Орталық процессордың құрылымы мен ұйымдастырылуы

Жоспар:

Кіріспе

1. Орталық процессордың құрылымы мен ұйымдастырылуы
1. ЭЕМ-нің даму тарихы, ЭЕМ-нің буындары
2. Орталық процессор
3. Процессордың негізгі сипаттамалы
2. Адрестеу әдістері
1. Жиі кездесетін адрестеу әдістері
2. Сирек кездесетін адрестеу әдістері
3. Ассамблер және макро ассамблер тілдері

Қорытынды

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Орталық процессордың құрылымы мен ұйымдастырылуы

 

1.1 ЭЕМ-нің даму тарихы. ЭЕМ-нің буындары.

Төрт арифметикалық амалдарлы автоматты түрде орындайтын бірінші машина XVII ғасырда пайда болды. 1623 жылы сандарды қосып не азайтып қана қоймай, оларды кейде көбейтіп және бөле алатындай машинаны өнертапқыш Вильгельм Шиккард жасап шығарды.

1642 жылы француздың  философы және ғалымы Блез  паскаль кеңсенің есептерін механикалық  тұрғыдан есептеуге арналған арифмометр жасады.

1674 жылы немістің  философы және математигі Готфрид  Лейбниц Паскаль машинасының  мүмкіндігін кеңейтті. Ол жасаған "Лейбництің тісті дөңгелегі" деп аталатын машинасы екілік санау жүйесінде көбейту, бөлу және түбір табу амалдарын орындайтын еді.

XIX ғасырда ағылшын  математигі Ч.Бэббидж "Аналитикалық  машина" деп аталатын программаланатын  автоматты есептеу құрылғысының  нұсқасын жасады. Программалар кодталып перфокарталарға түсірілді. Бұл әдісті Бэббидж тоқыма станоктарындағы амалдарды бақылауға алғаш пайдаланған француз өнертапқышы Ж.Жаккардтан алды.

Бэббидждің ойынша бұл командалар жұбын және мәліметтерден тұратын топтарын бірте-бірте енгізгенде автоматты түрде әр түрлі есептеулер орындауы тиіс еді. Картадағы тесіктердің орналасу тәртібін және карталардың келу ретін өзгертіп, есептеу ретін өзгертуге болатын еді (басқаруды шартты түрде беру идеясы!).

Жобаның меценаты (қамқоршысы) – белгілі ақын Джорж Байронның қызы графиня Ада Лавлейс (Ada Lovelace) осы "аналитикалық машинаның" программисті болды. Ондық жүйенің орнына екілік жүйені қолдану қажеттілігіне Бэббидждің көзін жеткізген сол Ада Лавлейс болды. Ол осы күнге дейін көкейтесті болып келетін программалаудың негізгі принциптерін жасады. Оның құрметіне 1979 жылы жасап шығарған алгоритмдік тіл  Ada – деп аталды.

ХІХ ғасырдың екінші жартысында Герман Холлерит перфокарталарды сұрыптауға және санауға арналған бірінші электромеханикалық машинаны жасап шығарды. Табулятор деп аталатын бұл машина реледен, санағыштан және сұрыптаушы жәшіктен тұрды. Бұл машина 1890 жылы Америкада тұрғындардың санағын өңдеуге қолданылды. Холлерит 1896 жылы әйгілі IBM фирмасының негізі болатын фирманы ашты.

Екінші дүниежүзілік соғыс есептеу құрылғыларын және оларды өндіру технологиясын жетілдіруге дем берді. 1944 жылы Говард Айкен IBM-нің бір топ зерттеушілері релелік логикалық элементтерге негізделген электрлік есептеуіш машинасын жасады.

1943 жылдан 1946 жылға  дейін Пенсильвания қаласындағы (АҚШ) университетте ENIAK деп аталатын  түгелімен бірінші электронды – цифрлық ЭЕМ құрастырылды. Машина 30 тонна тартты, 200 кв.м. жерді алып жатты, 18 мың лампадан тұрды. Оның жұмыс істеуінде ондық жүйе қолданылды. Программадағы командалар қолмен енгізілді; программаны енгізгеннен кейін орындалу тәртібі тек бүкіл программа орындалып болғаннан кейін ғана өзгертуге болатын еді. Әрбір жаңа программа ажыратқыштарды және алынып-салынатын коммуникацияларды орнату арқылы жүзеге асатын жаңа сигналдар комбинациясын қажет етті. Нәтижесінде ең қарапайым программаны құрып, орындау үшін өте көп уақыт қажет болды.

ENIAK машинасында  программалаудағы қиындықтар осы  жобаның бұрынғы консультанты  Джон фон Нейманның (1903-1957) ЭЕМ  архитектурасын жасаудың жаңа  принциптерін жасауына түрткі  болды. Ол программаны, басқару командаларының тізбегін ЭЕМ-нің жадысында сақтауды ұсынды. Өз баяндамасында фон Нейман компьютердің бес базалық элементін атап көрсетті: арифметикалы-логикалық құрылғы (АЛҚ), басқару құрылғысы (БҚ), есте сақтау құрылғысы (ЕСҚ), ақпаратты енгізу және шығару құрылғылары. ЭЕМ-нің осы құрлысын фон Нейман архитектурасы деп атау келісілген.

Бұл принциптер жаңа EDVAC ЭЕМ-де жасалды. Мұнда екілік арифметика қолданылды, негізгі жады 102444 - разрядты сөзді сақтай алатын болды. Бұл ЭЕМ 1951 жылы пайдалануға берілді.

ЭЕМ-нің буындары түсінігі есептеуіш машиналарының даму тарихымен тығыз байланысты, яғни қолданылатын элементтік базасы бойынша анықталады.

ЭЕМ-нің бірінші буынында элементтік база ретінде электрондық лампа мен реле қолданылды.

1948 жылы транзисторлар  мен магниттік жүрекшелерге сақтау құрылғыларының ойлап табылуы есептеуіш техникасына үлкен әсерін тигізді. Катодты қыздыру үшін үлкен қуатты қажет ететін және сенімсіздеу болып келетін вакуумдық лампалар кішкене кремнилік транзистормен алмастырылды. Олар екінші буын машиналарының элементтік базасы ретінде қолданылды.

Компьютерлердің миниатюрасын және сенімділігін көтерудің революциялық кезеңі 1958 жылы болды. Американдық инженер Д.Килби бірінші интегралдық схеманы ойлап тапты. 60-шы жылдардың ортасынан бастап элементтік базасы интеграциясы кіші және орта дәрежедегі интегралдық схемалар болатын үшінші буын машиналары шыға бастады. 

Тағы бір технологиялық революция микропроцессорларды жасауға алып келді. 1971 жылы американдық инженер М.Хофф бір кремнилік кристаллда –микропроцессорда компьютердің негізгі элементтерін біріктірді.

ЭЕМ-нің төртінші буынында интеграция дәрежесі жоғарғы интегралдық схемалар – үлкен интегралдық схемалар (ҮИС) құрыла бастады. Үлкен интегралдық схеманың кристалында он мыңға дейін элементтер қамтылады. Қазіргі кездегі кең қолдау тапқан дербес компьютерлер төртінші буынға жатады.

Қазіргі уақытта ЭЕМ-нің бесінші буынын дайындау мәселесі қаралуда. Оның ерекшелігі дыбысты енгізіп және шығаруға қатысты өз бетінше оқып үйрену қабілеті болмақ.

 

Аппараттық жабдықтар

 

Кез келген дербес компьютер болсын немесе үлкен ЭЕМ болсын аппараттық жабдықтардың үйлесімінен және бір-біріне ұқсас принципте жұмыс істейтін мынадай құрамнан тұрады:

1.Орталық процессор;

2.Енгізу құрылғысы;

3.Есте сақтау  құрылғысы;

4.Шығару құрылғысы.

Орталық процессор барлық, есептеу және информация өңдеу істерін орындайды. Бір интегралдық схемадан тұратын процессор микропроцессор деп аталады. Күрделі машиналарда процессор бір-бірімен өзара байланысты бірнеше интегралдық схемалар жиынынан тұрады.

Енгізу құрылғысы информацияны компьютерге енгізу қызметін атқарады.

Есте сақтау құрылғысы программаларды, мәліметтерді және жұмыс нәтижелерін компьютер жадына сақтауға арналған.

Шығару құрылғысы компьютердің жұмыс нәтижесін адамдарға жеткізу үшін қолданылады.

 

 

 

1.2 Орталық процессор

 

Орталық процессор – ол компьютердің негізгі орталық құрылғысы болып, оның мәліметтерді өңдеу процесін және сол процесті басқаруды ұйымдастыратын құрылғысы. 4-ші ұрпақ компьютерлерінде орталық процессор функциясын бірнеше миллион элементтерден, күрделі микроэлектронды технологиямен конструктивті жартылайөткізгішті кристалда жасалған микропроцессорлар атқарады.

 

Орталық процесстің құрамына төмендегілер кіреді:

 

• Басқару құрылғысы (БҚ);

• Арифметикалық-логикалық құрырылғы (АЛҚ);

• Есте сақтау құрылғысы (ЕҚ) процессорды кеш-жады және процессордың жад регистрлерінің негізінде;

• Тактілік жиілік генераторы (ТЖГ)

 

 

Басқару құрылғысы бағдарламалардың орындалуымен ЭЕМ барлық құрылғыларының өзара әрекет етуін координатталуын ұйымдастырады.

 

Арифметикалық-логикалық құрылғылар – мәліметтердің үстінен орындалатын арифметикалық және логикалық амалдарды орындайды. (қосу, алу, көбейту, бөлу, салыстыру т.с.с)

 

Есте сақтау құрылғылары – ол процессордың ішкі жады. Ал регистрлер аралық жүйрік жад болып, процессор оны есептеулер жасауға және аралық нәтижелерді сақтауға қолданады.   

 

Тактілік жиілік генераторы компьютердің барлық тораптарындағы жумысты синхронизациялайтын электрлік импульстарды генерациялайды.

Орталық процессор ТЖГ ырғағында жумыс істейді.

 

 

 

1. 3 Процессордың негізгі сипаттамасы.

 

Процессордың негізгі сипаттамаларына мыналар жатады:

• Жылдамдық (есептеу куаты) – процессордың бір секундта орындайтын орташа процестер саны

• Тактілік жиілік (МГц-те). Такт – бұл, бастапқы ТЖГ нан берілген ағымдағы импульспен келесінің арасындағы аралық уақыт болып саналады. Процессорлерге тән тактілік жиіліктер: 40 МГц, 66МГц, 100 МГц, 130 МГц, 166 МГц, 200 МГц, 333 МГц, 400 МГц, 600 МГц, 800 МГц, 1000 МГц т.с.с. 3ГГц-ке дейін. Тактілік жиілік процессор жасалған технологияның өнеркәсіптік деңгейін көрсетеді. Ол және компьютердіде сипаттайды. Сол себептіде микропроцессордың моделінің атына қарап біз компьютердің кай ұрпаққа жатыны жайлы толық сипат бере аламыз. Сол себепті де, компьтерлерге оның құрамындағы микропроцессорлардың аты беріледі. Төменде Intel фирамасынан жаппай сатылымға шыққан процессорлар және олардың өндірілген уақытын көрсетеміз: 8080 (1974 ж.), 80286 (1982 ж.), 80386 DX (1985ж.), 80486 DX (1989ж.), 80586 немесе Pentium (1993ж.), Pentium Pro (1995ж.), Pentium ІІ (1997ж.), Pentium ІІІ (1999ж.), Pentium IV (2001ж.). Жоғарыда көрсетілгендей процессорлардың дамуының негізгі тенденцияларының бірі болып жиілігінің өсуі болып табылады. Компьтерлер нарығында өндірушілер арасында 2 ірі фирма озық ораын алады. Олар: Intel  және AMD.    

• Поцессордың разрядтылығы – бұл процессормен бір уақытта өнделетін және берілетін мүмкін бит сандардың көлемі. Процессордың разрядтылығы регистрлердің разрядтылығымен анықталады. Регистрлерде өңделіп жатқан мәліметтер орналасады. Мысал үшін, егер регистр разрядтылығы 2 байт болса, онда процессордың разрядтылығы 16 тең болады (2*8); егер 4 байт болса, онда 32; егер 8 байт болса онда 64 тең болады.

  

ЭЕМ архитектурасы мен процессор архитектурасы түсінігі

 

ЭЕМ архитектурасы – бұл көп деңгейлі аппараттық және бағдарламалық құралдар иерархиясы. Деңгейлердің әрқайсысы құрылым мен қолдануға вариация жасауға мүмкіндік береді.Деңгейлердің нақтылы жүзеге асырылуы ЭЕМ –ның құрылымдық құрастырылу ерекшеліктерін анықтайды.

ЭЕМ архитектурасы мен құрылымдық құрастырылуын детализациялаумен әртүрлі  санаттардағы мамандандар айналысады. Инженер-схематехниктер жеке техникалық құрылымдардың жобасын жасап олардын бір-бірімен үйлесуінің тәсілдерін құрастырады. Жүйелік бағдарламашылар техникалық құрылымдарды бақару, мәліміттердің деңгейлер арасында өзара әрекетесуін және есептеуді ұйымдастыру бағдарламаларын жасайды. Бағдарламашылар пайдаланушылармен ЭЕМ арасындағы өзара әрекеттесуін қамтамасыз ететін жоғары деңгейлі бағдарлама мен есептеулер жүргізу үшін қажетті сервиспен қамтамасыз етеді.

ЭЕМ-нің маңызды мінездемесі - оның жылдамдығы мен өнімділігі болып есептелінеді. Мінездемелер бір-бірімен өте тығыз байланысты болсада оларды шатастыру дурыс емес болатын еді. Жылдамдық ЭЕМ-нің техникалық параметрлерің көрсетсе, өнімділік бағдарламаның орындалуының бақыланатын жылдамдығын көрсетеді. Бұл ретте негізінен жылдамдық процессор мен оперативті жадтың қандай элементтік базада құралғанын көрсетсе, өнімділік процессордың құрылымдық және ұймдастырушылық шешімдер жиынтығын көрсетеді.

Процессордың архитетурасы – процессордың негізгі жұмыс істеу принциптерін анықтайтын құрылымдық, ұйымдастырушылық және техникалық шешімдердің, ғылыми идеялардың жиынтығы. Практикалық қолданыстағы оның байқалатын мінездемелері.

Архитектуралық шешімдерден басқа ЭЕМ-на және процессорлардың мінездемесіне қабылданған схемалық шешімдер, таңдап алынған немесе құрастырылған микробағдарламалық немесе машиналық командаларды орындайтын схемалық жүзеге асырылған алгоритмдерден және процессордың элементтік базасы әсер етеді.

 

Процессордың элементтік базасы(физикалық негізі)

ЭЕМ бірінші ұрпағынан бастап қазіргі күнге дейін барлық процессорлар есептеудің екілік жүйесін негізінде өндіріледі. Ол деген кез келген процессорды жузегне асыру үшін екі күйді тұрақты сақтап тұратын кез келген физикалық құрылғы қажет болады. 

      Қазіргі  заман элементтік базасы болып, дифузиялық технология негізінде  өндірілген кремний астарлы қатты  денелі планарлық транзистор  болып табылады. Технологиялық процесс градиент температуруларын қатаң шектеулермен сақтай отырып (800 ) кристалды кремний төсемесі құрылымына қоспалардың диффузясы (транзистордың аймақтары бойынша) кезеңді жузеге асырылады. Оңтайлы нәтижелі сипаттамаға жету үшін градиент  0,1 /саг тең болуы тиіс.

   Алайда, технологиямен енгізілетін, қатты денелі құрылымдағы физикалық процестерде, солайда «Шу»ларда p-n-p транзисторларында келесідей кемшіліктерді туғызады: p-n ауысымында паразитті орындар және бағытталған токтар.

Оның үстіне кремнийдің электрондар қозғалысының төмен болуына байланысты транзистордың өте кішкентай болған жағдайындада сигналдын шығу кезиндегі уақытын азайтуға мүмкіншілік болмайды.

p-n-p планарлы  транзисторының кесілген құрылымы  төмендегі суретте көрсетілген.  

 

 

1-сурет

Процессордың жылдамдығы жағынан көзқарастан  элеметтік базаның келесі негізгі сипаттамасын бөліп көрсетуге болады:

а) Вентильдегі фронттың уақыты (время фронта на вентиле). «0» және «1» логикалық шарттары кернеудің екі мәнінде көрсетіледі. Элементті бір күйден екінші күйге ауыстырған кезде кернеу қарғымалы түрде өзгермейді. Ол уақыт бойынша өседі. Шамамен төмендегі суреттегідей.