«Компьютер архитектурасы»

Компьютерлердің топтасуы

• 
  даму кезеңі бойынша;
  
• 
  архитектурасы бойынша;
  
• 
  өнімділігі бойынша;
  
• 
  пайдалану шарты бойынша;
  
• 
  процессорлар саны бойынша;
  
• 
  пайдаланушы қасиеттері бойынша т.б.
  

Дәріс №1.Өзін-өзі тексеру сұрақтары

1. 
   ЕТ дамуының кезеңдерін сипаттап бер.
   
2. 
   ЭЕМ буындарының әрқайсысының сипаттамасы қандай?
   
3. 
   ЭЕМ буындары несімен ерекшеленеді?
   
4. 
   Компьютерлер қалай топтасады?
   

• 
  Вентильдер және Буль алгебрасы
  
• 
  Буль функцияның жүзеге асырылуы
  
• 
  Үрділердің баламалығы
  
• 
  Интегралды үрділер
  
• 
  Қиыстыру үрділері
  
• 
  Арифметикалық үрділер
  

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.

Сурет 1.б) - суретінде транзисторлар тізбектей қосылған. Егер V₁ және V₂ 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-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.

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 функциясының бірлігін айнымалылар бірлігінің қандай комбинациялары 1 беретінін белгілеп алып, кез келген Буль функциясын анықтауға болады. Сурет 3-тің а) суретінде келтірілген функция үшін Буль функциясының 1 бірлігін беретін айнымалылардың 4 комбинациясы бар. Егер кіріс айнымалыларының бірлігі инверттелінетін болса, онда оның үстінде сызық койылады. Осы сызықтың болмауы айнымалының инверттелінбейтінін білдіреді. Көбейту белгісі (түсірілуі мүмкін) ЖӘНЕ Буль функциясын белгілеуге қолданылады, ал "+" белгісі НЕМЕСЕ Буль функциясын белгілеуге қолданылады. Сурет 3-тің а)-суретіндегі кестеде функция 1 бірлігін төрт жолда кабылдайды: АВС, АВС, АВС, АВС .

Егер, осы төрт шарттың біреуі шыншыл болса, онда М функциясы 1 мәнін қабылдайды. Демек, оны былай жазуға болады:

М = АВС + АВС + АВС + АВС

Бұл - шыншылдық кестесінің шағын түрде жазылуы. Осыдан келе п айнымалыдан тәуелді функцияны максимум 2^п туынды сомасымен көрсетуге болады. Осындай тұжырымдау аса маңызды, өйткені ол стандартты вентильдерді қолданумен берілген функцияны тура жүзеге асыруға алып келеді.

Буль функциясы кіріс және шығыс айнымалылары, және вентильдер (мысалы: ЕМЕС, ЖӘНЕ, НЕМЕСЕ) болып саналатын сигналдарды қолданатын электрондық кесте көмегімен жүзеге асырылуы мүмкін.

Буль функцияның жүзеге асырылуы

Сурет 3-тегі кез-келген Буль функциясы үшін үрдіні қалай жүзеге асыратынын керсетеді:

1. 
   Берілген функция үшін шыншылдық кестесін құру;
   
2. 
   Әрбір кіріс сигналы үшін инверсияларды туғызу үшін, инверторларды қамтамасыз ету;
   
3. 
   Нәтижесі бір болатын шыншылдық кестесінің әр бір жолы үшін ЖӘНЕ вентилін салу;
   
4. 
   ЖӘНЕ вентилін сәйкес кіріс сигналдарымен қосу;
   
5. 
   Барлық ЖӘНЕ вентильдерінің шығыстарын НЕМЕСЕ вентиліне шығару.
   

Берілген алгоритм ЖӘНЕ, ЕМЕС және НЕМЕСЕ вентильдерін пайдаланады. Бір типті вентильдерді қолданып қүру қолайлырақ болып табылады. Алдыңғы алгоритм бойынша құрылған кестелерге ЕМЕС-ЖӘНЕ – және ЕМЕС-НЕМЕСЕ вентильдері арқылы оңай езгертуге болады, өйткені кез-келген Буль функциясын тек ЕМЕС-ЖӘНЕ немесе ЕМЕС-НЕМЕСЕ вентилдерін пайдалану арқылы есептеп шығаруға болады. Ешбір басқа вентильдің бұндай қасиеттері жоқ, сондықтан кесте құрғанда көбінесе вентильдің осы екі типін пайдаланады.

Үрді құрған кезде оның бағасын, алатын орнын энергия шығынын төмендету үшін көп жағдайда вентиль санын азайтуға тырысады. Үрдіні жеңілдету үшін дәл сол функцияны есептеп шығара алатын, сонымен қатар вентильді азырақ қажет ететін басқа үрдіні табу қажет.

Буль алгебрасы оны орындауға мүмкіндік береді (Сурет 4).


Сурет 4. Тек ЕМЕС-ЖӘНЕ вентилін қолдану арқылы немесе тек ЕМЕС-НЕМЕСЕ вентилін қолдану арқылы вентильдерді жобалау ЕМЕС (а), ЖӘНЕ (6) және НЕМЕСЕ (в)
Барлық мүмкін айнымалылар үшін екі функция бірдей мағына қабылдағанда ғана бұл екі функция балама болып табылады.

Әдетте құрушы белгілі бір Буль функцияға сүйенеді де, ал содан кейін бастапқыға балама болып келетін жеңілірек функция табу үшін, Буль алгебрасының негізгі заңдарын қолданады. Алынған функция негізінде кестені құрастыруға болады. Осындай әдісті қолдану үшін, Буль алгебрасының негізгі заңдарын білу қажет. Кесте 1-де осы зандардың кейбіреуі көрсетілген. Де Морган заңдары тек екіден көп айнымалысы бар өрнекке ғана қолданылады мысалы: АВС= А + B+С .

Теңдік заңы	1А=А	0+А=А
Нөл заңы	ОА=0	1+А=1
Идемпотенттік заңы	АА=А	А+А=А
Инверсия заңы	АА = А	А + А = А
Коммуникативтік заңы	АВ=ВА	А+В=В+А
Ассоциативтік заңы	(АВ)С=А(ВС)	(А+В)+ОА+(В+С)
Дистрибутивтік заңы	А+ВС=(А+В)(А+С)	А(В+С)=АВ+АС
Сіңіру заңы	А(А+В)=А	А+АВ=А
Де Морган заңы	АВ=А+В	А+В=А+В

Вентильдер интегралды үрділер немесе микроүрділер деп аталатын модульдерде өндіріледі және сатылады. Интегралды кесте бірнеше вентиль орналасқан көлемі 5x5 мм кремнийдің квадрат түріндегі бөлігі болып есептеледі.

Құрамындағы вентиль санына қарай микроүрділерді жіктеудің келесідей түрі бар:

• 
  МИС (кіші интегралды кесте): 1 ден 10 вентильге дейін;
  
• 
  СИС (орта интегралды кесте): 1 ден 100 вентильге дейін;
  
• 
  БИС (лкен интегралды кесте): 100 ден 1 000 000 вентильге дейін;
  
• 
  СБИС (өте үлкен интегралды кесте): 100 000 вентильден көп.
  

Сандық логиканың қолдану шығыс сигналдары ағымдағы кіріс сигналдарымен анықталатын үрділердің болуын қажет етеді. Осындай кесте қиыстыру үрдісі деп аталады. Мұндай қасиеттер барлық үрділерде жоқ .

Әрбір ЖӘНЕ вентилі белгілі бір басқару сызықтарының біреуін таңдау үшін пайдаланады (Сурет 6). Әр қайсысы 1 Мбайт болатын 8 микроүрдіден тұратын ЕС берілді дейік. Сурет 6-да бұл үш бит –А, В және С үш кіріс болып көрсетілген. Кіріс сигналдарына байланыста 8 шығыс жолдарының біреуі (D0,.....,D7) бір мағынасын, ал қалған жолдар 0 мағынасын қабылдайды . Әрбір шығыс жолы 8 ЕС микроүрдісінің ішінен біреуін енгізеді. Мағынасы 1 болатын бір ғана жол болғандықтан, тек бір ғана микроүрді қосылды.

Компаратор кіріске келіп түскен екі сөзді салыстырады. 7-суретінде көрсетілген компаратор,әр қайсысының ұзындығы 4 бит болатын екі кіріс сигналдары 1 мағынасын,сәйкес келмесе 0–мағынасын шығарып береді.Үрді НЕМЕСЕ вентилін қоспайтын вентильге негізделген.

Бұл бөлімде арифметикалық амалдарды орындау үшін қолданылатын СИС қиыстыру үрділері қарастырылады. Олар: жылжыту үрділері, сумматорлар, арифметикалық, логикалық құрылғылар.

Сурет 8-де 8 кірісі мен 8 шығысы бар жылжыту үрдісі берілген. 8 кіріс биттері D0,......,D7 жолдарына беріледі. 1 битке жылжытылған кіріс мәліметтері болып табылатын шығыс мәліметтері S0,…..,S7 жолдарында енгізіледі. С басқару мәліметтері болып табылатын шығыс мәліметтері S0,…..S7 жолдары жылжу бағытын анықтайды: 0–солға, 1 оңға.

9.а-суретінде бір разрядты бүтін сандарды қосу үшін қолданылатын шыншылдық кестесі көрсетілген. Бұл жерде екі нәтиже бар: А және В кіріс айнымалыларының қосындысы және келесі (сол) позицияға көшу. Қосындының битін және көшіру битін есептеп шығару үшін қолданылатын үрді 9.б-суретінде керсетілген. Осындай кесте әдетте жартыяай сумматор деп аталады. Жартылай сумматор екі көп биттік сөздердің теменгі раз-рядтарының биттерін қосу үшін ғана сәйкес келеді, өйткені үрді бұл позицияға көшуді жүзеге асырмайды. Толық сумматор екі жартылай сумматордан тұрады. Егер А, В және көшіру кірісі айнымалыларының тақ саны 1 бірлігін қабылдаған кезде, қосынды 1-ге тең болады. Ал егер А және В бірдей 1-ге тең болса немесе олардың біреуі 1-ге тең және көшіру кірісі де 1-ге тең болса, онда көшіру шығысы 1 бірлігін қабылдайды (10-сурет). Екі жартылай сумматор қосынды битін де, көшіру битін де туғызады.

қосу үшін қолданылатын шыншылдық шыншылдык кестесі (а),

кестесі (а), жартылай сумматордың толық сумматордың үрдісі (б).

үрдісі (б).

1. 
   Вентильдер және Буль алгебрасы дегеніміз не?
   
2. 
   Буль функцияның жүзеге асырылуы қалай?
   
3. 
   Үрділердің баламалығы дегеніміз не?
   
4. 
   Интегралды үрділер дегеніміз не?
   
5. 
   Қиыстыру үрділері дегеніміз не?
   
6. 
   Арифметикалық үрділер дегеніміз не?
   

Жоспар:

• 
  Ақпаратты кодтау тәсілдері, компьютерде ақпараттың берілуі;
  
• 
  Негізгі логикалық элементтер;
  
• 
  Алгебра логикасының негіздері;
  
• 
  Логикалық құрылымды синтездеу.
  

АЛҚ келесі 4 функцияның біреуін есептеп шығара алады: А ЖӘНЕ В, А НЕМЕСЕ В, В және А+В (Сурет 1). Функцияны таңдау Ғ_о және Ғ, жол-дарына қандай сигналдар: 00, 01,10 және 11 түсетіндігіне байланысты.

Кестенің сол жақ астыңғы бұрышында 4 операция үшін қосу сигналдарын туғызатын екі разрядты декодер орналасқан. Кестенің сол жак үстіңгі бұрышында А ЖӘНЕ В, А НЕМЕСЕ В және В-ны есептеп шығару үшін арналған логикалық құрылғы орналасқан. Ең болмағанда осы нәтижелердің біреуі НЕМЕСЕ вентилінен етеді. Оң жақ астынғы бүрышта А және В қосындысын есептеуге және көшіруді іске асыру үшін қолданылатын толық сумматор орналасқан.


Сурет 1. Бірразрядты АЛҚ
Қазіргі кезде ЭЕМ-дерінде ақпаратты қабылдайтын, өңдейтін мыңдаған логикалық элементтер (электрондық схемалар) бар. Оларға информация электр сигналдары түрінде беріледі де, схемаларда жоғарғы деңгейлі кернеу (U) I-ге, төменгі деңгейлі кернеу 0-ге теңестіріледі. Логикалық элементтердің ең қарапайым түрлері: ЕМЕС, ЖӘНЕ, НЕМЕСЕ. Осы элементтердің әрқайсысының белгілері бар. I - ші логикалық элемент-ЕМЕС (не,not). ЕМЕС элементінің белгілері: ЕМЕС қарсы мән беретін элемент, оның бір кірісі және бір шығысы бар. Егер кіріске сигнал берілсе, онда шығыста сигнал мүлдем болмайды. Ал кірісте сигнал жоқ болса, онда шығысқа сигнал түседі.


ЕМЕС элементінің логикалық жұмысы - кіріспе Х сигналының мәніне қарсы мән беретін Y сигналды өндіреді. Әдетте схемаларда ЕМЕС элементінде бір кіріс, бір шығысы бар.


II - ші логикалық функция - ЖӘНЕ (и, and). ЖӘНЕ конъюкцияны беретін элемент: онда екі немесе бірнеше кірістер және бір шығысы бар. Егер кірістерге сигнал берілсе, онда шығысқа да сигнал түседі. ЖӘНЕ элементінің көмегімен бірігетін А және В пікірлері логикалық көбейту немесе осы пікірлердің конъюкциясы деп аталады. Сонымен А және В пікірлерінің шындық мағынасы келесі шындық кестемен анықталады. ЖӘНЕ элементінің белгілері:


III-ші логикалық элемент - НЕМЕСЕ (или,OR). НЕМЕСЕ элементі дизъюкцияны береді:онда екі немесе одан да көп кірістер және бір шығысы бар.Егер кіріске бір сигнал берілсе, онда шығысқа сигнал түседі. НЕМЕСЕ элементімен біріккен екі пікір логикалық бөлу немесе дизъюкция деп аталады. А және В пікірінің дизъюкциясы мынадай жаңа пікірімен көрсетіледі: А v В. Сонымен А v В дизъюнкцияның шындық мағынасы А және В шындық мағынасынан тәуелді келесі шындық кестемен анықталады.

Дәріс №3.Өзін-өзі тексеру сұрақтары

1. 
   Логикалық құрылғы деген не?
   
2. 
   Аргументі n=3, n=6 болатынлогикалық құрылғы үшін о және 1 типті бинарлық комбинацияны қалай алуға болады?
   
3. 
   79 санын екілік санау жүйесіне көшіру мысалын келтір.
   
4. 
   НЕМЕСЕ логикалық опрециясының қабылеттілігін көрсет.
   
5. 
   ЖӘНЕ- ЕМЕС логикалық операцияларының қасиеттері.
   
6. 
   НЕМЕСЕ- ЕМЕС логикалық операцияларының қасиеттері.
   
7. 
   ЖӘНЕ логикалық операцияның қасиеттері.
   
8. 
   ЕМЕС логикалық операцияның қасиеттері.
   
9. 
   Ондық санау жүйесінен екілік санау жүйесіне көшу ережесін / бөлу арқылы/ айтып беріңіз.
   
10. 
    Ақпараттың өлшем бірлігінің («бит», «байт») сандық бағалауын айтып бер?