«компьютер жүйелерінің СӘулеті»

Дәрістің қызсқаша мазмұны:

МП – сандық ақпаратты өңдеу процесін жүзеге асыратын программалы-басқармалы құрылғы.

Орталық МП –бірпроцессорлы жүйеде ақпаратты өңдеу процесін жүзеге асыратын немесе көппроцессорлы жүйе жұмысын ұйымдастыратын МП.

Периферийлі МП (сопроцессор) – жүйеде қандайда бір функцияны орталық МП басқаруымен орындайтын МП.

Арнайы (специализированный) МП – қандайда бір есептер класын шешу үшін оптимизацияланған құрылымы бар МП.

МП разрядтылығы – МП арифметика-логикалық басқару регистрлерінің рязрядтар саны.

1.2. МП сәулеті. МП классификациясы.

МП сәулетін аппараттық, программалық және -программалық құралдар жиынтығы деп түсінігуге болады.

Аппараттық құралдар МП логикалық құрылымы түрінде беріледі, яғни МП құрайтын логикалық блоктар конфигурациясы және олардың арасындағы байланыс.

МП программалық құралдары МП программалық моделі, командалар жүйесі мен программалау тілдері жүйесі және адрестеу жүйесі түрінде беріледі.

МП классификациясы:

1. 
   Аппараттық құрал ретінде қарағанда:
   

• 
  біркристалды және
  
• 
  көпкристалды.
  

2. 
   Міндеті бойынша:
   

• 
  әмбебап және
  
• 
  арнайы.
  

3. 
   Өңделетін енгізу сигналдарының түрі бойынша:
   

• 
  сандық және
  
• 
  аналогтық.
  

4. 
   Логикалық құрылым ұйымдастыру бойынша:
   

• 
  бір магистральмен,
  
• 
  көп магистральды.
  

3-шиналы МП құрылымының жалпы түрі келесідей:

УУ – АЛҚ операциясының орындалу реттілігі, МП барлық блоктарының жұмыс істеу тактілігін өңдеу, мәліметтерді алмастыру және ішкі, сыртқы магистральдар бойынша адрестерді басқару үшін арналған.

1. 
   команда санағышында (СК) көрсетілген адрес бойынша келесі команданы таңдау.
   
2. 
   Команданы дешифрлеу.
   
3. 
   Командаларды орындау бойынша элементарлы операциялар реттілігін құру.
   

Р – жұмыс регистрлері. Ондағы сақталынған мәліметтерге тез кіруді қамтамасыз ететін жады ұяшығын көрсетеді.

Жұмыс регистрлері орындалатын функциялар бойынша топтарға бөлінген:

• 
  Операндтар регистрі (О), операцияның орындалу уақыты кезінде операцияны орындап жатқан сандар сақталады.
  
• 
  Командалар регистрі (К). Орындалып жатқан операция кодын сақтайды.
  
• 
  Адрес регистрі (А), команданың адрестік бөлігін сақтайды.
  
• 
  Белгілер (флаг) мен жағдайлар регистрі (ФиС) – олар әртүрлі жағдайлардың туындауын тіркейді:
  

Б) қосымша алмастыру белгісі (АС).

В) таңба белгісі (S).

Г) ноль белгісі (Z).

Д) жұп белгісі (Р).

• 
  Жалпы бағыт регистрі (ОН) аралық нәтижелер мен командаларды сақтау үшін пайдаланылады.
  
• 
  (УС) стекті көрсеткіш (SP).
  

Стектің 2 түрі бар: 1) қосымша салынған (встроенный) (МП кристалында, V – үлкен емес), 2) Автономды (МП-ға қатынасы бойынша сыртқы – ЖЕСҚ)

Стектер пайдаланылады:

1. 
   Кері есептеу жүргізу кезінде пайдаланылатын мәліметтерді жедел тізбектей сақтау кезінде.
   
2. 
   Қайтару адрестерін есте сақтау үшін подпрограммалармен жұмыс істеу кезінде.
   
3. 
   Негізгі блоктар жағдайын есте сақтау үшін үзулермен жұмыс істеу кезінде.
   

• 
  Командалар санығышы (СК). Орындалуға тиіс командалар адресін көрсетеді.
  
• 
  Тактілік жиілік генераторы (ГТ). МП барлық элементтерінің және онымен байланысқан құрылғылар жұмысын синхрондайды. Программалардың орындалу жылдамдығы ГТ тактілік жиілікке пропорционалды.
  

Көбінесе ША, ШД, ШУ бөліп қарастырады. Бұл 3-шиналы құрылым болады. 2-шиналы және біршиналы да құрылым бар. Бұл жағдайда бір сызықпен мәліметтер, адрестер, басқару сигналдары беріледі. Бұл жылдамдықты төмендетеді, бірақ сызықтың аз санын пайдалануға мүмкіндік береді.

1.4. МП командалар жүйесі.

МП ерекшелігі оның программаланатындығы болып табылады. Бұл дегеніміз МП команда бере отырып, операцияның қажет тізбегін қамтамасыз етуге болады

Шешілетін есеп алгоритмі қаншалықты қиын болса да, ол МП командалар жүйесіне сәйкес келуі керек.

Әртүрлі МП-да 50 .. 60 және 200..300 дейінгі диапазонда командалардың әртүрлі жүйесі бар.

1. 
   Функционалды түрде қарағанда командаларды мынаған бөледі:
   

• 
  арифметикалық
  
• 
  логикалық
  
• 
  программалардың орындалу тізбегін басқару командалары (көшу командасы)
  
• 
  мәліметтерді беру (қайта жіберу) командалары
  
• 
  подпрограммаларға қатынасу және одан қайтып келу командасы
  
• 
  енгізу/шығару командасы.
  

2. 
   Сәулеттік белгі бойынша: (команда МП қандай элементінің құрылымымен жұмыс істеуіне байланысты).
   

• 
  жады ұяшығындағы бар ақпаратты өзгерту командасы,
  
• 
  аккумулятор құрамындағы өзгерістер командасы,
  
• 
  стекпен операцияны орындау командасы,
  
• 
  АЛҚ-да операцияны орындау командасы,
  
• 
  басқаруды беру командасы,
  
• 
  флагты регистрді өзгерту командасы,
  
• 
  енгізу/шығару командасы.
  

3. 
   Бір команданы орналастыру үшін қажет жады ұяшығының саны бойынша:
   

• 
  1 сөзге ұзын командалар,
  
• 
  2 сөзге ұзын командалар,
  
• 
  3 сөзге ұзын командалар.
  

1.5. МП негізгі сипаттамалары.

МП-дің компьютерде орнатылған типі ДК түрін анықтайтын басты фактор болып табылады. Оған компьютердің есептеу мүмкіндігі қатысты. Пайдаланылатын микропроцессор типіне байланысты ДК бес класын ерекшелейді:

1. XT класты компьютерлер;

2. AT класты компьютерлер;

3. 386 класты компьютерлер;

4. 486 класты компьютерлер;

5. Pentium класты компьютерлер.

2. Микропроцессордың тактілік жиілігі.

Тактілік жиілік импульсі жүйелік платада орналасқан генератордан түседі.

Микропроцессордың тактілік жиілігі – генератормен 1 секундта пайда болатын импульстер саны.

Тактілік жиілік ДК құрылғыларының жұмысын синхрондау үшін қажет. Микропроцессор жұмысының жылдамдығына әсер етеді. Тактілік жиілік жоғары болған сайын, сонша оның жылдамдығы да ұлғаяды.

Микpопpоцессоp жылдамдығы – бұл уақыт бірлігінде (операция/секунд) микропроцессормен орындалатын элементарлы операциялар саны.

Процессор разрядтылығы – екілік код разрядының максималды саны, олар бір уақытта өңделіп немесе жіберілуі мүмкін.

1. Әмбебап, яғни негізгі микропроцессорлар.

Олар аппаратты тек арифметикалық операцияларды және тек бүтін сандармен орындауы мүмкін.

2. Сопpоцессоpлар.

Негізгі процессордың функционалды мүмкіндігін толықтыратын микpопpоцессоpлы элемент. Негізгі процессор команда алған кезде, ол осы жұмыс жиыны команда құрамына кірсе, басқаруды сопроцессорға беруі мүмкін.

Мысалы, математикалық, крафикалық және т.б. сопроцессорлар бар.

Командалар жүйесінің құрамын анықтайтын сәулеттік ерекшеліктерімен сәйкес сыналарды ерекшелейді:

1. CISC сәулетті микропроцессорлар.

CISC - Complex Instruction Set Computer – командалардың қиын жүйесі бар компьютеpлер. Тарихи олар бірінші және командалардың үлкен санын қосады. INTEL фирмасының барлық микропроцессорлары CISC категориясына жатады.

2. RISC сәулетті микропроцессорлар.

RISC - Reduced Instruction Set Computer – командалардың қысқартылған жүйесі бар компьютеpлер. Командалар жүйесі жеңілдетілген және әрбір нұсқасы бір ғана тактте орындалатындай қысқартылған. Сондықтан микропроцессор құрылымы жеңілдетіліп, оның жылдамдығы жоғарлады.

RISC-сәулетті микропроцессорлар мысалы - Power PC. Power PC микропроцессорлары 1981 жылы үш фирмамен: IBM, Motorola, Apple құрастырыла бастады.

3. MISC сәулетті микропроцессорлар.

MISC - Minimum Instruction Set Computer – командалардың минималды жүйелері бар компьютеpлер. Программа ұзын командалардың аз санын түрлендіреді.

7. Микропроцессор корпусының типі.

Қазіргі микропроцессорлардың микросхемасы пластмассалық немесе керамикалық корпусы бар болуы мүмкін.

PQFP - Plastic Quard FlatPack Package

- бұл типті корпустарда микpопpоцессоpлар жүйелік платаларда орналасады, сондықтан микропроцессорды ауыстыру мүмкін емес.

ZIF - Zerro Insertion Force

- корпустың мұндай типінде арнайы (қысым) зажим бар, оның көмегімен ол жүйелік платадан оңай алынады.

PGA - Pin Grid Array керамикалық коpпус және алтын тәрізді қойылымы болады, ол оны арнайы ұяға жеңіл қоюға мүмкіндік береді.

1.6. МП сәулетін дамыту бағыттары.

Қарастырылған МП құрылымында программалар тізбектеле орындалады: командадан кейін команда (Командалардың орындалуы командалар ағынымен анықталады). Мұндай архитектура SISD (бір команда, қарапайым деректер) деген атау алды. 2 немесе 3 сөзден тұратын командалар бар болған жағдайда МП команданы түгелдей оқу үшін жадыға бірнеше рет айналып келеді. Нәтижесінде оқуға кететін уақыт операцияның өзінің орындалу уақытынан асып кетеді. МП жылдамдығын жоғарлату тактілік жиілікке тікелей пропорционалды. бірақ мұнда физикалық шекке жақындаймыз: 1МГц-те тактілік жиілік үшін шиналар мен арналар бойынша сигнал бір такт уақытта 20..25 см. қашықтықта таралуы мүмкін. Ал егер сигналдың индуктивтілігі мен көлеміне байланысты сигналды орнату уақытын ескерсек, онда бұл МП жылдамдығын одан да көп шектейді.

Шектеулерден өту жолы:

1. 
   Конвейеризация.
   

2. 
   КЭШ жады.
   

Енді ЖЕСҚ-на КЭШ шегінен шыққан жағдайда ғана қатынасу қажет (КЭШ-ті жаңарту). МП-да жылдам буферлі жады – КЭШ жады деп аталады.

3. 
   Параллелизация.
   

4. 
   Векторлы өңдеу.
   

Бұл класс SIMD (бір команда, көп деректер) деп аталады. Бір командамен деректердің реттелген жиыны өңделетін режим векторлы өңдеу деп аталады. Ол конвейер немесе конвейерлер жиыны көмегімен ұйымдастырылуы мүмкін.

5. 
   Матрицалық өңдеу.
   

6. 
   Командалардың қысқартылған жиынын қолдану.
   

7. 
   Барлық қарастырылған әдістер командалардың басқарылатын ағынымен МП архитектурасына негізделген. МП да, қазіргі программалау тілдері де жалпы жағдайда программа мен операцияның параллелизациядан алуына себін тигізбейді.
   

Программаның орындалуы кезінде командалар өзінің нәтижелерін басқа командаларға ауыстырады (береді), олар бастапқы деректер ретінде қажет. Команданың орындалу басының жалғыз шарты барлық қажет операндтардың бар болуы табылады, яғни командалардың орындалу реті программада оның жазылу тізбегімен емес, ал деректердің дайын болуы уақытымен анықталады.

Нәтижесінде ауқымды жадының қажеттілігі керек емес, нәтижелер программалық құрылымда ауыстырылады. Программалық санағыш жоқ, командалардың активтілігі деректердің дайындығымен анықталады. Бұл шарттарды командалар жиынының деректер жиынымен біруақытта орындалуы үшін құрылады. Мұндай архитектура - MIMD (көп командалар, көп деректер).
3-модуль

13 дәріс. ЭЕМ-ді ұйымдастырудың машиналық деңгейі.