Командалар жүйесінің архетектурасы

 

 Компьютерлік жүйелердің құрылымдық ұйымдастырылуы

Қарапайым компьютерлер процессорлар, жады және енгізу-шығару құрылғыларынан құралады. Процессор  мәліметтерді өңдеуге арналады. Енгізу құрылғылары ақпаратты тасушылардан мәліметтерді оқу және оларды жадыға немесе процессорларға тасымалдау үшін арналған. Шығару құрылғылары өңделген мәліметтерді қайтарумен тығыз байланысты болып келеді. Ал жады мәліметтер мен  командалардың сақталуын қамтамасыз етеді.

Қазіргі уақытта  компьютерлік жүйелердің әр түрлі архитектурасы  болады. Бірақ олардың бәрінің  де құрылымында қарастырылған элементтері  болу керек және олар міндетті түрде  компьютерлік жүйелердің функцияларының негізгі қағидаттарын қолданады. Ол қағидаттарға келесілерді жатқызуға  болады: модульдік принципі, магистральдік, микропрограммалық.

Модульдік – модульдер  негізінде компьютерлерді құрастыру  әдісі. Модул дегеніміз стандартты түрде жасалған конструктивті және функционалды түрде аяқталған электронды блок.

Магистральдік дегеніміз  – бұл әр түрлі компьютерлік модульдердің біріктірілуі. Бұл жерде кіріс  және шығыс модуль құрылғылары бір  сыммен қосылады, осылардың жиынтығы шина деп аталады. Компьютерлер магистралі бірнеше шина топтарынан құралады және олар функционалдық белгі бойынша  ажыратылады – шина адресі,мәліметтер шинасы, басқару шинасы.

Микропрограммалау дегеніміз – жүйені программалық басқару принципін жүзеге асыру  тәсілі.

Осы қарастырылған  қағидаттар мен электрондық технология жетітіктері 3.2-суретте көрсетілген  жүйе құрылымына алып келеді.

Дербес компьютерлердің  негізгі аппараты және конструктивті  модулі ретінде аналық немесе жүйелік  тақша қарастырылады.

Компьютерлік жүйе құрылымы келесідей құрылғылармен  толықтырылуы мүмкін: сопроцессор, кэш-жады, ҮИҮ перифериялық жинақ (chipset).

Сопроцессор – орталық  процессормен келісіп жұмыс істейтін және оған қосымша мүмкіндіктер беретін  көмекші процессор. Сопроцессор  программалық түрде жүзеге асыратын ақпаратық функцияларды жүзеге асырады. Сопроцессор негігі процессордың командаларының жүйесін кеңейтеді (графикалық, математикалық  сопроцессорлар).

Кэш-жады – негізгі  жадыдан толтырылатын процессорларға жақын арада керек болады деген  мәліметтерді сақтау үшін арналған тез  әрекет ететін буферлік жады.

Чипсет – бұл  бір функционалдық жиынтығы бар  ҮИҮ. Ал біздің жағдайымызда бұл перифериялық құрылғылармен қамтамасыз етілген  ӨҮИҮ. Осы құрылғылардың кейбіреулері контроллер деп те аталады.

Жүйелік тақшада  орналастырылған жалпыланған құрылғылардың  құрылымын келесідей үрдіден  көруге болады.

 

 
2.1.-сурет

 
  Процессор

Процессор – компьютерді  басқару құрылғысы. Ол жадыда орналасқан программалар арқылы компьютер жұмысын  автоматты түрде басқарады. Компьютердің жылдамдығы – процессордың бір секөнтте орындай алатын қарапайым операция санымен өлшенеді. Компьютерлік жүйелерде  компьютер жұмысының жылдамдығы үшін, оған балама етіп, электрондық  схемалардың жұмыс ритмін ұйымдастыратын электр импульстерінің тактілік жиілігі  алынған. Импульс көзі – түрлі  сигналдар арасындағы үзілістерді  ұйымдастырушы микросхемадан тұратын  импульс генераторы.

 

2.2.-сурет

2.3.-сурет

ОЕСҚ (оперативті есте сақтау құрылғысы). Оның басқаша атауы: RAM – арифметикалық-логикалық операцияларды  орындау алдында және орындау  процесінде деректер мен программалар уақытша сақталатын ішкі жадының  негізгі бөлімі, оны жедел жады деп те атайды. ОЕСҚ-ның көлемі адрестік шинаның разрядтығына байланысты. Атап айтқанда, ол 2 санының адрестік шинаның  разрядынан тұратын дәрежесі арқылы анықталады.

Жоғарғы жадының  құрамында компьютерді жасап  шығарған зауытта DOS-тың бір бөлігі (BIOS) жазылып қойылған бөлім бар. Оны тұрақты есте сақтау құрылғысы (ТЕСҚ) деп атайды. Оның көлемі үлкен  болмайды. Пайдаланушының ТЕСҚ-ға берілгендерді  не өз программасын енгізуі мүмкін емес. Ондағы бейнежады – монитор  адаптері (бейнеадаптер) пайдаланатын жады.

Жалпы процессор  төрт бөлімнен тұрады: арифметикалық-логикалық  құрылғы (АЛҚ), басқару құрылғысы (БҚ), жалпы міндет атқаратын регистрлер және өте жылдам істейтін, аумағы үлкен  емес кэш-жады. АЛҚ берілгендермен арифметикалық-логикалық  амалдарды орындайды; БҚ-ға жалпы  басқару программалары енгізіледі; регистрлерде негізгі жадыдан түсетін  аралық мәндер сақталады; кэш-жады қойма  сияқты, оған аралық деректер мен командалар келіп түседі. Көп мәліметтерді кэш-жадыдан  алу әрекеті процессордың мәліметтерді алуына жеңілдік келтіріп, оның жылдамдығын  арттыруға жәрдемдеседі. Яғни кэш-жады компьютердің жалпы жұмыс өнімділігін  арттыруға арналған. Кэш-жады екі  деңгейлі. Біріншісі процессор ішінде, екіншісі процессордан сырт (тақшада) орналастырылады.

 

 
   Микропроцессорлар

Есптеу техникасының дамуы орталық процессорлардың  жетілдірілуімен бірге жүзеге асады. Процессорлардың жаңа модельдері тек  өнімділіктің өте жоғарылылығымен  ғана емес, сонымен қатар жаңа мүмкіндіктерімен де ерекшеленеді (жаңа регистрлар, архитектурадағы  жаңа компьютерлік жинақтар және жаңа өзгертулер).

 

 
2.4.-сурет

Процессорлардың жаңа модельдерін жасаушылар қайтарымды сыйымдылық принципіне негізделеді, яғни процессорлардың жаңа моделі қолданыста бар архитектура негізінде жасалады. Дербес компьютерлердің орталық  процессорлар нарығында қазіргі  уақытта басты орынды Intel фирмасы  иеленуде. 1993 жылы Pentium процессоры пайда  болды.

 

 
   Командалар жүйесiнiң архитектурасы

Командалар жиынтығының  архитектурасы аппаратура және программалық жабдықтаудың арасында шекара ретінде  болады және ол программистке және командаларды қолданушыға көрінетін  жүйесінің бөлігі.

Компьютерлік өндірісте  қазіргі таңда екі негізгі  архитектуралар қолданып жүр. Олар: CISC және RISC.

Толықтай командалар жиынтығы бар микропроцессорларды  дайындау лидері ретінде х86 сериялы  және Pentium процессорымен Intel компаниясы болып табылады. Бұл архитектура  микрокомпьютерлер нарығында стандарт түрінде қарастыралады.

 

 
  CISC және RISC процессорларының классификациясы 

CISC-процессорлары  үшін мыналар тән: жалпы тағайындалуға  байланысты регистрлер санының  көп болмауы; маиналық командалардың  көп болуы; адресация тәсілдерінің  көп болуы, әр түрлі деңгейдегі  командалар форматының көп мөлшері;  командалық екі адрестік форматының  басым болуы; регистр-жады типіндегі  өңдеу командалары. 

Қазіргі таңдағы  жұмыс станциялары және серверлер  үшін командалардың азайтылған жиынтығының  архитектурасы қолдануда.

RISC-процессорларға  мыналар тән: регистрлік терезелердің  қолданылуы, жай жадының өте жоғары  регистлерден бөлініп шығуы; конвейірлік  өңдеуді тиімді жүзеге асыру;  өңдеу командаларының жадымен  жұмысынан бөлініп тасталуы; кез  келген команданы өз көлеміндегі  машинаның такта орындау. 

Pentium процессоры  өзінің ізашарларына қарағанда,  бірқатар сипаттама бойынша арта  түседі. Оның басты өзгешіліктері:  екі ағынды суперскалярлық құрамы, командалардың параллельді орындалуы,  әр такт кезінде екі операция  арасында таңдауға арналған, командалар  мен деректердің екі каналды  көп ассоциативті кэш жадыларының  бар болуы, өту кездерінің динамикалық  болжауы, екілік жүйенің 80×86 процессорларымен  біркелгілігі.

Ең басынан бұл  процессордың микроархитектурасы суперскалярлық өңдеуінде негізделеді. Негізгі  командаларды екі егеменді құрылғы  бойынша таралады ( U және V конвейерлері). U конвейері x86 процессорының кез  келген командаларын орындап, оның бүтін  санды мен жылжымалы нүктелі  командаларын орындайды. V конвейері  тек қарапайым командаларды орындап, бүтін санды командалар мен кейбір жылжымалы нүктелі командаларды орындайды. Командалар осы екі құрылғыларға бірдей бір мезетте бағытталуы мүмкін, осы бір такт кезінде басқару  құрылғысы күрделі команданы U конвейеріне, қарапайым команданы V конвейеріне  бағыттайды. Бұндай бағыттаулар тек  қарапайым, бүтін санды командалардың  жиыны шектеулі болған кезде ғана орындалады. Бір конвейерде команданың тоқтауы, екінші конвейердегі команданың тоқтауына әкеп соғады.

Pentium процессорына  командалар мен мәліметтердің  бөлек кэш-жадысы қолданылады.  Ол өзінің кезегінде қатынастардың  тәуелсіздігін қамтамасыз етеді.  Кэш-жады екінші реттік бөліну  принципіне негізделіп жасалған; ол бір уақытта кэш-жадының  бір жолында жазылған екі сөзді  оқуға мүмкіндік береді.

Процессорда өтудің динамикалық болжауына бағытталған  механизм қарастырылған. Осы мақсатпен  кристалда кішкентай кш-жады орналастырылған. Ол өткізудің адрестерінің мақсаттық  буфері деп аталады (ВТD), командаларды орындайтын тәуелсіз екі буфері бар (әр конвейерға 32-биттік екі буфер).

 

 
  Дербес компьютер шиналары

Шина дегеніміз  – бұл сым-жолдарының жиынтығы, кей  кезде цифрлік жүйеде бірнеше  компоненттерді біріктіруші өткізгіштер. Бұл сым-жолдары үш типке бөлінеді: адрес, мәліметтер және басқару. Кейбір кезде бір өткізгіш арқылы әр уақытта  адрес және мәліметтер беріледі. Бұндай шинаны – мультиплекстелген деп  атайды. Шинаға қосылған құрылғылар екі  негізгі типке бөлінеді – басқарушыжәне  бағынушы.

Адрестік шина. Бұл  шина арқылы оперативті жады ұяшықтарының адрестері ретінде қарастырылады. Осы шинадан процессор орындалуға тиіс командалар адрестерін оқиды. Қазіргі  заманғы процессорларда адрестік шина 32-рарядты, яғни ол 32 параллельді өткізгіштерден құрылады.

Мәліметтер шинасы. Бұл шина арқылы оперативті жадыдан  регистрлерге және керісіннше мәліметтерді көшіру процесі жүреді. Intel Pentium негізіндегі  процессорларда мәліметтер шинасы 64-разрядты.

Командалық шина. Процессорда орындалатын командалар осы шинамен оперативтік жадыдан  келеді. Командалар байттар түрінде  көрсетіледі. Қарапайым командалар бір байтқа сыйады, бірақ екі немесе оданда көп байтты сыйымдылықты қажет  ететін командалар да болады. Қазіргі  заманғы процессорлардың көп  бөлігінде 32-разрядты командалар шинасы бар, сонымен қатар 64-разрядты командалық шинасы бар процессорлар да кездеседі.

Аналық тақшадағы  шиналар тек процессормен байланыс орнату үшін ғана қолданылмайды. Аналық тақшадағы ішкі құрылғылар және де оған тікелей қосылатын құрылғылар бір-бірімен шналар арқылы байланысады, әрекеттеседі.

 

 
  Аналық тақшалардың негізгі шиналық  интерфейстері 

ISA (Industry Standard Architecture). Жүйелік блоктың барлық құрылғыларын  байланыстыруға рұқсат береді, сонымен  қатар жаңа құрылғыларды стандартты  слоттар арқылы жеңіл қосуға  мүмкіндіктер тудырады. Қазіргі  заманғы компьютерлерде жоғары  өткізгішті керек етпейтін сыртқы  құрылғылар да қолданылады (дыбыстық  карталар, модемдер және т.б.).

2.5.- сурет

PCI (Peripherial Component Interconnect). Pentium процессорының негізінде дербес  компьютерлерге енгізілген сыртқы  құрылғыларды қосудың стандарты.  Бұл сыртқы компоненттерді қосу  үшін арналған бөліктеушілер  мен локальді шина интерфейсі. Осы стандарттың жаңалығы ол plug-and-play механизмі. Оның негізгі PCI шинасының  ажыралынатын қосылысына сыртқы  құрылғы физикалық қосылғаннан  кейін осы құрылғының автоматикалық  конфигурациясы жүзеге асырылады.  FSB (Front Side Bus). Pentium Pro процессорынан  бастап, оперативті жадымен байланыс  орнату үшін арнайы FSB шинасының  жүйелілігі негізгі параметр  болыптабылады, дәл осы параметр  аналық тақшаның спецификасын  көрсетеді.  AGP (Advanced Graphic Port). Бейнеадаптерлерді  қосу үшін арналған арнайы  шиналық интерфейс.  USB (Universal Serial Bus). Бұл компьютерлердің  перифириялық құрылғылармен байланысын  анықтайтын бірінен кейін бірі  орындалатын универсалды шина  стандарты. Ол әр түрлі жүйелі  интерфейсі бар 256 құрылғыға дейін  қосу мүмкіндігі бар, осы құрылғылар бір-бірімен тізбек арқылы қосыла алады. Шиналардың 3 типін атап көрсетуге болады:

• Жоғары жылдамдықты – 480 Мбит/cек.
• Орта жылдамдықты – 12 Мбит/cек.
• Төмен жылдамдықты – 1.5 Мбит/cек.

Осы стандарттың  ерекшеліктері ретінде мыналарды  атап көрсетуге болады:бұл құрылғыларды «ыстық режимде» (яғни, компьютерді  қайта қоспай) қосу және өшіру, сонымен  қатар бірнеше компьютерді арнайы аппараттық және программалық жабдықтаусыз қарапайым желіге біріктіру.

 

 
  Жады 

Кез келген компьютердің ең негізгі құрамдас бөлігі ол –  жады.

Жоғарғы қабат орталық  процессордың ішкі регистрлерінен құралады. Олар процессор жасалған материалдан  жасалады және олар процессор сияқты өте жылдам жұмыс істейді. Ішкі регистрлер 32-разрядтық процессорда 23×23 битті  сақтауға, ал 64-разрядты процессорда 64×64 битті сақтауға мүмкіндік бар. Программалар аппаратураның қатысуынсыз регистрлерді басқаруға алады.

 

Келесі қабатта  құрал-жабдықтармен байланысатын кэш-жады орналасқан. Оперативті жады кэш-жолдарға бөлінген, әдетте ол 64 байт болады, ал адресация  мен нөлдік жолда 0-дан 63-ке дейін, ал бірінші жолда 64-тен 127-ге дейін және т.б. Кэштің көп қолданылатын жолдары  орталық процессорлардың ішінде немесе оған өте жақын орналасқан жоғары жылдамдықты кэш-жадыда сақталады. Программаға жадыдан бір сөзді  оқу керек болатын болса, онда кэш-микроүрді, кэшта осындай жол  бар ма, әлде ондай жол жоқ па екендігін тексереді. Егер осындай  жол болатын болса, онда кэш-жадыға тиімді хабарласу болады, берілген сұранысымыз кэштан түгелімен қанағаттандырылады. Кэшке тиімді хабарласу екі такт уақытты алады, ал тиімді емес хабарласу  кезінде уақыт көп жұмсалады. Кэш-жадының көлемі өте шектеулі, сол себептен оның бағасы өте жоғары болады. Кейбір машиналарда кэштің екі немесе үш деңгейі бар, әдетте олардың кейінгілері алдыңғылардан  баяу және үлкендеу болып келеді.