Компьютер архитектурасының тарихына шолу

 3.2 Компьютер архитектурасының тарихына шолу

«Архитектура» термині есептеу  техникасы туралы көпшілік әдебиеттерде жиі қолданылады, алайда оның анықтамасы мен мазмұны жайлы әр түрлі  авторлар тұжырымдары бір-бірімен  сәйкес келмей жатады. Сондықтан осы  мәселені тиянақты түрде анықтап  алайық.Алдымен осы терминнің  шығу тарихын қарастырған дұрыс. «Архитектура» сөзі өзінің алғашқы  мағынасында қала құрылысында қолданылды. Қазіргі заманғы қала күрделі  құрылым, ол белгілі тәртіппен орналасқан аудандардан, алаңдардан, көшелерден, үйлерден және т.с.с тұрады. Қала тұрғындарын  нақты үйдің көзге қалай көрінетіндігі  оның қандай материалдардан салынғандығы онша қызықтырмайды. Алайда осы үй қай  ауданда орналасқандығын оған апаратын көшелерді және жолға кететін  уақытты қысқартуға керекті транспортты  білу өте қажетті.Көшелер мен  алаңдардың арасында жол таба білу үшін кез-келген қалада тарихи қалыптасқан  атаулар жүйесі мен үйлердің нөмірлері  бар. Жалпыға бірдей қабылданған  мекен-жайлық белгілер кез-келген ғимаратты  анықтап, оны тез тауып алуға  мүмкіндік береді. Пошта жұмысы да осындай мекен-жай жүйесінің негізінде  құрылған. Көп жағдайда, көшелердің орналасуы мен оларға ат беру ісі  тәртіпке бағынбайды. Алайда, кейде  ол әбден ойластырылған іс және қаланың  жалпы жобасының жалғасы болып  келеді. Яғни, оның архитектурасының бір  бөлігі. Оған классикалық мысал ретінде  Нью-Йорк қаласындағы белгілі өзара  перпендикуляр көшелер (авенюлер мен  Триггер) жүйесін жатқызуға болады. Қала архитектурасы тікелей қолданыстан  басқа көркемдігі тұрғысынан да бағалануы  мүмкін (әсіресе шеттен келгендерді  көбірек кызықтырады). Алайда «архитектура»  түсінігінің бұл жағы есептеу  техникасына қолдануға келмейді. Қала құрылысына сәйкес, ЭЕМ архитектурасы  деп оның қолданушыға қажетті  сипаттамаларының жиынтығын түсінеміз.Бұл  алдымен, ЭЕМ-нің негізгі құрылғылары  мен блоктары, сондай-ақ олардың  арасындағы байланыс кұрылымы. Шынында  да «Есептеу жүйелерінің түсіндірме сөздігіне» қарасақ, «ЭЕМ архитектурасының негізгі логикалық тараптарының іс-әрекет принципін, құрылымын және өзара байланысын сипаттау үшін қолданылады. Осыған байланысты «архитектура» термині осы сөздің күнделікті мағынасына жақын»  дегенді оқимыз.Алайда ЭЕМ ішкі құрылысын сипаттау тіпті де негізгі мақсат болып табылмайды. Архитектура тұрғысынан қарастырсақ, есептеу машинасының көптеген нақты қолданыстарына сәйкес келетін барынша ортақ байланыстар мен принциптер ғана қызықтырады. Көбінесе ЭЕМ үйірі, яғни, бір-бірімен үйлесімді моделдер тобы жайлы айтады. Бір үйір шеңберінде машиналар, олардың кейбір моделдерінің өнімділігі, бағасы және басқа да көрсеткіштері бір-бірінен елеулі айырмашылықтары бола тұра, құрылысы мен жұмыс істеуінің негізгі принциптері бірдей болады. Көп таралған ҮАМАНА сериясына жатқызылатын МSХ машиналар үйірін, сондай-ақ жер жүзін жаулап алған ІВМ үйлесімді дербес компьютерлерін айтуға боладыЭЕМ құрылысындағы осы ортақтықты «архитектура» түсінігіне жатқызады. Осы ортақтылық мақсаты түсінікті ұмтылысқа әкеліп соғатынын атап өту керек. Бір топтың барлық машиналары жеке құрылысы мен өндіруші фирмаларына қарамастан бір бағдарламаны орындай алуға қабілетті болуы тиіс. (Іс жүзінде техниканың есептеу қуаттылығы үнемі өсіп отыратындығына байланысты үйлесімдіктің аса қатал емес төменнен жоғары принципі жиі қолданылады. Осы моделдің барлық бағдарламалары келесі жоғары моделдерде орындалады.)Осыдан мынандай қорытынды шығады: архитектура тұлғасынан ЭЕМ құрылысы жайлы мағлұматтардың бәрі емес, тек қана ЭЕМ-де бағдарламалау мен қолданыстық жұмыс барысында пайдаланылатын мағлұматтар ғана маңызды. Қаланың барынша егжей-тегжейлі архитектурасы үшін үйлер тұрғызылған кірпіштердің маркасын, оларды ұстастырып тұрған сұйылтпаларды сипаттаудың қажет еместігі сияқты, ЭЕМ архитектурасы да тұтынушыға көрінбейтін электрондық сүлбелер мен қолданылған басқа да бөлшектер сипаттамасынан тұрмайды (мысалы, жадыға жетудің ішкі үдеткіші).Төменде ЭЕМ «архитектурасына» кіретін ЭЕМ құрылысының барынша ортақ принциптерінің тізімі берілген:

• ЭЕМ жадының кұрылымы;
• Жад пен сыртқы құрылғыларға жету тәсілдері;
• Компьютер құрылымын өзгерту мүмкіндіктері;
• Командалар жүйесі;
• Мәліметтер қалпы;
• Интерфейс жасау.

Жоғарыда айтылғандарды  қорытындылай келе, архитектураның келесі анықтамасын аламыз.

Архитектура дегеніміз – ЭЕМ-нің жұмысын бағдарламалық басқаруды және оның негізгі жұмыстық тараптарын бір-біріне байланыстыруды іске асыратын ЭЕМ кұрылымының барынша ортақ принциптері.

ЭЕМ классикалық  архитектурасы және Фон Нейманның  принциптері. Есептеу машинасының архитектурасы жайлы ілім негізін көрнекті американ математигі Джон Фон Нейман қалыптастырды. Ол әлемдегі ең бірінші лампалық ЭЕМ-ЕNІАС машинасын 1944 ж. құруға оның конструкциясы таңдап алынған соң ғана араласа бастады. Жұмыс барысында әріптестері Г.Голдстайн мен А.Беркстермен бірге көптеген пікірталастан соң Фон Нейман негізінен жаңа ЭЕМ құру идеясын тұжырымдады. 1946 жылы оқымыстылар есептеу машинасы құрылымы жайлы өз принциптерінің классикасына айналған «Электронды есептеу құрылғысының логикалық құрылымын алдын-ала қарастыру» мақаласында жариялады. Одан бері бірнеше жылдар өтті, алайда онда ұсынылған ережелер бүгінгі күнде де өз өзектілігін сақтап қалды. Мақалада сандарды бейнелеу үшін екілік жүйені қолдану тиянақты негізделген (оған дейін есептеу машиналары өңделетін сандарды ондық түрде сақтап келгендігін еске сала кету артық болмас). Авторлар техникалық қолдануда екілік жүйенің артықшылығын, осы жүйеде арифметикалық және логикалық операцияларды орындаудың ыңғайлығы мен оңтайлылығын нанымды көрсете білді. Одан әрі ЭЕМ ақпараттардың сандық емес түрлерін текстік, графикалық, дыбыстық және т.б өңдей бастады, алайда мәліметтерді екілік кодтау бұрынғысынша кез-келген компьютерлердің ақпараттық негізі болып табылады.

Тағы бір аса маңызды  шынайы революциялық идея, ол - Фон Нейман ұсынған «сақталатын бағдарлама»  принципі. Алғаш кезде бағдарламалар  арнайы коммутациялық тақта қосқыштар  орнату жолымен берілді. Бұл аса  бейнеті көп жұмыс еді: мысалы ЕNIАС машинасында бағдарламаны өзгерту  үшін бірнеше күн керек еді (таза есептеу бірнеше минуттан артық  жалғаса алмайтын, себебі, лампалар істен шығып қалатын еді). Нейман бағдарламаны да нөлдер мен бірлер жиынтығы түрінде сақтауға, оны сондай-ақ осы сандарды өңдейтін жадыда сақтауға болатындығын бірінші болып аңғарды. Бағдарлама мен мәліметтер арасында негізінде айырмашылық болмауы  есептеу нәтижелеріне сәйкес ЭЕМ-нің  өзінің бағдарламалар кұруына мүмкіндік  берді.

Фон Нейман ЭЕМ-нің логикалық  кұрылымының негізгі принциптерін ұсынып қана қоймай, ЭЕМ алғашқы  екі буынында қолданылған ЭЕМ  құрылымын ұсынды. Нейманның ұсынысы  бойынша негізгі блоктар болып  басқару құрылғысы (БҚ), арифметикалық-логикалық  құрылғы (АЛҚ) (көбіне орталық процессорға  біріктірілген), жад, сыртқы жад, енгізу және шығару құрылғылары. Мұндай ЭЕМ  құрылысының сүлбесі 3.1-суретте берілген.

Атап өтетін нәрсе сыртқы жадтың енгізу және шығару құрылғыларынан айырмашылығы, оған мәліметтер компьютерге  ыңғайлы, бірақ адам бірден қабылдай алмайтын түрде енгізіледі. Мысалы, магниттік дискідегі жинақтаушы сыртқы жадқа, клавиатура - енгізу, дисплей  мен баспа – шығару құрылғыларына  жатады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1-сурет. Фон Нейман принципі  негізінде құрылған ЭЕМ архитектурасы.

 

Стрелкалы тұтас сызықтар ақпараттар ағыны бағытын, ал үзік сызықтар процессордан ЭЕМ-нің басқа тараптарына  бағытталған басқару сигналдарының  бағытын көрсетеді.

Қазіргі компьютерлерде басқару  құрылғысы мен арифметикалық-логикалық  құрылғы бір блокқа – процессорға  біріктірілген, ол жад пен сыртқы құрылғыдан келетін мәліметтерді түрлендіргіш болып табылады (бұған жадтағы  командаларды теру, кодтау мен бейкодтау, әр түрлі оның ішінде арифметикалық  операцияларды да орындау, компьютер  тараптары жұмысын келістіру  жатады). Процессордың қызметі төменде  толығымен қарастырылады.

Жад (ЖҚ) ақпарат (мәлімет) пен  бағдарламаларды сақтайды. Қазіргі  компьютерлерде жадтау құрығылары «көп қабатты». Ол, дәл қазіргі уақытта  компьютер жұмыс істеп тұрған ақпаратты сақтаушы (орындалып жатқан бағдарлама, оған қажетті мәліметтердің  бөлігі, бірқатар басқару бағдарламалары) жедел жадтау құрылғысынан (ЖЖҚ) әлдеқайда  сыйымдылығы үлкен, бірақ одан әлдеқайда  төмен жылдамдықта жұмыс істейтін (1 байт сақталған мәліметті есепке алғанда елеулі аз бағада) сыртқы жадтау құрылғысынан (СЖҚ) тұрады. Жад құрылғыларының жіктелуі ЖЖҚ мен СЖҚ құрылғыларымен бітпейді – АЖЖҚ (аса жедел жадтау құрылғысы) да, ТЖҚ (тұрақты жадтау құрылғысы) да және басқа компьютерлік жад түрлері  де белгілі қызмет атқарады.

Сипатталған сұлба бойынша  құрылған ЭЕМ-де командаларды жадтан кезекпен оқып, оны орындау іске асырылады. Бағдарламаның келесі командасы  алынатын жадтың кезекті ұяшығының  нөмірін (мекен-жайы) арнайы құрылғы-басқару  құрылғысындағы (БҚ) командалар есептеуіші көрсетеді. Осы құрылғы қарастырылып отырған архитектураның ерекше белгілерінің бірі болып табылады. Фон Нейман жасаған есептеу құрылғылары  архитектурасының негізі іргелі болғаны  соншалықты, әдебиетте «Фон Нейман архитектурасы» аталатын болды. Бүгінгі  күнгі есептеу машиналарының  көпшілігі – Фон Нейман машиналары. Тек қана параллель есептеулер үшін құрылған, командалар есептеуіші жоқ, айнымалының классикалық концепциясы  іске асырылмаған, классикалық моделден басқа да маңызды принциптік ерекшеліктері  бар кейбір жүйе түрлері (мысал ретінде  ағындық және редукциялық есептеу  машиналарын атап өтуге болады) бұл қатарға жатпайды. Шамасы, Фон Неймандық «архитектурадан» елеулі ауытқу, есептеу машиналарының бесінші буыны идеясын дамыту нәтижесінде туатын болса керек, себебі, онда ақпарат өңдеу негізінде есептеу емес, логикалық қорытындылар жатыр.

ЭЕМ ішкі құрылымының  жетілдірілуі және дамуы. Алдыңғы бөлімде ЭЕМ-нің бірінші және екінші буынына сәйкес келетін ЭЕМ классикалық құрылымы сипатталды. Әрине, есептеу техникасы құралдарының өндіріс технологиясының өркендеп дамуы нәтижесінде ондай кұрылым прогрессивті өзгерістерге ұшырамауы мүмкін емес еді.

Жоғарыда атап өтілгендей, ЭЕМ үшінші буынының пайда болуы  өту транзисторлардан интегралды микросхемаларға  ауысумен байланысты. Электрондық схемаларды кішірейтудегі айтарлықтай табыстар ЭЕМ функциональдық - базалық тараптарының көлемін ғана кішірейтіп қойған жоқ, процессордың да жылдамдығын елеулі өсіруге мүмкіндік туғызды. Машина ішінде ақпаратты өңдеудің жоғары жылдамдығы мен көпшілігінде механикалық жылжымалы  бөлшектерден тұратын енгізу-шығару қондырғылардың баяу жұмысы арасында елеулі қарама-қайшылық туды. Сыртқы құрылғылардың  жұмысын басқарушы процессор  «сыртқы әлемнен» ақпарат күтіп, елеулі уақыт бос тұрар еді  де, ол ЭЕМ жұмыс тиімділігін әжептеуір  төмендетер еді. Осы проблеманы шешу үшін орталық процессорды ақпарат  алмасу қызметінен босатып, оны сыртқы құрылғылардың жұмысын басқарушы  арнайы электрондық схемаларға беру тенденциясы пайда болды. Мұндай схемалар әр түрлі аттарға ие болды: алмасу арналары, енгізу-шығару процессорлары, перифериялық процессорлар. Соңғы кезде  «сыртқы құрылғы бақылаушысы» (немесе контроллер) деген термин жиі колданылып жүр.

Сыртқы құрылғылардың  интектуалды контроллерлерін қолдану  – үшінші және төртінші буынды машиналардың ерекше сипаты болды.

Контроллерді арнайы қондырылған  алмасу бағдарламалары көмегімен оған «сеніп тапсырылған» сыртқы кұрылғының жұмысын басқаруды арнайы процессор  деп қарастыруға болады. Мұндай процессордың өзінің жеке командалар жүйесі бар. Мысалы, жұмсақ магнит дискідегі жинақтаушы, дискжетек контроллері диск оқушы  құрылғыны дискінің қажетті жолына бағыттауды, секторды оқу немесе жазуды жолды форматтауды және т.б. іске асырады. Әр амалдың орындалу нәтижесі контроллер жадының ішкі регистрына енгізіліп, орталық процессордың оқуына дайын болып тұрады.

Сонымен, интеллектуалды сыртқы қондырылғыларды қолдану ақпарат  алмасу идеологиясын түбімен өзгертуі мүмкін. Ақпарат алмасу қажеттілігі  туған кезде орталық процессор  оны орындауға контроллерге тапсырма береді. Ары қарай ақпарат алмасу орталық процессордың қатысынсыз-ақ контроллердің басқаруымен жүре береді. Ал орталық процессор «өз  жұмысымен айналысуға», яғни бағдарламаны ары қарай орындауға (егер берілген есеп бойынша ақпарат алмасу біткенше ештеңе істеу мүмкін болмаса, онда бұл  уақытта басқа есепті шешуге болады) мүмкіндік алады.

Енді 3.2-суретте бейнеленгендей интеллектуалды контроллері бар  ЭЕМ ішкі құрылысы мәселесін талдауға ауысайық. Суреттен көрініп тұрғандай, ЭЕМ жеке функционалды тораптары  арасындағы байланыс үшін ортақ шина (оны көбіне магистраль деп атайды) қолданылады. Шина үш бөлімнен тұрады:

• мәліметтер шинасы, ол бойынша ақпарат таралады;
• мәліметтердің қайда таралатынын анықтайтын мекен-жай шинасы;
• ақпарат алмасу процесін реттейтін басқару шинасы;

Мәліметтер шинасы мен  мекен-жай шинасы біріктірілген  компьютерлер моделі бар екендігін  айта кеткен жөн. Мұндай машиналарда  алдымен шинаға адрес, сосын біраз  уақыттан соң мәліметтер беріледі; осы мезетте шина қандай мақсатта жұмыс істеп жатқаннын, басқару  шинасындағы сигналдар арқылы анықтауға  болады.

Сипатталған схеманы жаңа құрылғылармен оңай толықтыруға  болады, бұл архитектураның ашықтық  қасиеті деп аталады. Қолданушы  үшін ашық архитектура өз компьютеріне сыртқы құрылғылар құрамын еркін  таңдап-қосуға, яғни шешілетін есептердің аумағына сәйкес компьютер конфигурациясын  таңдауға мүмкіндік береді.

 

 

берілгендер

      Шина адресте

басқару

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2-сурет. ЭЕМ-нің шиналық архитектурасы

 

3.2-суретті 3.1-суретпен  салыстырғанда жаңа жад түрі - видео ЖЖҚ (видеожад) берілген. Оның  пайда болуы шығарудың ерекше  құрылғысы –дисплейдің жасалуымен  байланысты.

Дисплейдің негізгі бөлігі электронды-сәулелік түтік болып  табылады, ол ақпаратты теледидардағыдай етіп бейнелейді (кейбір арзан үй компьютері моделдеріне кәдімгі теледидарды  қосады). Әрине, дисплей механикалық  жылжымалы бөліктері болмауы  себепті, ақпаратты «өте тез» бейнелейтін  құрылғы. Сондықтан да ол ЭЕМ үшінші және төртінші буындарының ажырамас бөлігі болып табылады (ең алғаш  дисплей екінші буындық кейбір ЭЕМ қолданылды, мысалы, «МИР-2» – көптеген жағынан өте қызықты отандық компьютер болатын).

Монитор экранында тұрақты  бейнені алу үшін оны бір жерде  сақтау керек. Ол үшін видеожад қолданылады. Алдымен видеожад мазмұны компьютер  көмегімен қалыптастырылады да, дисплей  контроллері бейнені экранға  шығарады. Видеожад көлемі ақпарат  сипатына (мәтіндік немесе графикалық) және бейненің түрлері санына байланысты. Құрылымы жағынан ол кәдімгі ЖЖҚ  түрінде орындалуы немесе дисплей  контроллерінде (3.2-суретте осы себепті  ол үзік сызықтар арқылы көрсетілген) орналасуы мүмкін.