арифметикалық амалдарды механикалық түрде орындайтын машина; 3. 1673 жылы Г.В. Лейбниц алғашқы арифмометрді құрастырды; 4. 19-ғасырдың бірінші жартысында Чарльз Бэббидж әмбебап есептеуіш машина құрастыруға талаптанды. Электрмеханикалық құралдардың даму кезеңі: 1. 1887 ж., Г. Холлерит, У. Бэббидж бен Г. Джоккардтың идеяларын қолданып, алғашқы есептеуіш- аналитикалық кешенін құрды; 2. 1941 ж., Конрад Цузе бағдарламалық басқаруы мен жадтайтын құрылғысы бар алдыңғыларға ұқсас машина жасап шығарды; 3. 1944 ж., Айкен IBM фирмасының кәсіпорнында Бэббидж жұмыстарынын көмегімен электрмеханикалық реледегі «Марк-1» аналитикалық машинисын құрастырды; 4. 1957 ж. – ССРО-да релелік есептеуіш машина жасалды. Бұл релелік ЕТ-ның ең ірі және соңғы жобасы болды. Электрондық құралдардың даму кезеңі: 1. 1943-45 ж. АҚШ-та Моучли мен Эккерт басқарған топ электрондық шамдардың негізіндегі ең алғашқы ENIAC ЭЕМ-ін құрастырды; 2. 1945 ж. Джон фон Нейман цифрлық емептеуіш машинаның жалпы принциптерін ойлап тапты, ол қазіргі кезге дейін ДК-де қолданылады; ПОӘК 042-18.39.1.113/01-2013 10.09.2013 ж. № 1 басылым 107 беттің 4 ЭЕМ буындары және олардың классификациясы Компьютердің пайда болуына себепкер болған маңызды оқиғаларды қарастырайық. Біріншіден, ХІХ ғасырдың соңында математикалық физика қарқынды дамыды. Бірнеше рет есептеу жұмыстарын қайталай алатын машиналар қажеттігі туды. Екіншіден, 1880 жылы американ ойлап тапқышы Томас Алва Эдисон электронды лампаның вакуумды баллоннына электрод енгізді және ток ағымын байқады. Ол термоэлектронды эмиссия құбылысын ашты. Үшіншіден, 1904 жылы ағылшын физигі Джон Амброз Флеминг Эдисон ашқан жаңалығының негізінде диод жасады, кейінірек триод ойлап табылды. Төртіншіден, ағылшын математигі Джордж Буль 1848 жылы логика ережесін сипаттады, оны Буль алгебрасы деп атады. Осыған сәйкес логикалы алгебралық элемент екі мән ғана қабылдай алады – ақиқат (0) немесе жалған (1). Осы логикаға байланысты логикалық сызбанының конструкциясын ойлап тапты. Бесіншіден, 1918 жылы орыс ғалымы М.А. Бонч-Бруевич және оған тәуелсіз ағылшын ғалымдары электронды реле жасады, ол 0 немесе 1 екі жағдайдың бірінде ғана бола алады және осы база негізінде триггер жасалды. ХХ ғасырға компьютерді жасауға барлығы дайын болды. Барлық электронды-есептеуіш техниканы буындарға бөледі. Буындардың алмасуы ЭЕМ-ның элементтік базасына тәуелді, яғни оның техникалық негізіне. ЭЕМ-ның қуаттылығы элементтік базаға тәуелді, ол ЭЕМ-ның архитектурасының өзгеруіне әкелді, қолданушы мен компьютер арасындағы қарым қатынастың өзгеруіне қарай қолдану шеңбері кеңейді. Алғашқы ЭЕМ релелі есептегіш машиналалар болды. Реле екілік түрдегі ақпараттарды қосулы- өшірулі күйге кодтауға мүмкіндік берді. Мұндай машиналардың жұмыс процесінде мыңдаған релелер бір күйден екінші күйге ауысып отырған. Бұндай машиналар өте төмен жылдамдықпен жұмыс істеген (секундына 50 қосу немесе 20 көбейту амалы). ХХ ғасырдың бірінші жартысында радиотехника жылдам дами бастады және реленің орнына электронды-вакуумды лампалар пайда болып, олар бірінші буындағы есептегіш машиналардың элементтік базасы болды. Бірінші буынның ең алғашқы машинасы ENIAC 1945 жылы құрылды. Оның конструкторлары американ оқымыстылары Дж.Моучли және Дж.Эккерт, СССР да компьютер жасаумен академик С.А.Лебедев айналысты. Оның машиналары БЭСМ-1, БЭСМ-3М, БЭСМ-4, М-220 әлемдегі ең жақсылар болып танылды (Кесте 1). Кесте 1. І буын компьютерлерінің сипаттамасы Сипаттамасы І буын Жылдары 1949-1958 ж.ж. Элементтік базасы Электронды-вакуумды лампы Өлшемі (габариті) Мыңдаған лампыдан тұратын, көлемі үлкен бір жүздеген квадрат метр ғимаратты алатын, жүздеген киловатт энергияны қажет ететін Процессордың максималды жылдамдығы Секундына 20 мың операция ЖЖҚ (ОЗУ) максималды көлемі Бірнеше мың және программа командалары Перифериялық құрылғы Перфолента және перфокарталар Программалық жабдық Программалар машиналық команда тілінде құрылған, сондықтан программалауды барлығы білі бермеген. Стандартты программалар кітапханасы болған Қолданылу аймағы Үлкен көлемдегі мәліметтерді өңдеумен байланыспаған инженерлік және ғылыми есептеулер Мысалы Mark I, ENIAC, БЭСМ, Урал ПОӘК 042-18.39.1.113/01-2013 10.09.2013 ж. № 1 басылым 107 беттің 5 1949 жылы АҚШ-да бірінші жартылай өткізгіштік прибор – транзистор жасалды, ол электронды лампаны алмастырды. Транзистор он есе аз орын алды, аз жылу бөлді, электроэнергияны аз мөлшерде қажет етті, сенімді түрде жұмыс жүрді. Транзисторлар радиотехникаға жылдам ендірілді және ЭЕМ- ның бірінші бунынан екінші буынға өтуіне себепші болды (Кесте 2). Кесте 2. ІІ буын компьютерлерінің сипаттамасы Сипаттамасы ІІ буын Жылдары 1959-1963 ж.ж. Элементтік базасы Транзистор Өлшемі (габариті) ЭЕМ жинақы (компактнее), сенімді, энергия шығыны аз Процессордың максималды жылдамдығы Секундына ондаған және жүз мыңдаған операциялар ЖЖҚ (ОЗУ) максималды көлемі Жүз есеге артты Перифериялық құрылғы Ішкі жады магниттік барабандар мен ленталарда Программалық жабдық Жоғарғы деңгейдегі программалау тілдері ФОРТРАН, АЛГОЛ, КОБОЛ дами бастады. Программалар қарапайым, түсінікті, қолжетерлік және программалау жоғары білімді адамдар арасында тарай бастады Қолданылу аймағы Ақпараттық жүйе және ақпараттық-анықтамалар жасауда Мысалы М-220, Мир, БЭСМ-4, Урал-11, ІВМ-7094 ЭЕМ өндірісі жұмысы көп, әрі қымбат болды. Транзисторларды біркелі етіп жинау керек болды, оларды көп мөлшерде проводтармен жалғау, олар блоктарды және компьютердің кейбір бөліктерін түгелдей орап алатын болды. Осыған байланысты ЭЕМ күрделілігі күнен күнге арта түсті. ЭЕМ өндірісін технологиясында революцияны интегралды схема-электронды схемалардың жасалуы тудырды, мұнда транзистордағы конденсатор және резистор жартылайөткізгіштің бір кішкене бөлігінде ғана жинақталды. Интегралды схемаларды дайындау операциялары күнен күнге кемелденіп, дами түсті және нәтижесінде бір кремний пластинкада жүздеген кристалды интегралды схемаларды орналастыру мүмкіндігі туды. ЭЕМ үшінші буынына көшу кезеңі туды (Кесте 3). Кесте 3. ІІІ буын компьютерлерінің сипаттамасы. Сипаттамасы ІІІ буын Жылдары 1964-1976 ж.ж. Элементтік базасы Интегралды схемалар Өлшемі (габариті) ЭЕМ үлкен, орташа, мини және микро болып бөлінді Процессордың максималды жылдамдығы Секундына 30 млн. операция. Процессорларды жобалауда микропрограммалау техникасын қолдана бастады, процессордың күрделі командарларын қарапайымнан құрастырды ЖЖҚ (ОЗУ) максималды көлемі 16 Мбайт. ТЖҚ (ПЗУ) пайда болды. Перифериялық құрылғы Ішкі жады магниттік дискілерде, дисплей, графопостроитель Программалық жабдық Операциялық жүйе және көптеген қолданбалы программалар пайда болды. Жоғарғы деңгейдегі алгоритмдік тілдер. Бір уақытта бірнеше программаларды орындау мүмкіндігі, яғни жұмыстың көппрограммалы режимі Қолданылу аймағы Мәліметтер қоры, жасанды интеллект жүйесінде, басқару және автоматтандырылған жобалар жүйесінде Мысалы PDP-11, IBM/360, CDC 6600, БЭМС-6б Минск-32 Алғашқыда интегралды схемаларға ондаған транзисторларды орнатуға болды, алайда интегралды схемаларды өндіру технологиясы үнемі дамып, кемелденіп отырды, нәтижесінде ҮЛКЕН интегралды схемалар (БИС-ҮИС), ол мыңдаған, жүз мыңдаған және одан да көп транзисторлардан ПОӘК 042-18.39.1.113/01-2013 10.09.2013 ж. № 1 басылым 107 беттің 6 тұрды, және де 1Мбайт жадымен өте үлкен интегралды схемалар (СБИС-сверхбольшие инт. схем) пайда болды. Өте үлкен интегралды схемалар микропроцессорды жасауға мүкіндік тудырды, ол есптеуіш техникада келесі революцияны болдырды және ЭЕМ келесі төртінші буынына әкелді (Кесте 4). Микропроцессор компьютердің негізгі блогы – процессордың функциясының жұмысын орындай алды. Ол оған орнатылған программамен жұмыс істеді және әртүрлі техникалық құрылғыларға қарай баптауға болды (станок, автомобиль, самолет). Микропроцессорды енгізу-шығару құрылғысына және ішкі жадыға қоса отырып, жаңа типтегі ЭЕМ – микроЭЕМ алды. Бүгінгі күнде кең тараған ЭЕМ түрі дербес компьютерлер (ДК). Кесте 4. ІV буын компьютерлерінің сипаттамасы. Сипаттамасы ІV буын Жылдары 1977-қазіргі кезге дейін Элементтік базасы ҮИС және ӨҮИС Өлшемі (габариті) МикроЭВМ – кіші габаритті, суперкомпьютерлер, жеке блоктардан тұратын Процессордың максималды жылдамдығы алғашқы модельдерінде 2,5 МГц және 109 опер/сек. ЖЖҚ (ОЗУ) максималды көлемі 16 Мбайт бастап және 107 Кбайттан артық Перифериялық құрылғы Түрлі түсті графикалық дисплей, «тышқан» түріндегі манипуляторлар, «джойстик», пернетақта, магнитті және оптикалық дискілер, принтерлар және т.б. Программалық жабдық Қолданбалы программалық жабдықтар пакеті, желілік ПЖ, мультимедиа және т.б. Қолданылу аймағы Барлық жерде ғылымда, өндірісте, білім саласында, демалыста, көңіл көтеруде, Интернет Мысалы IBM PC, Macintosh, Cray, ЭЛЬБРУС Дербес компьютерлер – ЭЕМ-дың төртінші буынының бір бөлігі. Бүгінгі таңда ДК пайдалану күнделікті тұрмыстық техникалар телевизор, музыкалық орталық сияқты үйреншікті затқа айналды. ЭЕМ бесінші буыны – алыс емес болашақтың машиналары. Олардың негізі сапасы жоғары интеллектуальды деңгейде болуы керек. Егер болашақта ЭЕМ «сезім логикасымен» қаруландыра алатын болса, онда машиналар адамзат өміріндегі тірі эксперттерді алмастырады. Сонымен қатар кейінгі кезде компьютерді байланыс құралы және тұрмыстық прибормен қосу екпінді түрде дамып келеді. Бір интегралды схемада микропроцессор және оны қоршаған орта мен программалық жабдық орналасқан жаңа жүйелер жасалатын болады. Болашақта қалталы компьютерлер иесін соңғы жаңалықтармен таныстырып, қоңырау шалу арқылы билеттерге тапсырыс беру, салық төлеу сияқты қызметтерді атқара алатын болады. Компьютерлердің топтасуы Компьютерлік техниканың әр-түрлі топтасуы бар: даму кезеңі бойынша; архитектурасы бойынша; өнімділігі бойынша; пайдалану шарты бойынша; процессорлар саны бойынша; пайдаланушы қасиеттері бойынша т.б. Компьютер кластарының арасында нақты шекара жоқ. Өндіріс технологиясы мен құрылым дамуына байланысты жаңа компьютерлер класы пайда болады, кластар арасындағы шекара сәйкесінше өзгереді. Дәріс №1.Өзін-өзі тексеру сұрақтары 1. ЕТ дамуының кезеңдерін сипаттап бер. 2. ЭЕМ буындарының әрқайсысының сипаттамасы қандай? ПОӘК 042-18.39.1.113/01-2013 10.09.2013 ж. № 1 басылым 107 беттің 7 3. ЭЕМ буындары несімен ерекшеленеді? 4. Компьютерлер қалай топтасады? Дәріс 2. ЭЕМ мәліметтерді көрсету. ЭЕМ-ның арифметикалық негіздері Мақсаты: Негізгі логикалық элементтермен танысу және алгебра логика негізі туралы түсініктерін қалыптастыру. Жоспар: - Вентильдер және Буль алгебрасы - Буль функцияның жүзеге асырылуы - Үрділердің баламалығы - Интегралды үрділер - Қиыстыру үрділері - Арифметикалық үрділер Вентильдер және Буль алгебрасы Компьютерлік жүйелердің тармақталған үрдісінің ең төменінде сандың логикалық деңгей орналасқан, немесе оның аппараттык жабдықталуы. Бұл деңгейдің саласы информатика мен электротехника пәндері арқылы оқытылады. Сандық үрділерінің құрамы бірнеше жай элементтердің бірлесуімен және элементтердің түрлі комбинациялары арқылы жүзеге асырылады. Сандық үрді деп тек екі логикалық мәні бар үрдіні айтамыз. Көбінесе 0-ден 1В-қа дейінгі сигналдар бір ғана мәнді 0-ді, ал 2-ден 5 В-қа дейінгі сигналдар екінші мәнді 1-ді көрсетеді. Вентильдер деп аталатын арнайы электронды құралдар осы екі таңбалы сигналдардың әр түрлі функцияларын есептей алады. Вентильдер барлық цифрлік компьютерлердің аппараттық жабдықталуын құрайды. Қазіргі заманғы цифрлік логика транзисторлардың бинарлы ауыстырғыш сияқты өте тез жұмыс істей алатындығына негізделген. Транзистор (1.а-сурет) сыртқы ортамен үш түрлі жолмен біріктірілуі мүмкін коллектор, база және эмиттер арқылы. Егер енгізілетін кернеу V іп қандай да бір шекті мәннен төмен болса, транзистор сөнеді де өте үлкен қарсыласудың рөлін атқарады. Бұл шығарылатын V оиt жақын V сс сигналына беріледі, көбінесе +5 В. Егер V in шекті мәннен көп болса, транзистор қосылады да V out сигналының жерге кетуін қамтамасыз етеді. (0 В) сымның рөлін атқарады. Сурет 1. Транзисторлық инвертор (а), ЕМЕС-ЖӘНЕ вентиль (б), ЕМЕС -НЕМЕСЕ вентиль (в) Сурет 1.а) Егер кернеу төмен V iп болса, V out жоғары және керісінше болатынын атап айтқан жөн. Бұл үрді логикалық 0-ді логикалық 1-ге және керісінше логикалық 1-ді логикалық 0-ге айналдыратын инвертор деп аталады. Резистор (сынық сызық) транзистор арқылы өтетін ток шамасын шектеу үшін қажет. Бір күйден екінші күйге өту үшін бірнеше наносекунд керек. +V CC V out Эмиттер База Коллектор а) +V CC V 1 V 2 V out б) +V CC V 1 V 2 в) V V in ПОӘК 042-18.39.1.113/01-2013 10.09.2013 ж. № 1 басылым 107 беттің 8 Сурет 1.б) - суретінде транзисторлар тізбектей қосылған. Егер V 1 және V 2 кернеулері жоғары болса, онда екі транзистор да өткізгіш ретінде қызмет етеді де V out мәнін төмендетеді. Егер енгізілетін кернеулердің бірінің мәні төмен болса, оған сәйкес транзистор сөнеді де шығу жолындағы кернеу жоғары болады. Сурет 1.в) - суретінде транзисторлар параллель қосылған. Егер енгізілетін кернеулердің бірінің мәні жоғары болса, оған сәйкес транзистор қосылады да шығу жолындағы кернеуді темендетеді. Егер енгізілетін кернеулердің екеуі де төмен болса, шығу жолындағы кернеу жоғары болады. Бұл үш үрді үш қарапайым вентильді құрайды. Олар ЕМЕС, ЕМЕС-ЖӘНЕ және ЕМЕС- НЕМЕСЕ. ЕМЕС вентилі инвертор деп аталады. Жоғары V сс кернеуін логикалық 1 деп ал төменгі кернеуін логикалық 0 деп қарауға болады, сонда шығу көзіндегі мән ену мәндерінен тәуелді функция түрінде керсетіледі. Сурет 2. а)-б)-в) суреттерінде осы 3 типті вентильдердің белгішелері және әрбір үрді үшін функцияның өзгерісі келтірілген. Мұндағы А мен В енгізілетін сигналдар да, X - шығатын сигнал. Кестенің әрбір жолы шығатын сигналдардан түрлі мәндері үшін берілген енгізілетін сигналдарды анықтайды. Сурет 2. Негізгі 5 вентильдердің белгішелері. Әрбір вентиль үшін функцияның өзгерісі Егер шығатын сигналды (1.б-суретін қараңыз) инверторға берсе, ЖӘНЕ вентилі деп аталатын үрді шығады. Дәл осылай ЕМЕС-НЕМЕСЕ вентилі де инвертормен байланыса алады. Үрділердегі кішкене дөңгелектер инвертирлеуші шығатындар деп аталады. Сурет 2-дегі 5 вентильдер цифрлік логикалық деңгейдің негізін құрайды. Компьютерлерде кебінесе құрамына екі ғана транзистор кіретін ЕМЕС-ЖӘНЕ және ЕМЕС-НЕМЕСЕ вентильдері қолданылады. Вентильдер екіден көп ену көздерінен тұруы мүмкін. Буль алгебрасы Әр түрлі вентильдердің үйлестірілуі арқылы кұрылатын үрділерді суреттеу үшін, барлық айнымалылары мен функциялары тек 0 және 1 бірлігін кабылдай алатын Буль алгебрасы қолданылады. Буль функциясының бір немесе бірнеше айнымалылары болады және ол тек осы айнымалылардың мағынасына байланысты нәтиже шығарады. Буль функциясында п айиымалысынан тек 2 п мүмкін комбинациясы ғана болғандықтан, осындай функцины 2 n жолы бар кестеде толығымен сипаттауға болады. Әр бір жолда айнымалылар бірлігінің әр түрлі комбинациялары үшін функцияның мағынасы беріледі. Осындай кесте шыншылдық кестесі деп аталады. Сурет 2-де көрсетілген барлық кестелер шыншылдық кестесі болып табылады. ЕМЕС А Х А Х 0 1 1 0 А В Х ЕМЕС-ЖӘНЕ А В Х А В Х ЕМЕС-НЕМЕСЕ ЖӘНЕ ЕМЕС-НЕМЕСЕ А В Х 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 А В Х 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 А В Х 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 А В Х 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 а) б) ф в) г) д А В Х жүктеу/скачать 2,59 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|