Дербес компьютердің жалпы құрылымы

Алғашқы дербес компьютер 1989 жылы Америка Құрама Штаттарында пайда болғаннан бастап, өз дамуында жоғарғы деңгейге жетті. Олардың көлемі, салмағы, электр қуатын пайдалануы көп төмендеп, ең бастысы – пайдаланушының қолдануына ыңғайлы болуы оның кең тарауына жағдай жасады.

Дербес компьютерлердің осындай артықшылықтарына мүмкіндік берген соңғы кездерде қарқынды дамыған ғылым мен техниканың негізгі саласы – интегралдық схемалардың (ИС) қолданылуы. Қарапайым тілде оны чип деп атайды. Қазіргі кезде ИС компьютерлерден басқа, мобильдік телефондарда, видео-фото камераларда, телевизорлар мен басқа электрондық құралдарда қолданылады, олар балалардың ойыншықтарында да қолданыс тапты. Интегралдық схемаларды пайдалану қоғамды ақпараттық қоғамға айналдырды деуге болады.

Интегралдық схемалар өткен ғасырдың 60-жылдарының басында пайдаланыла бастады. Олардың негізгі құрылғысы транзистор болып табылады. Интегралдық схеманың күрделілігі осы транзисторлардың ондағы санына байланысты. Осыдан елу жыл бұрын (1965 жылы сәуір айындағы ғылыми журналдағы мақаласында) INTEL компаниясының басшысының бірі – Гордон Мур интегралдық схемалардың дамуының болашағы туралы болжам жасаған болатын. Оның болжауы бойынша әрбір 18-24 ай сайын кристалдағы интегралдық схеманың транзисторларының саны екі есе өсіп отырады делінген. Іс жүзінде осы болжамның орындалғанын көруге болады. Мысал ретінде дүние жүзінде кең тараған Intel компаниясының процессорларының дамуын қарастыруға болады. 1989 жылы кристалдағы транзисторлар саны 1 миллионнан асқан болса, ал 2008 жылы 1 миллиардтан асты.

Транзисторлардың санының артуы интегралдық схеманың көлемінің азайғанымен байланысты. Интегралдық схеманың көлемі қолданылатын технологиямен анықталады. Соңғы кездерде қолданылатын технологиялар 180, 135, 90, 65 нм (нанометр немесе 10^-9 метр). Кейінгі кезде 45 нм технологиясын пайдалану туралы мәліметтер бар.

Қолданылатын технологияларды сипаттау үшін әрі салыстырма ретінде адам шашының диаметрінің орташа мәні 75 микрон. Қазіргі заманғы схемаларда жүздеген миллион транзисторлар оранласқан. Ондай схемаларды аса үлкен интегралдық схемалар (СБИС- сверхбольшие интегральные схемы) деп атайды Келесі кестеде (1-кесте) процессорлардың сипаттарының уақыт бойынша өзгеруі көрсетілген:

1- Кесте. Intel компаниясының процессорларының сипаты

Интегралдық схемаларға қойылатын негізгі талаптар мыналар:

1. Жылдамдық немесе командалардың орындалу жылдамдығы; ол схеманың элементтерінің арасында сигналдың таралу уақыты мен кідіруімен анықталады.

2. Энергияны пайдалануы немесе электр қуатын пайдалануы; интегралдық схемалар мобильдік құрылғыларда, ноутбуктарда және басқа аккумуляторлар мен батарейкаларды пайдаланатын құрылғыларда қолданылады; ал олар жиі зарядттауды қажет етпейтін болуы тиіс. Сондықтан энергияны пайдалану қасиеті негізгі талап болып табылады.

Компьютерде негізгі ақпараттық элемент сөз. Әрбір сөз белгілі бір тәртіппен орналасқан биттердің жиыны. Бит дегеніміз екілік сан жүйесіндегі 0 немесе 1. Сөз байттарға бөлінуі мүмкін. Байт дегеніміз сегіз биттен тұрады. Сөздегі биттердің саны сөздің ұзындығы деп аталынады. Кез келген нақты компьютер қарастырылса, ондағы сөздердің ұзындығы бірдей болады, ал әртүрлі компьютердегі сөздердің ұзындығы әртүрлі болуы мүмкін. Мысалы, дербес компьютердегі сөздің ұзындығы бір байттан тұрса, ал Gray-1 деп аталынатын суперкомпьютерде сөз 64 биттен тұрады. Егер сөзде белгілі бір ақпарат жазылған болса, онда оның әрбір битінде 0 немесе 1 болғаны. Сөздегі барлық биттердің жиынының жағдайы сөздің мазмұнын анықтайды. Барлық сөздердің жиынын сақтайтын құрылғыны жад деп атайды. Компьютердің типіне немесе пайдалану мақсатына байланысты оның жады әртүрлі болады; жад күрделі, біртекті немесе әртекті болуы мүмкін. Барлық сөздерге ат беріледі; оны адрес деп атайды. Адрестің құрылымы жадтың құрылымын анықтайды деуге болады. Әрбір сөздің өзіндік адресі болады. Әрбір адрес жадтың нақты бір орынымен байланыстырылады.

Кез келген компьютердің негізгі орындайтын қызметі - өзінің жадындағы ақпаратты өңдеу. Ол жеке сөздердің мазмұнына қолданылатын қарапайым функциялардың тізбегін орындаумен жүзеге асырылады. Іс жүзінде әрбір функцияда аргументтер саны екеуден артық болмайды. Әртүрлі компьютерлерде орындалатын функциялар әртүрлі болуы мүмкін. Бірақ көбінесе орындалатын функциялардың кейбіреулері бірдей болуы мүмкін, тек жүзеге асыру техникасы әртүрлі болады. Ең көп тараған функцияларға жататындары – сандарға арифметикалық және логикалық операциялар. Арифметикалық операцияларға екілік сан жүйесіндегі сандарды қосу, алу. Көбейту және т.б. жатады, ал логикалық операцияларға – биттерге қолданылатын буль алгебрасының амалдары: конъюнкция, дизъюникция және т.б. Компьютерлермен жұмыс істеушілер арасында барлық функцияларды операциялар деп аатйды. Ал аргументтің мәнін немес аргументтің өзін, сөз орналасқан адресті операндалар деп атайды.

Компьютерде операциялар белгілі бір электрондық схема түрінде жүзеге асырылады. Ондай схемалардың жүзеге асырылуын әртүрлі атайды. Мысалы, чип, құрылғы, процессор, сопроцессор және т.б. Көбінесе құрылғы деген ат қолданылады. Арифметикалық және логикалық операциялардың жиынын жүзеге асыратын құрылғыны арифметикалық-логикалық құрылғы деп атайды. Орысша: арифметико-логическое устройство (АЛУ).

Командалар жүйесі. Жадтағы ақпаратты өңдеумен қатар, компьютер ақпаратты өңдеуге байланысты барлық процестерді ұйымдастыруы тиіс. Осы амалдарды орындау үшән компьютердің машиналық командалар жүйесі (система машинных команд) қолданылады. Басқа ақпараттар сыяқты командалар да машина сөзі ретінде жазылады. Команданы жазғанда операцияның коды және ол орындайтын операцияларға тиісті операндалар көрсетіледі. Кейбір машиналық командалар тек белгілі бір жерге орналасқан сөздермен ғана жұмыс істейді. Мысалы, нақты регистрлерде орналасқан сөздермен. Мұндай командалар үшін операндаларды көрсетудің қажеті жоқ. Әрбір команданың орындалу нәтижесінде келесі орындалатын команда анықталады. Ақпаратты өңдеу процесі нақты компьютердің машина командаларының жиынымен сипатталынады. Осындай машина командаларының жиыны машина коды немесе ішкі кодта жазылған программа деп аталынады. Сонымен, процесс машина командаларының тілінде жазылған программамен сипатталынады.

Программалау. Машина командалары компьютердің құрылымына байланысқан. Ол пайдаланушы орындайтын амалдардың құрылымына ұқсас болмауы мүмкін. Көпшілік жағдайда, пайдаланушы программасын жоғары деңгейдегі тілде жазады. Ал компьютер ол тілді түсінбейді. Ол программамен компьютер жұмыс істеуі үшін программа машина кодына аударылуға тиісті. Аударуды арнайы программалық жүйе орындайды. Оларды компиляторлар деп атайды. Ол программалар өте күрделі және аса көп жұмыстарды орындайды. Есепті компьютерде тиімді шешу үшін оның аударған программасы тиімді болуы тиіс.

Енгізу-шығару. Машина коды орындалудан бұрын, барлық командалар және қажетті деректер компьютер жадына енгізілуі тиіс. Оны жүктеу (загрузка) деп атайды. Ол амал арнайы командалардың көмегімен орындалады және арнайы құрылғы пайдаланылады. Ол құрылғы енгізу құрылғысы (устройство ввода) деп аталынады. Енгізу құрылғысына жататындары: ақпаратты дискеталар мен лазерлік дискілерден, сканерлерден, клавиатурадан және т.б. оқитын құрылғылар. Компьютердің жұмысының нәтижесі арнайы командалардың көмегімен шығару құрылғысы (устройство вывода) арқылы алынады. Оған жататындары: дискеталар мен лазерлік дискілерге, графопостроительдерге, принтерлерге және т.б. ақпаратты жазатын құрылғылар. Қазіргі кезде ақпаратты шығару және енгізу құрылғыларының (устройство ввода-вывода, УВВ) көптеген түрлері қолданылады. Құрылғылардың конструкцияларының әртүрлі болғанына қарамастан компьютердің құрылғыларының ішінде ең баяу жұмыс істейтін құрылғылары осы енгізу-шығару болып есептеледі. Әсіресе енгізілетін немесе шығарылатын ақпарттар аса көп болғанда осы жағдай қиындықтар туғызады.

Басқару. Компьютердің жадына машина коды мен деректер енгізілгеннен кейін ол өз жұмысын бастайды. Компьютердің жұмысын басқару құрылғысы (УУ-устройство управления) басқарады. Басқару құрылғысында компьютердің барлық құрылғыларының арасында ақпарат қозғалысын басқаратын регистрлер, есептегіштер және басқа элементтер болады. Олар енгізу-шығару, арифметикалық-логикалық құрылғылар мен жад араларында және басқа құрылғылармен болатын ақпарат алмасу процестерін берілген командалар бойынша орындауды қамтамасыз етеді. Бұл жерде басқару құрылғысы екі қарама-қайшы мәселені шешуіне тура келеді. Бір жағынан, ол жылдам жұмыс істеуі тиіс, себебі есепті шешу процесін тежемеу үшін. Екінші жағынан, ол әртүрлі құрылғылармен қарым-қатынаста болады; олардың ішінде қашықта орналасқан, параллель және баяу жұмыс істейтін құрылғылардың болуы мүмкін. Осыған байланысты басқару құрылғысы иерархиялық және үлестірілген қағидаға негізделген.

Ең жылдам деңгей – жадқа енгізілген кезекті команданы орындап, операцияның коды мен операторлардың адрестерін белгілеп, келесі командалардың біреуін немесе бірнешеуін талдау үшін таңдайтын электрондық схема. Келесі деңгей – арифметикалық-логикалық операцияларды орындауды басқаратын электрондық схема. Басқару құрылғысы, арифметикалық-логикалық құрылғы және жылдам жад блогы құрайтын жиынды орталық процессор деп атайды (центральный процессор).

Қазіргі кездегі компьютерлердің барлығында екі түрлі басқару тәсілі қолданылады: схемалық және микропрограммалық. Схемалық басқару тез басқару, бірақ қарапайым басқару қажет болғанда қолданылады. Ал микропрограммалық басқару – күрделі басқару қажет болғанда. Жалпы, басқару құрылғысы компьютердің жұмысында негізгі орын алады. Бірақ ол әртүрлі жеке басқару мәселелерін шешумен байланысты көптеген программалар мен микропрограммалық жүйелермен байланысқан. Олардың кейбіреулері өте күрделі болады. Мысалы, файлдарды басқару жүйесін арнайы есептеу машинасы ретінде қарастыруға болады; оның өз жады болады, компьютердің жадымен және магниттік дискілерімен байланыста болады. Ао графикалық ақпаратпен жұмысты басқару одан да күрделі болатыны белгілі. Компьютердің барлық жұмыстарын басқаруды қамтамасыз ететін программа жүйелерінің жиыны операциялық жүйе деп аталынады. Қазіргі кезде шығарылатын компьютерлердің барлығында операциялық жүйелер біріктірілген. Бір компьютерге бірнеше операциялық жүйені орнатуға болады. Дербес компьютерлер үшін ең көп тараған операциялық жүйелер: MS DOS, Windows және Unix. Олардың әрқайсысының өзіндік ерекшеліктері мен шешетін өзіндік есептері болады.

Компьютердің жалпы схемасын келесі түрде бейнелеуге болады:

1- сурет. Компьютердің жалпы схемасы

Әрине, бұл схема компьютердің жеке бөліктерінің арасындағы тек байланыстарды ғана көрсетеді. Ал оның жеке бөліктерін арнайы терең қарастыруға болады.