Дәрістер тезистері

Дәрістер тезистері

1-Дәріс. Микропроцессорларға кіріспе. Программалау аспаптарының дамуы. Микропроцессорлар эпохасы.

Микропроцессорларға кіріспе

Машиналық командаларды орындайтын және басқа да құрылғылардың  қызметін координациялайтын процессорлық құрылғыларды, әдетте командалар жүйесінің процессоры  (Instruction Set Processor, ISP) немесе жәй процессор деп атайды. Біз процессордың ішкі құрылымын талдаймыз және ол таңдауды, дешифрацияны орындауды және программа командаларын өңдеуді қалай орындайтындығына тоқталамыз. Компьютердің процессорлық құрылғысын әдетте орталық процессор деп атайды (Central Processing Unit, CPU). «Орталық» термині бұрын қолданылған компбютерлерге байланысты айтылған, өйткені ол кездегі компьютерлерде бір ғана команда процессоры қолданылған, ал қазіргі компьютерлік жүйелерде бірнеше процессорлар қолданылады, демек ол термин ескірген деп айтуымызға да болады.

Процессорлардың ішкі ұйымдастырылуы үнемі дамып отырады, ол технологиялардың дамуына және оның нарықтағы орнына байланысты. Жоғары сапалы процессорларды құрудың жалпы стратегиясы неғұрлық көп түрлі функциональдық құрылғылардың  паралельді жұмыс істеуін қамтамасыздандыру болып табылады. Жекелегенде, мұндай процессорлар конвейерлік түрде ұйымдастырылады, яғыни келесі орындалатын команда алдыңғы команданың жұмысы аяқталмайақ басталатындығын көрсетеді. Басқаша айтатын болсақ, суперскалярлы функционалданады, демек жадыда бір уақытта бірнеше командалар таңдалады және бірге орындалады.

Қарапайым компьютерлік есептер бірнеше қадаммен орындалады, ол программаның машиналық командаларының тізбегімен анықталады. Әрбір команда процессормен элементар машиналық операцияларға бөлінеді. Келесі лекцияларда біз, ассемблер тілінің деңгейінде программалаудың базалық концепциялары қалай таратылатындығын және машиналық командалар мен адресация режимдері не үшін қолданылатындығын қарастырамыз. 3 тақырыпта көрсетілген концепциялар үш процессор командаларының жүйесінің архитектурасында мысалмен қаралған — ARM, Motorola 68000 және Intel IA-32. Берілген этапта біз осы жүйелерді қарастырамыз, бірақ енді әртүрлі процессорлар негізіндегі функцияларды қараймыз. ARM түріндегі процессорлардың архитектурасы RISC түрінде, ал Motorola және Intel түріндегі процессорлар — CISC архитектурасы түрінде болады. Сонымен қатар бұл тақырыпта PowerPC архитектурасы да сипатталған, ол Intel IA-32, Sun SPARC, Compaq Alpha және Intel IA-64 таласа алатын RISC типіне жатады. Төменде қаралған 64-разрядты процессорлар бірінші кезекте жоғарғы өнімді жұмыс станцияларында немесе серверлерді қолдану үшін керек. Сонымен, біз процессор командалар жүйесін ұйымдастырудың ерекше әдісімен танысамыз, ондағы операндтарды сақтау үшін стектік деректер құрылымын қолдану қарастырылады. Мұндай әдістер Hewlett-Packard HP3000 процессорларында қолданылады және тарихи түрде қызықты, ал практика жүзінде керек емес.

Тарихи шолу

Қазіргі деңгей үшін есептеу техникасының даму этаптарына шолу жасап көрейік, олар негізінен Intel 80x86'/Pentium микропроцессорлар тобында берілген.

1989 жылы Intel корпорациясы iS0486 микропроцессорларын шығарды, онда бір микросхемаға i80386 процессоры, J80387 арифметикалық сопроцессор және 8 Кбайт өлшемдегі ішкі кэш-жады бірге қосылып жасалды. Орталық процессор (Central Processor Unit — CPU) құрылымына өзгертулер енгізілді, олар көптеген жартысынан көбіне инструкцияларды екі тактіде емес, бір ғана тактімен орындауына мүмкіндіктер берді. Нәтижесінде 50 МГц тактілік жиілік уақытында инструкцияларды орындау 25 не құрды. i80386 процессорымен салыстырғанда 180486 процессорларының өнімділігі артты, оларда осы такттілік жиілікпен жұмыс жасады, яғни 50% артық. Одан кейін бұл 180486 микропроцессорының екі еселенген тактілік жиілігінің варианттары — i80486DX2 шығарылды. Мұндағы базалық тактілік жиілік (33 МГц) жедел жадыға қатынаған кезде қолданылады, ал екі еселенген (66 МГц) жиілік инструкцияның ішінен орындалды. i80486DX4 микропроцессорында жиілік үш еселенді: яғни жадыға қатынауға арналған базалық жиілік бұрынғысынша 33 МГц –тен тұрды, ал бірақ 100 МГц жиіліктегі инструкцияны орындай алды. (i80486DX4 микропроцессорының өнімділігі шамамен Pentium микропроцессорының өнімділігіне жақын, ол да 60 МГц жиілікте жұмыс жасай алады.) Сондай – ақ, 180486DX4 микропроцессорында кэш – жадының өлшемі де артты — оның өлшемі 16 Кбайт – қа жеткізілді. Сәйкесінше деректер шинасының тактілік жиілігі 40 МГц-ке жеткізілді және оның ішкі тактілік жиілігі 120 МГц жеткізілген құрылғы Advanced Micro Devices (AMD) фирмасымен ойлап табылды.

Сонымен қатар  Intel фирмасымен басқа да i80486 процессорларының түрлері ойлап табылды, олар Overdrive-процессорлар атымен шығарылды. Overdrive процессоры — бұл екі еселенген тактіліг жиілігі бар J80486DX процессорлар, олар i80486SX процессорларын ауыстыру үшін немесе i80486DX процессорларының варианты ретінде, материндік плата жиілігінде жұмыс жасай алатын түрі ретінде шығарылды. Мысалы, 25 МГц тактілік жиілігінде жұмыс жасайтын i80486SX процессорларын Overdrive-процессорларға ауыстырған кезде, деректер шинасының жиілігі бұрынғысынша қалады, ал ішкі инструкция 50 МГц жиілігінде орындалады.

Pentium микропроцессоры

Pentium микропроцессоры, 1993 жылы шығарылды, ол JS0386/S04S6 процессорларына  ұқсас. Бірінші кездегі таратылған Pentium процессорлары  60 және 66 МГц  тактілік жиілік бойынша жұмыс  жасады, оның өнімділігі 110 млн оп./сек-ты  құрады. Сонымен қатар біржарымдық (100 МГц, 150 млн оп./сек) және екі еселенген (120 и 133 МГц) жиілікте жұмыс жасайтындары да кездесті. Соның ішінде ең тез Pentium варианты, Intel фирмасымен шығарылды, ол 233 МГц жиілігінде жұмыс жасай алды. Pentium процессорларының iS0486 процессорларының версияларынан айырмашылығы оның жалпы  кэш-жадысы 16 Кбайт құрады, ондағы деректер кэші (8 Кбайт), ал  инструкция кэші  (8 Кбайт) бөлек құрастырылды. Pentium адрестік аймақ 4 Гбайт тұрады. Деректер шинасының жиілігі i80486 процессорларымен салыстырғанда екі есеге өсті (33 МГц –тің орнына 60/66 МГц болды), ал оның өлшемі 64 битке дейін өсті. Деректер шинасының өлшемін кеңейту екі еселенген нақты сандармен жұмыс істеу кезінде бірқатар жетістіетерге жетуге мүмкіндік береді, ол арқылы, мысалы, векторлық графиканы қолданатын қосымшаларды қарастыруға болады. Кейінірек Pentium командалар жүйесі ММХ (MultiMedia eXtentiou) инструкциялар тобымен кеңейтілді, олар мультимедиялық қосымшаларға бағытталған; шынында, ойлағандай, ММХ-командалар практика жүзінде көп қолданысқа түсті.

Негізгі әдебиеттер: [1] – 31- 800 б, [2] – 15-600 б.

Қосымша әдебиеттер: [10] – 421б.

Бақылау сұрақтары:

1. ActiveX  элементін қайда регистрациялау  қажет?

2. Қандай қосымшаларда ActiveX  элементін  қолдануға болады?

3. Тесілеу қалай орындалады?

4. Қандай қасиеттер стандарттыға  жатады?

5. Пайдаланушы қасиеттерінің беттері  қалай шақырылады?

2-Дәріс. Микроконтроллер, микропроцессор және процессор сигнальдары дегеніміз не.

Қойылған талап, ол білгілі бір жылдамдығы тез құрылғыны тізбектей есептерді шешуге мәжбүр ету, және ол өз құрылымын уақытпен өзгертіп отыруы керек. Бұл әрине микропроцессорлар. Микропроцессорларда таратылатын құрылғының қиындығына байланысты берілген, шектен шықпай жылдамдықты ауыстыруға болады. Міне осы мүмкіншіліктердің арқасында микропроцессорлардың жылдамдығын максимальды өсіруге тырысады – бұл қиын құрылғыларды бір ғана көлемде таратуға мүмкіндік береді. Сонымен қатар! Бір ғана процессорда бір уақытта бірнеше құрылғыны да таратуға болады! Міне осы есепті шешу проблемасы осы курста оқытылады.

Қазіргі заманда микропроцессорларды  қолданбайтын техника аймағын табу қиын. Олар есепетеулер жүргізу үшін де, басқару функцияларын жүргізеді, және де дыбыстар мен бейнелерді қолданған кезде де пайдаланылады. Қолдану аймағына қарай микропроцесоарларға деген талаптар да өзгере береді. Бұл микропроцессордың ішкі құрылымына байланысты. Қазіргі уақыта микропроцессорлардың дамуының анықталған үш тарамаған айтып кетуге болады:

• әмбебап микропроцессорлар
• микроконтроллерлер
• сигнальды микропроцессорлар

Әмбебап микропроцессорлар есептеу машинларын жасау үшін қоданылады. Оларда жылдамдығын өсіру үшін  алдыңғы қатарлы есептеулер қолданылады, ол пайдаланылатын энергия бағасына да және оның өлшемінің үлкендігіне де қарамайды. Байланыс техникасында компьютерлер өлшемі мен бағасы үлкен жүйе байланыстарын немесе құрылға байланыстарын басқару үшін  қолданылады. Мұндай компьютерлер контроллерлер деп аталады.

Өлшемі үлкен емес және байланыс құрылғыларының бағасы арзандарын пайдалану үшін біркристальды микроЭЕМ – дер қолданылады, оларды қазіргі кезде микроконтроллерлер деп атайды. Микроконтроллерлерде керісінше, максимальды көңіл негізінен оның өлшеміне, бағасына және қолданатын энергиясына бөлінеді.

Ендігі микропроцессорлар  классы бұрын аналогты схематехника шешкен есептерді шешеді. Бұл сигнальды микропроцессорлар. Сигнальды процессорларға спецификалық талаптар қойылады. Олардан максимальды жылдамдық, кіші өлшемдер, аналогты – сандық және сандық – аналогтық өзгертіштердең жеңіл байланысы, өңделетін деректердің үлкен разрядтылығы және міндетті түрде  аппараттық циклдарды ұйымдастыру мен көбейту – жинау операцияларынан тұратын кішірек математикалық операциялар жиыны талап етіледі.

Микроконтроллерлер. Пайдалану аймағы.

Контроллер термині  ағылшынның control – басқару сөзінен  шыққан. Бұл құрылғылар әртүрлі жұмыс  принциптарына негізделіп механикалық  немесе оптикалық құрылғылардан  бастап электронды аналогтық немесе цифрлық құрылғыларға дейін пайдаланылуы мүмкін. Механикалық басқару құрылғыларының электронды басқару блоктарымен салыстырғанда  сенімділігі аз және бағасы жоғары, сондықтан бұл құрылғыларды біз келешекте қарамаймыз. Электронды аналогтық құрылғылар эксплуатациялау процессі кезінде әр уақыт келтіріп (регилировкалап) отыруды талап етеді, ол олардың  эксплуатация бағасын жоғарылатады. Сондықтан ондай құрылғылар қазіргі кезде мүлдем қолданылмайды. Қазіргі кезде көп кездесетін кеңінен тараған басқару схемаларының бірі ол, сандық микросхема негізінде құрылғандар.

Контроллерлерге қойылатын  талаптар негізінен басқаруды керек  ететін құрылғының  өлшемі мен құрылғының бағасына байланысты болады. Егер басқарылу  керек объект бірнеше ондаған метр площадын алып жатса, мысалы, автоматты телефон станциялары, базалық ұяшықты жүйелер станциясы немесе радиорелейлі байланыс сызықтары, онда контроллерлер орнына әмбебап компьютерлерді қолдануға болады. Ол кездегі басқарулар онда енгізілген компьютер порттары (LPT, COM, USB немесе ETHERNET) арқылы жүзеге асырылады. Мұндай компьютерлерге питание қосылған кезде автоматты түрде басқарушы программалар енгізіледі, ол программалар әмбебап компьютерді контроллерге айналдырады.

Контроллерлер тек үлкен  жүйелер үшін ғана емес сонымен қатар өлшемі кіші құрылғылардада керек болады, мысалы радиоқабылдағыштар, радиостанциялар, магнитофондар немесе ұяшықты аппараттарда. Мұндай құрылғыларда контроллерлерге бағасы, өлшемі және жұмыстың температуралық диапазонына байланысты қатты талаптар қойылады. Бұл талаптарды өндірістік әмбебап компьютерлердің варианттары да қанағаттандыра алмайды. Сондықтан контроллерлерді өңдеуді біркристальды ЭЕМ түрінде қолдану қажет болады, олар өз кезегінде жаңы микроконтроллерлер деген атқа ие болды.

Негізгі әдебиеттер: [1] – 31- 800 б, [2] – 15-600 б.

Бақылау сұрақтары:

1. ActiveX элементін қайда регистрациялау қажет?

2. Қандай қосымшаларда ActiveX элементін қолдануға болады?

3. Тесілеу қалай орындалады?

4. Қандай қасиеттер стандарттыға жатады?

5. Пайдаланушы қасиеттерінің беттері қалай шақырылады?

3-Дәріс. Микропроцессор және оның архитектурасы

Микропроцессордың ішкі архитектурасы. Нақты режимдегі жады адресациясы. Қорғалған режимге кіріспе. Жадыны беттік ұйымдастыру.

Микропроцессордың ішкі архитектурасы.

Микропроцессордың архитектурасымен танысу үшін — алдын – ала жүйе командаларын үйрену және бірінші программаларды өңдей алу керек. Бұл бөлімде қаралатын заттар — 8086—Pentium 4 микропроцессорларының ішкі архитектурасының программлы-қолдану бөлімі және оның регистрларының қызметі.

Микропроцессордың программалық моделі, оны программалы – қолдануға болатын ішкі архитектуралық  бөлігі. Оған негзінен, жекешелегенде, программлы – қолдануға болатын регистрлер, яғни команда операнды болып көрсетілетіндері жатады. Басқа регистрлер, тек жанама қолданылатындары, программалы – қолдануға болмайтындар қатарына жатады. Бұл регистрлер толық келесі бөлімдерде кетірілген. 80286 микропроцессордларынан бастап, программалы – қолдануға болмайтын регистрлер жадыны басқару үшін қорғалған режимде ғана қолданылады.

8086—Pentium 4 микропроцессорларының программалық  моделі 2.1 суретте көрсетілген. Intel микропроцессорының  бұрынғы версияларында (8086, 8088 және 80286) 16-биттік архитектурасы бар  регистрлер тобы пайдаланылған, олар 2.1 суретте келтірілген. Ал 80386-1 Pentium 4  процессорларында 32-биттік архитектура пайдаланылады. Бұл архитектура (16- және 32-биттік) бір – біріне сәйкес. Төменнен жоғары қарай 2.1. суреттің көленкеленген аймақтары осы архитектураның элементтерін бейнелейді, ол қасиеттер SO386—Pentium 4 микропроцессорларына тән, бірақ  16-биттік - J лік 8086—80286 микропроцессорлары үшін жарамайды.

Программалық моделге 8-, 16- және 32-биттік регистрлер кіреді. Олардың ішінде 8-биттіктерге  АН, AL, ВН, BL, CH, CL, DH және DL жатады — олар осылайша инструкция операндтарының сапасын көрсеткен кезде ассемблер тілінде пайдаланылады. Мысалы —add al,aН командасы, АН регистріндегі 8 – биттік санды AL регистріндегі 8 – биттік санға қосуды орындайды (Бұл кезде AL регистрінің мәні өзгермейді). Ал 16-биттік регистрлерге АХ, ВХ, СХ, DX, SP, BP, DI, SI, IP, FLAGS, CS, DS, ES, SS, FS және GS жатады. Мысалы! Бұл регистрлерді қолданған команда: add dx.cx. Бұл команда 16-биттік СХ және DX регистрлерінде орналасқан деректерді қосуды орындайды, нәтиже DX регистріне орналастырылады (бұл кезде СХ мәні өзгермейді). Кеңейтілген 32-биттік регистрлер — ЕАХ, ЕВХ, ЕСХ, EDX, ESP, EBP, EDI, ESI, EIP және EFLAGS. Кеңейтілген регистрлер, сондай – ақ 16-биттік регистрлердегі FS және GS регистрлері 80386 микропроцессорынан бастап барлығында бірдей қолданылады, Кеңейтілген регистрлер қолданылған мысалды қарайтын болсақ : add ecx,ebx.

Регистрлер арнайы регистрлерге және жалпы міндетті регистрлерге бөлінеді, жалпы міндетті регистрлерге ЕАХ, ЕВХ, ЕСХ, EDX, EBP, EDIfl К ESI регистрлері жатады. Олар әртүрлі өлшемдегі (байт, сөз немесе екілік сөз) деректерді сақтау үшін қолданылады да, олардың қызметі міндетті түрде программа логикасымен анықталады.