Дәріс. Ақпаратты өңдеудің процессорлық құрылғылары

Фон Нейман принциптері. Алғашқы, 40-шы жылдардағы, электронды есептегіш машиналардың пайда болуынан бастап, қазіргі заманғы компьютерлердің барлығының жұмыс істеу принциптерінде ешқандай өзгеріс болған жоқ; олардың барлығы үшін фон Нейман принциптері орындалған. Әрине, интегралдық схемаларды пайдаланудың арқасында компьютерлердің өнімділігі, жұмыс сапасы, пайдалануға ыңғайлығы және басқа қасиеттері күрт өзгерді. Машиналардың размерлері, электр қуатын пайдалануы, құны және т.б. көрсеткіштері төмендеді.

1945 жылы америка ғалымы Джон фон Нейман математиктердің дүниежүзілік Конгресінде баяндама жасап, өзінің қазіргі кезде көпшілікке белгілі электрондық есептегіш машиналардың жұмыс істеу принциптерін жариялаған болатын. Олар туралы қысқаша мәліметтер берілсін.

1. Ақпарат екілік сан жүйесінде бейнеленеді (кодталынады) және сөз деп аталынатын ақпарат бірлігіне (элементтеріне) бөлінеді.

2. Ақпараттың әртүрлі типке жататын сөздері бір жадта сақталынады, олар пайдалану тәсілі бойынша бөлінеді, бірақ бірдей тәсілмен кодталынады.

3. Ақпарат сөздері машинаның жадында ұяшықтарда (ячейкаларда) сақталынады; әрбір ұяшыққа номер (адрес) беріледі.

4. Алгоритм команда деп аталынатын басқарушы сөздердің тізбегінен тұрады; олар операцияға қатынасатын сөздер мен операциялардың аттарын анықтайды. Машина командалары түрінде бейнеленген алгоритм программа деп аталынады.

5. Алгоритмде көрсетілген есептеулерді орындау дегеніміз программада біртекті көрсетілген командалардың тізбегін орындау.

Осы принциптердің негізінде ең алғашқы электронды есептегіш машиналардан бастап, қазіргі заманңы компьютерлер де құрастырылған. Компьютердің құрылғыларын оның архитектурасы мен құрылымы бойынша бөледі.

Компьютердің архитектурасы дегеніміз оның логикалық ұйымдастырылуы, құрамы мен оның функционалдық құралдарының міндеттері, кодтау принциптері және т.б. осында ақпарат өңдеудің процестерін біртекті анықтайтындардың барлығы.

Компьютердің құрылымы дегеніміз оның барлық элементтерінің жиыны мен олардың арасындағы байланыс.

Осы принциптермен құрастырылған қазіргі кездегі компьютерлердің түрлері өте көп және өте күрделі. Бірақ олардың көпшілігін келесі схема түрінде бейнелеуге болады:

1-сурет. ЭЕМ-нің жалпы құрылымдық схемасы

Белгілеулер: ПЖ - процессор жады, АЛҚ - арифметикалық-логикалық құрылғы, БҚ - басқару құрылғысы, ТИГ- такт импульстерінің генераторы.

Компьютердің барлық құрылғылары бір бірімен байланысқан; байланыс жолдары арқылы ақпараттық және басқару сигналдары жіберіледі. Жіберілу процесі синхронды болуы үшін такт импульстерінің генераторы (ГИТ) шығаратын импульстер қолданылады.

Процессор дегеніміз цифрлы ақпаратты өңдеу процесін жүргізетін, компьютердің барлық жұмысын программа бойынша реттеп, басқаратын құрылғы. Микропроцессор дегеніміз бір немесе бірнеше интегралдық микросхемалардан тұратын процессор.

Әртүрлі қосымшалардың (программалардың) жұмысы процессордың регистрлерінде орналасқан командалар мен деректердің белгілі бір тәртіппен орындалуына негізделген. Компьютердің қуаты оның байланысты деректер мен оларды өңдеуге тиісті командалардың сәйкестендіру жылдамдығымен анықталады. Әртүрлі процессорларды ерекшелейтін сипаттарына жататындары: такт жиілігі, ішкі кэшөжадтың разрядтыңы мен көлемі.

Такт жиілігі мегагерцпен (МГц) өлшенеді. Ол бір секундта орындалатын операциялардың санын көрсетеді. Кейде бір операцияны орындау үшән бірнеше такт қажет болады. Мұндай жағдайда жылдамдық төмендеуі мүмкін. Бірақ қазіргі кездегі процессорлардың қуаттылығы такт жиілігінің аздап төмендегенін күрделі опрацияларды орындауда байқалмайды.

Разрядтық. Бұл параметр процессордың 32-биттік немесе 64-биттік қосымшаларды орындай алатындығын көрсетеді. Қазіргі кездегі компьютерлердің көпшілігі 64-биттік архитектураға негізделген.

Кэш-жад ағымдағы алмасу кезінде пайдаланылатын ақпараттың көшірмесін сақтауға арналған. Оны пайдаланудың себебі мынада. Компьютердің процессоры өте жылдам жұмыс істейді. Ал басқа құрылғылар, мысалы, оперативтік жад оған қарағанда баяу. Жылдамдықтары әртүрлі құрылғылар арасына кэш-жадты оранластыру арқылы жалпы жылдамдықты өсіруге болады. Кэш-жадты басқару үшін арнайы құрылғы – контроллер қолданылады. Контроллер орындалып жатқан программаның қандай командалары мен деректердің жақын уақытта қажеттілігін талдап, оларды кэш-жадқа енгізіп қояды. Осылайша ақпарат алмасуды жылдамдатады. Бірақ кейде контроллер қажетті команданы немеес деректі дәл анықтамай, кэш-жадқа енгізбеуі мүмкін. Ондай жағдайда процессор ақпаратты оперативтік жүйеден алуға мәжбүр болады. Осылайша жылдамдық төмендейді. Жалпы осы амалдардың тиімділігі талдау нәтижесінің дәлдігіне байланысты.

Ішкі кэш-жадтың көлемінен процессор мен басқа құрылғылар арасындағы ақпарат алмасу жылдамдығы тәуелді. Кэш-жадтың көлемі үлкен болған сайын алмасу жылдамдығы жоғары болады.

Контроллерлер (адаптерлер – adapto - түрлендірушілер) сыртқы құрылғыларды (периферияны) микропроцессордың шинасына қосуға арналған; олардың интерфейстерінің сәйкестігін қамтамасыз етеді. Олар микропроцессордың талабы бойынша сыртқы құрылғылардың жұмысын басқарады. Көбінесе жеке платаларға орналастырылады; ол платалар құрылғылардың адаптерлері деп аталынады.

Сокеттер (socket)– процестер арасында деректер алмасуды қамтамасыз етуге арналған программалық интерфейс. Процестер бір компьютерде немесе бірнеше компьютерлер арасында да болуы мүмкін. Бұл жағдайда компьютерлер бір бірімен желі арқылы байланысқан болуы тиіс. Жалпы, сокет дегеніміз байланыстың соңғы нүктесін бйнелейтін абстракты объект (нысана).

Қазіргі заманғы компьютерлерде басқару (БҚ) және арифметикалық-логикалық құрылғылар (АЛҚ) процессорға біріктірілген. Процессордың өзіндік жады (ПЖ) болады; ол арнайы ұяшықтардан тұрады. Ол ұяшықтар регистрлер деп аталынады. Регистр өзі сақтай алатын биттердің санымен сипатталынады. Регистрлер көлемі аз, есептеулерде сол сәтте қолданылатын ақпаратты уақытша сақтауға арналған. Мысалы, ақпаратты енгізу-шығару операцияларын орындағанда. Регистрде сақталынған ақпарат оның орнына басқа ақпарат орнатылғанға дейін сақталынады. Ал егер регистрдегі ақпарат тек оқылатын болса, онда ол өшірілмейді. Процессордың жадында (ПЖ) уақытша сақталынатын, процессорда орындалатын амалдарда қолданылатын ақпараттарды жазу немесе шығару үшін қажетті ақпараттар сақталынады. Регистрді келесі схема түрінде бейнелейді:

Мұнда 16-биттік регистр бейнеленген.

Компьютердің процессоры мен басқа құрылғыларының арасында байланыс орнату үшін шина қолданылады. Шина дегеніміз бірнеше сымдардан тұрады; олардың әрқайсысы регистрдің бір биттегі екілік санды жіберуге арналған. Шина 8-биттік болса, оны сегізразрядты шина деп атайды. Мысалы келесі суретте осындай шинаның бейнесі көрсетілген:

Регистр (ақпарат көзі)

2-сурет. Шинаның бейнесі

Егер шинаны қолдабайтын болса, онда процессор мен компьютердің басқа құрылғылары арасындағы байланысты орнату үшін өте көп сымдады пайдалану қажет болар еді. Компьютердің барлық құрылғыларының байланысын тиімді түрде орнатуға арналған құралдардың жиынын интерфейс деп атайды.

Жүйелік интерфейс дегеніміз процессор мен сыртқы құрылғылардың контроллерлерімен байланыстыратын схемалардың жиыны, осы схемалармен сигналдар жіберудің алгоритмі, олардың электрлік параметрлері мен байланыс элементтерінің типі.

Процессордың командалар жүйесі. Енгізілген программаны орындау барысында процессор өзінің регистрлерінде, оперативтік жадтағы, сыртқы порттарда орналасқан деректерді пайдаланады. Бұл деректердің бір бөлігі деректер ретінде, бір бөлігі адрестік деректер ретінде, ал бір бөлігі командалар ретінде пайдаланылады.

Процессордың деректерге қолданылатын барлық командаларының жиыны процессордың командалар жүйесі деп аталынады. Бір түрге жататын процессорлардың командалар жүйесі бірдей болады. Ал басқа түрге жататын процессорлардың командалар жүйесі бөтен болғандықтан олардың арасында бірін бірі ауыстыратын мүмкіншіліктері болмайды. Егер екі процессордың командалар жүйелері бірдей болса, онда олар бірдей программамен жұмыс істей алады.

Бүгінгі күні дүниеде ең басты процессор өндіруші команиялар Intel және AMD. Intel компаниясының процессорлары жоғары сапалы әрі өнімді деп саналады. Бірақ олардың құны да жоғары. Intel процессорларын орнату үшін қолданылатын аналық (материнские платы) платалардың сокеттері мыналар:

- жаңа процессорлар i3,i5,i7 үшін 1155,1156,1366;

- ескі процессорлар үшін 478,775.

Қазіргі кезде ең көп тараған процессорлар Intel компаниясының процессорларына сәйкестендіріоіп жасалынады. Ең алғашқы 16-разрядты процессор Intel8086 негізінде бірінші дербес компьютер IBM PC құрастырылған болатын. Осыдан кейін процессорлардың бірнеше буындары қолданысқа енді: 8088,80286,80386,80486,Pentium, Pentium II, Pentium III, Pentium IV.

Осы аталынған компанияның процессорларының командалар жүйесі мыңдаған командалардан тұрады. Әрбір команданың ұзындығы әртүрлі болады, мысалы 8 биттен 120 битке дейін. Ондай процессорларды CISC (Complete Instruction Set Computer) процессорлар деп атайды немесе командалар жүйелі кеңейтілген процессорлар.

Осындай процессорлармен қатар, командалар жүйесі қысқартылған процессорлар RISC (Reduce Instrucnion Set Computer) қолданылады; олар көбінее серверле немесе жұмыс стансалары ретінде пайдаланылады. Бұл процессорлардың алдыңғы процессорлардан айырмашылығы командаларының ұзындықтары бірдей болады әрі командалар саны аз. Ол командалардың әрқайсысы жылдам орындалады.

Параллель есептеулер. Кез келген есептеу жүйесі, ол дербес компьютер немесе суперкомпьютер болуы мүмкін, өзінің ең жоғары өнімділігіне жету үшін жылдам элементтер мен көп операцияларды параллель орындауды пайдаланады. Параллель орындау жүйелердің негізгі операцияларды жылдам орындауға мүмкіндік береді.

Бірнеше процесті параллель орындауды ұйымдастыру үшін келесі тәсілдер қолданылады:

- көп машинаны пайдалану;

- мультипроцессорлық (көп процессорлық);

- көп орындаушы құрылғылары бар бір процессорлық;

- деректерді өңдеуді конвейер әдіс.

Компьютерлік желі. Есептеулерді жылдамдату немесе есептегіш жүйелердің өнімділігін арттырудың тағы бір жолы – есептеу желілерін құрастыру. Осындай желілердің арқасында есептеу-ақпараттық ресурстарды біріктіруге, соның арқасында оларды тиімді пайдалануға болады. Қазіргі кезде компьютерлік желілерді құрастырудың тенденциясы артуда.

Есептеу (компьютерлік) желі дегеніміз белгілі бір территорияда таралған электронды есептегіш машиналар мен терминалдардың бір бірімен ақпарат алмасатын байланыс арналары арқылы байланысқан кешені.

Деректерді өңдеудің желілік технологиялары «клиент-сервер» архитектурасының әртүрлі модельдеріне негізделген.

Сервер дегеніміз сұраныс жасайтын қосымшаларға (программаларға) қызмет жасауды қамтамасыз ететін қосымша (программа). Мысалы, деректер базасының сервері сұраныстарды өңдеуге жауап береді.

Клиент – серверге сұраныс жіберетін қосымша (программа).Есептеу жүйелерінде жалпы ресурстарын беруге дайын компьютерді сервер деп атайды, ал ол ресурстарды пайдаланатын компьютерлерді клиенттер деп атайды.