ترکیب فناوری کامپیوتر. ویژگی های اساسی فناوری کامپیوتر تاریخچه توسعه فناوری کامپیوتر

مفهوم فناوری رایانه مجموعه ای از ابزارها، روش ها و تکنیک های فنی و ریاضی است که برای مکانیزه کردن و خودکارسازی فرآیندهای محاسبات و پردازش اطلاعات استفاده می شود. اساس ابزار فنی محاسبات مدرن شامل رایانه های الکترونیکی (کامپیوتر)، ورودی، خروجی، نمایش و دستگاه های انتقال (اسکنر، چاپگر، مودم، مانیتور، پلاتر، صفحه کلید، نوار مغناطیسی و درایو دیسک و غیره)، لپ تاپ، ریزمحاسبه ها، نوت بوک های الکترونیکی و غیره

رایانه شخصی یک ریز رایانه رومیزی یا قابل حمل تک کاربره است که الزامات دسترسی و جهانی بودن را برآورده می کند.

اساس یک کامپیوتر شخصی یک ریزپردازنده است. توسعه فناوری و فناوری ریزپردازنده تغییر در نسل های رایانه شخصی را تعیین کرده است:

نسل اول (1975 - 1980) - بر اساس MP 8 بیتی.

نسل دوم (1981 - 1985) - بر اساس MP 16 بیتی.

نسل سوم (1986 - 1992) - بر اساس MP 32 بیتی.

نسل چهارم (از سال 1993) - بر اساس MP 64 بیتی.

امروزه دنیای کامپیوتر در آستانه یک انقلاب است: CPUهایی با ترانزیستورهای نسل جدید و قدرتمند تراشه های موبایلعملکرد لپ تاپ ها، تبلت ها و گوشی های هوشمند را تا حدی افزایش می دهد.

عناصر پردازشی با اندازه‌های 10 و 12 نانومتر دنیای کامپیوتر را در سال آینده کاملاً تغییر خواهند داد: ضخامت آنها 10000 برابر کوچکتر از موی انسان (100000 نانومتر) و قطر آنها نزدیک به اتم‌های سیلیکون (0.3 نانومتر) است.

تولید کنندگان اصلی ریزپردازنده برای رایانه های شخصی در حال حاضر هنوز عبارتند از:

اینتل در ایجاد و تولید پردازنده های مدرن پیشگام است. امروزه محبوب ترین رایانه های شخصی در بازار رایانه های گران قیمت رایانه های شخصی با پردازنده های مبتنی بر معماری چند هسته ای هستند. اینتل Core.

در آوریل 2012، اینتل سومین نسل از خانواده پردازنده‌های چهار هسته‌ای Intel® Core™ را معرفی کرد که در نسخه‌های قدرتمند موجود است. سیستم های دسکتاپدرجه حرفه ای و رایانه های شخصی همه کاره همراه و نازک که دارای اولین تراشه های 22 نانومتری جهان با استفاده از ترانزیستورهای سه بعدی Tri-Gate هستند.

AMD (Advanced Micro Device) واقعی ترین رقیب اینتل است. تا همین اواخر، با پردازنده‌های ارزان قیمت اما سریع که عمدتاً برای رایانه‌های ارزان قیمت و ارتقاء در نظر گرفته شده بودند، جایگاهی را در بازار رایانه اشغال می‌کرد.

با ساخت پردازنده های Athlon، Thunderbird، Polamino، Thoroughbred، Barton در سال 1999 و پس از سال 2003 پردازنده های سری K8 رقابت جدی با اینتل آغاز شد. امروزه هر دو شرکت محصولی با کیفیت خوب تولید می‌کنند که می‌تواند تقریباً نیازهای هر کاربر خواستار را برآورده کند.

در حال حاضر حدود 85 درصد از رایانه های شخصی بر اساس این پردازنده ها تولید می شوند. بسته به هدف آنها می توان آنها را به سه گروه تقسیم کرد:

خانگی، در نظر گرفته شده برای مصرف انبوه و دارای ساده ترین پیکربندی اولیه؛

هدف کلی، برای حل مشکلات علمی، فنی، اقتصادی و غیره و آموزش. این کلاس بسیار گسترده است و معمولاً توسط کاربران غیرحرفه ای ارائه می شود.

حرفه ای در زمینه علمی برای حل مشکلات پیچیده اطلاعات و تولید استفاده می شود. آنها ویژگی های فنی بالایی دارند و توسط کاربران حرفه ای سرویس می شوند.

علاوه بر این ، رایانه های شخصی با توجه به طراحی آنها به موارد زیر تقسیم می شوند:

کامپیوترهای لپ تاپ (کامپیوتر "لپ تاپ"). در لپ‌تاپ، صفحه‌کلید و واحد سیستم در یک کیس ساخته شده‌اند که با یک درب با نمایشگر LCD در بالا بسته می‌شود. اکثر مدل ها در پارامترهای فنی خود تفاوت چندانی با هم ندارند و دارای نمایشگرهای تک رنگ هستند.

نوت بوک ("نوت بوک"). آخرین مدل ها دارای پارامترهای فنی نسبتاً بالایی هستند که با رایانه های شخصی عمومی قابل مقایسه است ( پردازنده های اصلی i7-3612QM، ویدئو تا 6144 مگابایت، هارد دیسک - هارد دیسک بیش از 600 گیگابایت یا SSD تا 256 گیگابایت؛

ULTRABUK (الترابوک انگلیسی) یک لپ‌تاپ فوق‌العاده نازک و سبک است، با ابعاد و وزن حتی کوچک‌تر در مقایسه با ساب نوت‌بوک‌های معمولی، اما در عین حال - بیشتر ویژگی‌های بارز یک لپ‌تاپ تمام عیار است. این اصطلاح به طور گسترده در سال 2011 گسترش یافت، پس از اینکه شرکت اینتل کلاس جدیدی از رایانه های شخصی موبایل را ارائه کرد - اولترابوک، مفهومی از اینتل و اپل، که بر اساس نسخه منتشر شده در سال 2008 توسعه یافت. لپ تاپ اپل مک بوک ایر. اولترابوک ها کوچکتر از لپ تاپ های معمولی هستند، اما کمی بزرگتر از نت بوک ها هستند. آنها به یک صفحه نمایش کریستال مایع کوچک از 11 تا 13.3 اینچ مجهز هستند، جمع و جور هستند - ضخامت آنها تا 20 میلی متر و وزن آنها تا 2 کیلوگرم است. اولترابوک ها به دلیل اندازه کوچکشان پورت های خارجی کمی دارند و اکثر آنها درایو DVD ندارند.

نت‌بوک لپ‌تاپی با کارایی نسبتا پایین است که عمدتاً برای دسترسی به اینترنت و کار با برنامه‌های اداری طراحی شده است. دارای قطر صفحه نمایش کوچک 7-12 اینچ، مصرف برق کم، وزن سبک و هزینه نسبتا کم است.

اصل عملکرد رایانه های شخصی مدرن را می توان با الگوریتم زیر توصیف کرد:

من. مقداردهی اولیه

پس از روشن کردن کامپیوتر، بارگذاری سیستم عامل و برنامه لازم، به شمارنده برنامه مقدار اولیه ای برابر با آدرس اولین دستور این برنامه اختصاص می یابد.

II. انتخاب تیم

CPU عملیات خواندن یک فرمان را از حافظه انجام می دهد. از محتویات شمارنده برنامه به عنوان آدرس سلول حافظه استفاده می شود.

III. تفسیر فرمان و شمارنده برنامه افزایشی

محتویات سلول حافظه خوانده شده توسط CPU به عنوان یک فرمان تفسیر شده و در ثبات فرمان قرار می گیرد. واحد کنترل شروع به تفسیر فرمان می کند. بر اساس قسمت کد عملیات از اولین کلمه دستور، CU طول آن را تعیین می کند و در صورت لزوم، عملیات خواندن اضافی را تا زمانی که کل فرمان توسط CPU خوانده شود، سازماندهی می کند. طول دستور به محتویات شمارنده برنامه اضافه می شود و با خواندن کامل دستور، آدرس دستور بعدی در شمارنده برنامه تولید می شود.

IV. رمزگشایی دستور و اجرای دستور

با استفاده از فیلدهای آدرس دستورالعمل، واحد کنترل تعیین می کند که آیا دستورالعمل دارای عملوند در حافظه است یا خیر. اگر داشته باشد، بر اساس حالت های آدرس دهی مشخص شده در فیلدهای آدرس، آدرس عملوندها محاسبه شده و عملیات خواندن حافظه برای خواندن عملوندها انجام می شود.

واحد کنترل و ALU عملیات مشخص شده در قسمت کد عملیات فرمان را انجام می دهند. ثبت پرچم پردازنده ویژگی های عملیات را ذخیره می کند.

V. در صورت لزوم، کنترلر انجام می دهد عملیات نوشتن نتیجه در حافظه

اگر آخرین فرمان "توقف پردازنده" نبود، توالی عملیات توصیف شده دوباره انجام می شود. این دنباله از عملیات نامیده می شود چرخه پردازنده .

در کامپیوترهای خاص، اجرای این الگوریتم ممکن است کمی متفاوت باشد. اما در اصل، عملکرد هر کامپیوتر فون نویمان با الگوریتم مشابهی توصیف می شود و دنباله ای از عملیات نسبتاً ساده است.

رایانه شخصی شامل سه دستگاه اصلی است: واحد سیستم، صفحه کلید و صفحه نمایش . برای گسترش عملکرد رایانه شخصی، دستگاه های جانبی نیز به آن متصل می شوند: چاپگر، اسکنر، دستکاری این دستگاه ها یا با استفاده از کابل ها از طریق کانکتورهای واقع در دیوار عقب به واحد سیستم متصل می شوند واحد سیستم، یا مستقیماً در واحد سیستم وارد می شوند. رایانه شخصی ساختاری مدولار دارد. همه ماژول ها به گذرگاه سیستم متصل هستند.

برای کنترل دستگاه های خارجی استفاده می شود کنترلرها (آداپتورهای VU) . پس از دریافت فرمان از MP، کنترلر که به طور مستقل عمل می کند، MP را از انجام عملکردهای خاص برای سرویس دستگاه خارجی آزاد می کند.

لازم به ذکر است که افزایش عملکرد MP مدرن و دستگاه های تکی خارجی به آن (حافظه اصلی و خارجی، سیستم های ویدئویی و ...) منجر به مشکل افزایش آن شده است. پهنای باندگذرگاه سیستم هنگام اتصال این دستگاه ها. برای حل این مشکل، اتوبوس های محلی توسعه یافتند که مستقیماً به اتوبوس MP متصل شدند.

دستگاه اصلی در رایانه شخصی است واحد سیستم . این شامل یک CPU، یک پردازنده مشترک، دائمی و حافظه دسترسی تصادفی، کنترلرها، درایوهای دیسک مغناطیسی، منبع تغذیه و سایر ماژول های کاربردی. پیکربندی رایانه شخصی را می توان با اتصال ماژول های اضافی تغییر داد. برای اطمینان از عملکرد مداوم دستگاه های رایانه شخصی مادربردشامل یک چیپست است، یعنی مجموعه ای از ریز مدارها (تراشه ها).

چیپست قابلیت های اصلی برد را تعیین می کند:

· انواع CPU های پشتیبانی شده.

· حداکثر فرکانس باس سیستم.

· منطق سوئیچینگ دستگاه.

انواع پشتیبانی شده و حداکثر اندازهحافظه اصلی؛

· سرعت کار با هر نوع حافظه.

· پشتیبانی از پورت گرافیکی تسریع شده.

· نوع رابط دیسک و حالت های آن.

· حداکثر تعداد اسلات های توسعه.

· نظارت بر کامپیوتر.

چیپست یک رایانه شخصی مدرن معمولاً از دو تراشه تشکیل شده است: یک پل شمالی یا یک هاب کنترل کننده حافظه (Memory Controller Hub، MCH)، که به دستگاه های مرکزی خدمت می کند و شامل کنترل کننده هایی برای حافظه اصلی، گذرگاه گرافیکی، گذرگاه سیستم و گذرگاه حافظه، و یک پل جنوبی، پل (پل جنوبی) یا مرکز کنترل ورودی/خروجی (ICH)، حاوی کنترل‌کننده‌هایی برای دستگاه‌های ورودی/خروجی و استاندارد دستگاه های جانبی.

نمودار عملکرد یک کامپیوتر - با توجه به هدف آن کامپیوتر - این یک دستگاه جهانی برای کار با اطلاعات است.طبق اصول طراحی آن، کامپیوتر مدلی از شخصی است که با اطلاعات کار می کند.

کامپیوتر شخصی(PC) کامپیوتری است که برای سرویس دهی به یک ایستگاه کاری طراحی شده است. ویژگی های آن ممکن است با رایانه های اصلی متفاوت باشد، اما از نظر عملکردی قادر به انجام عملیات مشابه است. با توجه به روش کار، مدل های کامپیوتر رومیزی (رومیزی)، قابل حمل (لپ تاپ و نوت بوک) و جیبی (پالم تاپ) متمایز می شوند.

سخت افزار.از آنجایی که کامپیوتر هر سه دسته از روش های اطلاعاتی را برای کار با داده ها (سخت افزار، نرم افزار و طبیعی) ارائه می دهد، مرسوم است که از یک سیستم کامپیوتری به عنوان متشکل از سخت افزار و نرم افزار که با هم کار می کنند صحبت کنیم. اجزای تشکیل دهنده سخت افزار کامپیوتر را سخت افزار می نامند. آنها تمام کارهای فیزیکی را با داده ها انجام می دهند: ثبت، ذخیره سازی، حمل و نقل و تبدیل، هم از نظر شکل و هم محتوا، و همچنین آنها را به شکلی مناسب برای تعامل با طبیعی ارائه می کنند. روش های اطلاعاتیشخص

به مجموع سخت افزار یک کامپیوتر، پیکربندی سخت افزاری آن می گویند.

نرم افزار.برنامه ها می توانند در دو حالت فعال و غیرفعال باشند. در حالت غیرفعال، برنامه کار نمی کند و شبیه داده هایی است که محتوای آن اطلاعات است. در این حالت، محتویات برنامه را می توان توسط برنامه های دیگر "خوانده" کرد، مانند خواندن کتاب ها، و تغییر داد. از طریق آن می توانید هدف برنامه و نحوه کار آن را دریابید. در حالت غیرفعال، برنامه ها ایجاد، ویرایش، ذخیره و حمل و نقل می شوند. فرآیند ایجاد و ویرایش برنامه ها را برنامه نویسی می گویند.

هنگامی که یک برنامه در حالت فعال است، محتوای داده های آن به عنوان دستوراتی در نظر گرفته می شود که بر اساس آن سخت افزار کامپیوتر عمل می کند. برای تغییر ترتیب عملکرد آنها کافی است اجرای یک برنامه را قطع کنید و اجرای برنامه دیگری را که شامل مجموعه ای متفاوت از دستورات است شروع کنید.

مجموعه برنامه های ذخیره شده در کامپیوتر آن را تشکیل می دهد نرم افزار. به مجموعه برنامه هایی که برای عملیات آماده شده اند، نرم افزار نصب شده می گویند. مجموعه برنامه هایی که در یک زمان اجرا می شوند، پیکربندی نرم افزار نامیده می شود.

دستگاه کامپیوتری.هر کامپیوتر (حتی بزرگترین) از چهار بخش تشکیل شده است:

• دستگاه های ورودی
• دستگاه های پردازش اطلاعات
• دستگاه های ذخیره سازی
• دستگاه های خروجی اطلاعات

از نظر ساختاری، این قطعات را می توان در یک مورد به اندازه یک کتاب ترکیب کرد، یا هر قسمت می تواند از چندین دستگاه نسبتاً حجیم تشکیل شود.

پیکربندی اصلی سخت افزار رایانه شخصیپیکربندی اصلی سخت افزار یک رایانه شخصی حداقل مجموعه سخت افزاری است که برای شروع کار با رایانه کافی است. با گذشت زمان، مفهوم یک پیکربندی اولیه به تدریج تغییر می کند.

اغلب، یک کامپیوتر شخصی از دستگاه های زیر تشکیل شده است:

• واحد سیستم
• نظارت کنید
• صفحه کلید

علاوه بر این، به عنوان مثال، سایر دستگاه های ورودی و خروجی را می توان متصل کرد بلندگوهای صدا، پرینتر، اسکنر ...

واحد سیستم- بلوک اصلی سیستم کامپیوتری. این شامل دستگاه هایی است که داخلی در نظر گرفته می شوند. دستگاه هایی که از خارج به واحد سیستم متصل می شوند خارجی در نظر گرفته می شوند. اصطلاح تجهیزات جانبی برای دستگاه های خارجی نیز به کار می رود.
نظارت کنید- وسیله ای برای بازتولید بصری نمادین و اطلاعات گرافیکی. به عنوان یک دستگاه خروجی عمل می کند. برای رایانه های شخصی رومیزی، رایج ترین مانیتورهای امروزی، مانیتورهایی هستند که مبتنی بر لوله های اشعه کاتدی هستند. آنها به طور مبهم شبیه تلویزیون های خانگی هستند.
صفحه کلید- یک دستگاه صفحه کلید طراحی شده برای کنترل عملکرد رایانه و وارد کردن اطلاعات به آن. اطلاعات در قالب داده های حروف عددی وارد می شود.
موش- دستگاه کنترل گرافیکی

دستگاه های داخلی کامپیوتر شخصی
دستگاه های واقع در واحد سیستم داخلی در نظر گرفته می شوند. برخی از آنها در پنل جلویی قابل دسترسی هستند که برای تغییرات سریع راحت است رسانه اطلاعاتیمانند دیسک های مغناطیسی فلاپی. کانکتورهای برخی از دستگاه ها در دیوار عقب قرار دارند - از آنها برای اتصال تجهیزات جانبی استفاده می شود. دسترسی به برخی از دستگاه های واحد سیستم فراهم نیست - برای عملکرد عادی لازم نیست.

CPU.ریزپردازنده تراشه اصلی یک کامپیوتر شخصی است. تمام محاسبات در آن انجام می شود. مشخصه اصلی پردازنده فرکانس ساعت (اندازه گیری شده بر حسب مگاهرتز، مگاهرتز) است. هرچه سرعت کلاک بالاتر باشد، عملکرد پردازنده بالاتر است. بنابراین، برای مثال، در فرکانس ساعت 500 مگاهرتز، پردازنده می تواند آن را تغییر دهد
500 میلیون بار اعلام کنید برای اکثر عملیات، یک چرخه ساعت کافی نیست، بنابراین تعداد عملیاتی که یک پردازنده می تواند در هر ثانیه انجام دهد نه تنها به سرعت ساعت، بلکه به پیچیدگی عملیات نیز بستگی دارد.

تنها دستگاهی که پردازنده "از بدو تولد" وجود آن را می داند RAM است - همراه با آن کار می کند. داده ها و دستورات از اینجا می آیند. داده ها در سلول های پردازشگر (به نام ثبات) کپی می شوند و سپس طبق محتویات دستورالعمل ها تبدیل می شوند. در فصل‌های مربوط به اصول برنامه‌نویسی، تصویر کامل‌تری از نحوه تعامل پردازنده با RAM دریافت خواهید کرد.

رم. RAM را می توان به عنوان مجموعه وسیعی از سلول ها در نظر گرفت که داده های عددی و دستورات را در حالی که رایانه روشن است ذخیره می کند. مقدار RAM در میلیون ها بایت - مگابایت (MB) اندازه گیری می شود.

پردازنده می تواند به هر سلول RAM (بایت) دسترسی داشته باشد زیرا دارای یک آدرس عددی منحصر به فرد است. پردازنده نمی تواند به یک بیت جداگانه از RAM دسترسی پیدا کند، زیرا بیت آدرس ندارد. در همان زمان، پردازنده می تواند وضعیت هر بیت را تغییر دهد، اما این به چندین عمل نیاز دارد.

مادربرد.مادربرد بزرگترین برد مدار یک کامپیوتر شخصی است. این شامل بزرگراه هایی است که پردازنده را با RAM متصل می کند - به اصطلاح اتوبوس ها. یک گذرگاه داده وجود دارد که پردازنده از طریق آن داده ها را از سلول های حافظه کپی می کند، یک گذرگاه آدرس که از طریق آن به سلول های حافظه خاص متصل می شود، و یک گذرگاه فرمان که پردازنده از طریق آن دستورات برنامه ها را دریافت می کند. سایر دستگاه های داخلی رایانه نیز به گذرگاه های مادربرد متصل می شوند. عملکرد مادربرد توسط یک چیپست ریزپردازنده - به اصطلاح چیپست - کنترل می شود.

آداپتور ویدئو.آداپتور ویدئویی یک دستگاه داخلی است که در یکی از کانکتورهای مادربرد نصب شده است. اولین کامپیوترهای شخصی آداپتورهای ویدئویی نداشتند. در عوض، یک منطقه کوچک در RAM برای ذخیره داده های ویدئویی اختصاص داده شد. یک تراشه ویژه (کنترل کننده ویدئو) داده ها را از سلول های حافظه ویدئویی خوانده و مطابق با آنها مانیتور را کنترل می کند.

با بهبود قابلیت‌های گرافیکی رایانه‌ها، قسمت حافظه ویدیویی از رم اصلی جدا شد و به همراه کنترلر ویدیویی به دستگاه جداگانه‌ای که آداپتور ویدیو نامیده می‌شد، جدا شد. آداپتورهای ویدئویی مدرن دارای پردازنده محاسباتی خود هستند (پردازنده ویدئو) که باعث کاهش بار پردازنده اصلی در هنگام ساخت تصاویر پیچیده شده است. هنگام ساخت روی صفحه تخت، پردازنده ویدئو نقش مهمی را ایفا می کند. تصاویر سه بعدی. در طول چنین عملیاتی، او باید تعداد زیادی از محاسبات ریاضی را انجام دهد.

در برخی از مدل های مادربرد، عملکرد آداپتور ویدئویی توسط تراشه های چیپ ست انجام می شود - در این مورد آنها می گویند که آداپتور ویدئویی با یکپارچه شده است. مادربرد. اگر آداپتور ویدئویی به عنوان یک دستگاه جداگانه ساخته شود، به آن کارت ویدئو می گویند. کانکتور کارت گرافیک در دیوار عقب قرار دارد. یک مانیتور به آن متصل است.

آداپتور صدا.برای کامپیوترهای IBM PC، کار با صدا در ابتدا ارائه نشده بود. کامپیوترهای این پلتفرم در ده سال اول وجود خود، تجهیزات اداری محسوب می شدند و بدون دستگاه های صوتی کار می کردند. در حال حاضر ابزارهای صوتی استاندارد در نظر گرفته می شوند. برای انجام این کار در مادربردآداپتور صدا نصب شده است. می توان آن را در چیپست مادربرد ادغام کرد یا به عنوان یک کارت پلاگین جداگانه به نام کارت صدا پیاده سازی کرد.
کانکتورهای کارت صدا در دیواره پشتی کامپیوتر قرار دارند. برای پخش صدا، بلندگو یا هدفون به آنها وصل می شود. یک کانکتور جداگانه برای اتصال میکروفون در نظر گرفته شده است. در حضور برنامه ویژهاین به شما امکان می دهد صدا را ضبط کنید. همچنین یک کانکتور (خروجی خط) برای اتصال به تجهیزات ضبط صدا یا بازتولید صدا خارجی (ضبط نوار، تقویت کننده و غیره) وجود دارد.

HDDاز آنجایی که رم کامپیوتر با قطع برق پاک می شود، به دستگاهی برای ذخیره داده ها و برنامه ها برای مدت طولانی نیاز است. در حال حاضر، به اصطلاح هارد دیسک ها به طور گسترده ای برای این اهداف استفاده می شود.
اصول کارکرد، اصول جراحی، اصول عملکرد هارد دیسکبر اساس ثبت تغییرات در میدان مغناطیسی نزدیک سر ضبط است.

اصلی پارامتر سختظرفیت دیسک با واحد گیگابایت (میلیاردها بایت)، گیگابایت اندازه گیری می شود. اندازه متوسط ​​یک هارد دیسک مدرن 80 - 160 گیگابایت است و این پارامتر به طور پیوسته در حال رشد است.

درایو فلاپی.برای انتقال داده ها بین رایانه های راه دور، به اصطلاح از فلاپی دیسک استفاده می شود. یک فلاپی دیسک استاندارد (فلاپی دیسک) دارای ظرفیت نسبتا کمی 1.44 مگابایت است. طبق استانداردهای مدرن، این برای اکثر وظایف ذخیره سازی و حمل و نقل داده ها کاملاً ناکافی است، اما هزینه کم رسانه و در دسترس بودن بالا، فلاپی دیسک ها را به رایج ترین رسانه ذخیره سازی تبدیل کرده است.

برای نوشتن و خواندن داده های ذخیره شده بر روی فلاپی دیسک، از یک دستگاه خاص - یک درایو دیسک استفاده می شود. سوراخ دریافت درایو در پانل جلویی واحد سیستم قرار دارد.

دستگاه پخش سی دی.برای انتقال مقادیر زیاد داده، استفاده از CD-ROM راحت است. این دیسک‌ها فقط می‌توانند داده‌های نوشته‌شده قبلی را بخوانند، نمی‌توان روی آنها نوشت. ظرفیت یک دیسک حدود 650-700 مگابایت است.

درایوهای CD-ROM برای خواندن سی دی ها استفاده می شوند. پارامتر اصلی درایو CD-ROM سرعت خواندن است. در چندین واحد اندازه گیری می شود. سرعت خواندن تایید شده در اواسط دهه 80 به عنوان یک در نظر گرفته می شود. برای سی دی های موسیقی (سی دی های صوتی). درایوهای CD-ROM مدرن سرعت خواندن 40x - 52x را ارائه می دهند.
عیب اصلی درایوهای CD-ROM- عدم امکان ضبط دیسک ها - در دستگاه های مدرن یکبار نوشتن - CD-R برطرف شده است. همچنین دستگاه های CD-RW وجود دارند که امکان ضبط چندگانه را فراهم می کنند.

اصل ذخیره سازی داده ها در سی دی ها مانند فلاپی دیسک مغناطیسی نیست، بلکه نوری است.

پورت های ارتباطیبرای برقراری ارتباط با دستگاه های دیگر مانند چاپگر، اسکنر، صفحه کلید، ماوس و ... کامپیوتر به اصطلاح به پورت ها مجهز شده است. پورت فقط یک اتصال دهنده برای اتصال تجهیزات خارجی نیست، اگرچه یک پورت به یک کانکتور ختم می شود. پورت یک دستگاه پیچیده تر از یک رابط است که دارای ریزمدارهای خاص خود است و توسط نرم افزار کنترل می شود.

آداپتور شبکه.آداپتورهای شبکه برای اینکه کامپیوترها بتوانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند ضروری هستند. این دستگاه تضمین می کند که پردازنده بخش جدیدی از داده ها را به پورت خارجی ارسال نمی کند تا زمانی که آداپتور شبکه یک رایانه همسایه قسمت قبلی را برای خود کپی کند. پس از این، سیگنالی به پردازنده داده می شود که داده ها جمع آوری شده اند و می توان داده های جدید را ارسال کرد. انتقال به این صورت انجام می شود.

هنگامی که یک آداپتور شبکه از یک آداپتور همسایه "یاد می گیرد" که یک قطعه داده دارد، آن را در خود کپی می کند و سپس بررسی می کند که آیا آدرس آن به آن داده شده است یا خیر. اگر بله، آنها را به پردازنده منتقل می کند. اگر نه، آنها را روی پورت خروجی قرار می دهد، جایی که آداپتور شبکه کامپیوتر همسایه بعدی آنها را می گیرد. به این ترتیب داده ها بین رایانه ها حرکت می کنند تا زمانی که به گیرنده می رسند.
آداپتورهای شبکه را می توان در مادربرد تعبیه کرد، اما اغلب به صورت جداگانه و به شکل کارت های اضافی به نام کارت شبکه نصب می شوند.

کامپیوترهای الکترونیکی معمولاً بر اساس تعدادی ویژگی طبقه بندی می شوند، به ویژه: عملکردو ماهیت وظایف حل شده با توجه به روش سازماندهی فرآیند محاسباتی، با ویژگی های معماری و قدرت محاسباتی.

بر اساس عملکرد و ماهیت وظایف در حال حل، موارد زیر متمایز می شوند:

کامپیوترهای جهانی (عمومی)؛

کامپیوترهای مشکل گرا؛

کامپیوترهای تخصصی.

رایانه های بزرگبرای حل طیف گسترده ای از مشکلات مهندسی و فنی طراحی شده اند که با پیچیدگی الگوریتم ها و حجم زیاد داده های پردازش شده مشخص می شود.

کامپیوترهای مشکل گرابرای حل طیف محدودتری از وظایف مربوط به ثبت، انباشت و پردازش مقادیر کمی از داده ها طراحی شده اند.

کامپیوترهای تخصصیبرای حل طیف محدودی از مشکلات (ریزپردازنده ها و کنترل کننده هایی که عملکردهای کنترلی را برای دستگاه های فنی انجام می دهند) استفاده می شود.

از طریق سازماندهی فرآیند محاسباتکامپیوترها به دو دسته تک پردازنده ای و چند پردازنده ای و نیز ترتیبی و موازی تقسیم می شوند.

تک پردازندهکامپیوتر دارای یک پردازنده مرکزی است و تمامی عملیات محاسباتی و عملیات برای کنترل دستگاه های ورودی/خروجی بر روی این پردازنده انجام می شود.

چند پردازنده.کامپیوتر شامل چندین پردازنده است که بین آنها توابع سازماندهی فرآیند محاسبات و مدیریت دستگاه های ورودی/خروجی اطلاعات دوباره توزیع می شوند.

استوار.آنها در حالت تک برنامه ای کار می کنند، زمانی که کامپیوتر به گونه ای طراحی شده است که می تواند تنها یک برنامه را اجرا کند و تمام منابع آن فقط برای منافع برنامه در حال اجرا استفاده می شود.

موازی.آنها در حالت چندبرنامه ای کار می کنند، زمانی که چندین برنامه کاربر روی کامپیوتر در حال اجرا هستند و منابع بین این برنامه ها به اشتراک گذاشته می شود و اجرای موازی آنها را تضمین می کند.

بر اساس ویژگی های معماری و قدرت محاسباتی، آنها متمایز می شوند:

اجازه دهید طرحی را برای طبقه بندی رایانه ها بر اساس این معیار در نظر بگیریم (شکل 1).

عکس. 1.طبقه بندی کامپیوترها بر اساس ویژگی های معماری

و قدرت محاسباتی

ابر رایانه ها- اینها قدرتمندترین ماشین های محاسباتی از نظر سرعت و عملکرد هستند. ابرکامپیوترها عبارتند از "Cray" و "IBM SP2" (ایالات متحده). آنها برای حل مسائل محاسباتی و مدل سازی در مقیاس بزرگ، برای محاسبات پیچیده در آیرودینامیک، هواشناسی، فیزیک انرژی بالا و همچنین در بخش مالی استفاده می شوند.

ماشین های بزرگ یا مین فریم.مین فریم ها در بخش مالی، مجتمع دفاعی استفاده می شوند و برای کارکنان مراکز محاسباتی دپارتمان، منطقه ای و منطقه ای استفاده می شوند.

کامپیوترهای متوسطبه طور گسترده برای کنترل فرآیندهای تولید تکنولوژیکی پیچیده استفاده می شود.

مینی کامپیوترطراحی شده برای استفاده به عنوان کنترل سیستم های کامپیوتری و سرورهای شبکه.

میکرو کامپیوتر- اینها کامپیوترهایی هستند که از یک ریزپردازنده به عنوان واحد پردازش مرکزی استفاده می کنند. اینها شامل ریز کامپیوترهای داخلی (ساخته شده در تجهیزات، تجهیزات یا دستگاه های مختلف) و رایانه های شخصی (PC) می شوند.

کامپیوترهای شخصی.در 20 سال گذشته به سرعت توسعه یافته است. رایانه شخصی (PC) برای خدمت به یک ایستگاه کاری طراحی شده است و می تواند نیازهای مشاغل کوچک و افراد را برآورده کند. با ظهور اینترنت، محبوبیت رایانه های شخصی به طور قابل توجهی افزایش یافته است، زیرا با استفاده از رایانه شخصی می توانید از اطلاعات علمی، مرجع، آموزشی و سرگرمی استفاده کنید.

رایانه های شخصی شامل رایانه های شخصی رومیزی و لپ تاپ است. کامپیوترهای قابل حمل شامل Notebook (notepad یا نوت بوک) و کامپیوترهای شخصی جیبی (Personal Computers Handheld - Handheld PC، Personal Digital Assistant - PDA و Palmtop).

کامپیوترهای جاسازی شدهرایانه هایی که در دستگاه ها، سیستم ها و مجتمع های مختلف برای اجرای عملکردهای خاص استفاده می شوند. به عنوان مثال، عیب یابی خودرو.

از سال 1999، یک استاندارد گواهینامه بین المللی، مشخصات PC99، برای طبقه بندی رایانه های شخصی استفاده شده است. بر اساس این مشخصات، رایانه های شخصی به گروه های زیر تقسیم می شوند:

· رایانه های شخصی انبوه (رایانه شخصی مصرف کننده).

· رایانه های شخصی تجاری (کامپیوتر اداری)؛

· رایانه های شخصی قابل حمل (موبایل رایانه شخصی).

· ایستگاه های کاری (WorkStation).

· رایانه های شخصی سرگرمی (Entertaiment PC).

اکثر رایانه های شخصی هستند عظیمو شامل مجموعه ای استاندارد (حداقل مورد نیاز) از سخت افزار باشد. این مجموعه شامل: واحد سیستم، صفحه نمایش، صفحه کلید، ماوس می باشد. در صورت لزوم، این مجموعه را می توان به راحتی به درخواست کاربر با دستگاه های دیگر، به عنوان مثال، چاپگر تکمیل کرد.

رایانه های شخصی تجاریشامل حداقل ابزارهای گرافیکی و بازتولید صدا.

رایانه های شخصی لپ تاپدر وجود وسایل ارتباطی دسترسی از راه دور متفاوت است.

ایستگاه های کارینیازهای افزایش یافته برای ظرفیت حافظه دستگاه های ذخیره سازی داده را برآورده می کند.

رایانه های شخصی سرگرمیتمرکز بر گرافیک با کیفیت بالا و تولید صدا.

توسط ویژگی های طراحی رایانه های شخصی به دو دسته تقسیم می شوند:

· ثابت (رومیزی، رومیزی)؛

قابل حمل:

· قابل حمل (لپ تاپ)؛

· نوت بوک؛

· جیب (Palmtop).

برای مطالعه موثر فناوری کامپیوتری کاربردی، داشتن درک روشنی از سخت افزار و نرم افزار کامپیوتر بسیار مهم است. ترکیب فناوری رایانه نامیده می شود پیکربندی . سخت افزار و نرم افزارفناوری رایانه معمولاً به طور جداگانه در نظر گرفته می شود. بر این اساس، آنها را جداگانه در نظر می گیرند پیکربندی سخت افزاری و آنها نرم افزار پیکربندی این اصل جداسازی از اهمیت ویژه‌ای برای علوم کامپیوتر برخوردار است، زیرا اغلب راه‌حل‌های یکسانی می‌تواند توسط سخت‌افزار و نرم‌افزار ارائه شود. معیار انتخاب راه حل سخت افزاری یا نرم افزاری، کارایی و کارایی است. به عنوان مثال، متن را در یک ویرایشگر متن تایپ کنید یا از یک اسکنر استفاده کنید.

پیکربندی سخت افزاری اصلی یک کامپیوتر شخصی

کامپیوتر شخصی - جهانی سیستم فنی. خود پیکربندی (ترکیب تجهیزات) را می توان به صورت انعطاف پذیر در صورت نیاز تغییر داد. با این حال، یک مفهوم وجود دارد پیکربندی اولیه ، که معمولی در نظر گرفته می شود، i.e. حداقل مجموعه تجهیزات کامپیوتر معمولا با این کیت همراه است. مفهوم یک پیکربندی اولیه ممکن است متفاوت باشد. در حال حاضر در پیکربندی اولیه در نظر گرفته شده است دستگاه های زیر(شکل 2.1.):

بیایید نگاهی به قطعات آن بیندازیم.

به اصلی وسایل فنیکامپیوتر شخصی شامل:

- واحد سیستم؛

- مانیتور (نمایشگر);

- صفحه کلید

علاوه بر این، می توانید به رایانه خود متصل شوید، به عنوان مثال:

- چاپگر؛

- ماوس؛

- اسکنر;

- مودم (مدولاتور-دمدولاتور)؛

- پلاتر؛

- جوی استیک و غیره

واحد سیستم

واحد سیستم واحد اصلی است که مهمترین اجزا در آن نصب می شوند. واحد سیستم (نگاه کنید به شکل 2.2.، 2.3.) موردی است که تقریباً تمام سخت افزار رایانه در آن قرار دارد.

دستگاه های واقع در داخل واحد سیستم نامیده می شوند درونی؛ داخلی، و دستگاه های متصل به آن به صورت خارجی نامیده می شوند خارجی خارجی دستگاه های اضافی، همچنین به نام پیرامونی.

سازمان داخلیواحد سیستم:

· مادربرد؛

· HDD:

· درایو فلاپی دیسک.

· دستگاه پخش سی دی؛

· کارت گرافیک (آداپتور ویدئو)؛

· کارت صدا؛

· واحد قدرت.

سیستم های واقع در مادربرد:

· رم؛

· پردازنده؛

· چیپ رام و سیستم بایوس.

· رابط های اتوبوس و غیره

دیسک های مغناطیسی بر خلاف رم برای ذخیره سازی دائمی اطلاعات طراحی شده اند.

دو نوع دیسک مغناطیسی مورد استفاده در رایانه های شخصی وجود دارد:

· هارد دیسک غیر قابل جابجایی (هارد دیسک).

· دیسک های قابل جابجایی و قابل انعطاف (فلاپی دیسک).

هارد دیسک برای ذخیره دائمی اطلاعاتی طراحی شده است که کم و بیش در کار استفاده می شود: برنامه های سیستم عامل، کامپایلرهای زبان های برنامه نویسی، برنامه های سرویس (نگهداری)، برنامه های کاربردی کاربر، اسناد متنی، فایل های پایگاه داده و ... هارد دیسک از نظر سرعت دسترسی، ظرفیت و قابلیت اطمینان به طور قابل توجهی نسبت به فلاپی دیسک برتری دارد.

3. فن آوری کامپیوتر 1

3.1 تاریخچه توسعه فناوری رایانه 1

3.2 روش های طبقه بندی رایانه ها 3

3.3 انواع دیگر طبقه بندی کامپیوتری 5

3.4 ترکیب سیستم محاسباتی 7

3.4.1 سخت افزار 7

3.4.2 نرم افزار 7

3.5 طبقه بندی نرم افزارهای کاربردی 9

3.6 طبقه بندی نرم افزارهای کاربردی 12

3.7 مفهوم اطلاعات و پشتیبانی ریاضی برای سیستم های کامپیوتری 13

3.8 جمع بندی 13

1. مهندسی رایانه

   1. تاریخچه توسعه فناوری کامپیوتر

سیستم محاسباتی، کامپیوتر

یافتن وسایل و روش های مکانیزه و اتوماسیون کار یکی از وظایف اصلی رشته های فنی است. اتوماسیون کار با داده ها ویژگی ها و تفاوت های خاص خود را با اتوماسیون انواع دیگر کارها دارد. برای این دسته از وظایف، از انواع خاصی از دستگاه ها استفاده می شود که بیشتر آنها دستگاه های الکترونیکی هستند. مجموعه ای از دستگاه های طراحی شده برای پردازش خودکار یا خودکار داده ها نامیده می شود فناوری رایانه،مجموعه خاصی از دستگاه ها و برنامه های تعاملی که برای خدمت به یک منطقه کاری طراحی شده اند نامیده می شود سیستم محاسباتیدستگاه مرکزی اکثر سیستم های محاسباتی است کامپیوتر.

کامپیوتر یک دستگاه الکترونیکی است که برای خودکارسازی ایجاد، ذخیره سازی، پردازش و حمل و نقل داده ها طراحی شده است.

کامپیوتر چگونه کار می کند

در تعریف رایانه به عنوان یک دستگاه، ویژگی تعریف را نشان دادیم - الکترونیکی.با این حال، محاسبات خودکار همیشه توسط دستگاه های الکترونیکی انجام نمی شد. دستگاه های مکانیکی نیز شناخته شده اند که می توانند محاسبات را به صورت خودکار انجام دهند.

در حال تجزیه و تحلیل تاریخ اولیهبرخی از محققان خارجی اغلب یک دستگاه محاسبه مکانیکی را پیشینی باستانی کامپیوتر می نامند که فناوری کامپیوتر چرتکهرویکرد "از چرتکه" نشان دهنده یک تصور غلط روش شناختی عمیق است، زیرا چرتکه دارای خاصیت انجام محاسبات خودکار نیست، اما برای یک کامپیوتر تعیین کننده است.

چرتکه اولین وسیله شمارش مکانیکی است که در اصل یک صفحه سفالی با شیارهایی است که در آن سنگ هایی به نمایندگی از اعداد قرار داده شده است. ظهور چرتکه به هزاره چهارم قبل از میلاد برمی گردد. ه. مبدأ را آسیا می دانند. در قرون وسطی در اروپا، چرتکه با جداول نموداری جایگزین شد. محاسبات با استفاده از آنها نامیده شد شمارش روی خطوط، ودر روسیه در قرون 16-17 اختراع بسیار پیشرفته تری ظاهر شد که هنوز هم استفاده می شود - چرتکه روسی.

در عین حال، ما با دستگاه دیگری که می تواند به طور خودکار محاسبات را انجام دهد بسیار آشنا هستیم - ساعت. صرف نظر از اصل عملکرد، انواع ساعت ها (سندساعت، ساعت آبی، مکانیکی، الکتریکی، الکترونیکی و ...) این قابلیت را دارند که حرکات یا سیگنال هایی را در فواصل زمانی معین ایجاد کنند و تغییرات حاصل را ثبت کنند، یعنی جمع بندی خودکار سیگنال ها را انجام دهند. یا حرکات این اصل را می توان حتی در ساعت های آفتابی که فقط حاوی یک دستگاه ضبط هستند مشاهده کرد (نقش یک ژنراتور توسط سیستم زمین-خورشید انجام می شود).

ساعت مکانیکی وسیله ای است متشکل از دستگاهی که به طور خودکار حرکات را در فواصل مشخص مشخص انجام می دهد و دستگاهی برای ثبت این حرکات. مکانی که اولین ساعت های مکانیکی ظاهر شدند ناشناخته است. قدیمی ترین نمونه ها به قرن چهاردهم برمی گردد و متعلق به صومعه ها است (ساعت برج).

در قلب هر کامپیوتر مدرن، همانطور که در ساعت الکترونیکی، دروغ مولد ساعت،تولید سیگنال های الکتریکی در فواصل زمانی معین که برای هدایت تمام دستگاه ها در یک سیستم کامپیوتری استفاده می شود. کنترل یک کامپیوتر در واقع به مدیریت توزیع سیگنال ها بین دستگاه ها خلاصه می شود. چنین کنترلی می تواند به طور خودکار انجام شود (در این مورد ما از آن صحبت می کنیم کنترل برنامه)یا به صورت دستی با استفاده از کنترل های خارجی - دکمه ها، سوئیچ ها، جامپرها و غیره (در مدل های اولیه). در رایانه های مدرن، کنترل خارجی تا حد زیادی با استفاده از رابط های سخت افزاری-منطقی ویژه ای که دستگاه های کنترل و ورودی داده (صفحه کلید، ماوس، جوی استیک و غیره) به آن متصل هستند، خودکار می شود. در مقابل کنترل برنامه، چنین کنترلی نامیده می شود در ارتباط بودن.

منابع مکانیکی

اولین دستگاه اتوماتیک جهان برای انجام عملیات اضافه بر اساس ساعت مکانیکی ساخته شد. در سال 1623 توسط ویلهلم شیکارد، استاد گروه زبان های شرقی در دانشگاه توبینگن (آلمان) توسعه یافت. امروزه مدل کاری دستگاه از روی نقشه ها تکثیر شده و کارایی آن را تایید کرده است. خود مخترع در نامه های خود این دستگاه را "ساعت جمع بندی" نامیده است.

در سال 1642، مکانیک فرانسوی بلز پاسکال (1623-1662) یک دستگاه جمع و جورتر اضافه کرد که به اولین ماشین حساب مکانیکی تولید انبوه جهان تبدیل شد (عمدتاً برای نیازهای وام دهندگان و صرافان پاریسی). در سال 1673، ریاضی دان و فیلسوف آلمانی G. W. Leibniz (1646-1717) یک ماشین حساب مکانیکی ایجاد کرد که می توانست عملیات ضرب و تقسیم را با تکرار مکرر عملیات جمع و تفریق انجام دهد.

در طول قرن هجدهم که به عنوان عصر روشنگری شناخته می شود، مدل های جدید و پیشرفته تری ظاهر شدند، اما اصل کنترل مکانیکی عملیات محاسباتی ثابت ماند. ایده برنامه نویسی عملیات محاسباتی از همان صنعت ساعت نشات گرفت. ساعت برج صومعه باستانی قرار بود مکانیزمی را روشن کند که در یک زمان معین به سیستمی از زنگ ها متصل است. چنین برنامه نویسی بود سخت است -همان عمل در همان زمان انجام شد.

ایده برنامه‌ریزی انعطاف‌پذیر دستگاه‌های مکانیکی با استفاده از نوار کاغذی سوراخ‌دار برای اولین بار در سال 1804 در ماشین بافندگی ژاکارد محقق شد و پس از آن تنها یک مرحله بود. کنترل برنامهعملیات محاسباتی

این گام توسط ریاضیدان و مخترع برجسته انگلیسی چارلز بابیج (1792-1871) در موتور تحلیلی خود برداشته شد، که متأسفانه هرگز توسط مخترع در طول زندگی خود به طور کامل ساخته نشد، اما در روزهای ما مطابق نقشه های او تکثیر شد. که امروز ما حق داریم در مورد موتور تحلیلی به عنوان یک دستگاه واقعا موجود صحبت کنیم. ویژگی خاص موتور تحلیلی این بود که برای اولین بار آن را پیاده سازی کرد اصل تقسیم اطلاعات به دستورات و داده ها.موتور تحلیلی شامل دو واحد بزرگ - یک "انبار" و یک "آسیاب" بود. داده ها با نصب بلوک های چرخ دنده به حافظه مکانیکی "انبار" وارد شده و سپس با استفاده از دستورات وارد شده از کارت های سوراخ دار (مانند ماشین بافندگی ژاکارد) در "میل" پردازش می شوند.

محققان کار چارلز بابیج مطمئناً به نقش ویژه کنتس آگوستا آدا لاولیس (1815-1852)، دختر شاعر مشهور لرد بایرون، در توسعه پروژه موتور تحلیلی اشاره می کنند. این او بود که ایده استفاده از کارت های سوراخ دار برای برنامه نویسی عملیات محاسباتی را مطرح کرد (1843). به ویژه، در یکی از نامه های خود نوشت: «موتور تحلیلی الگوهای جبری را به همان شیوه ای می بافد که ماشین بافندگی گل ها و برگ ها را بازتولید می کند». لیدی آدا را به حق می توان اولین برنامه نویس جهان نامید. امروزه یکی از زبان های برنامه نویسی معروف به نام او نامگذاری شده است.

ایده چارلز بابیج در مورد بررسی جداگانه تیم هاو داده هامعلوم شد که به طور غیرعادی مثمر ثمر است. در قرن بیستم در اصول جان فون نویمان (1941) و امروزه در محاسبه اصل در نظر گرفتن جداگانه توسعه یافت. برنامه هاو داده هاخیلی مهم است. هم هنگام توسعه معماری رایانه های مدرن و هم هنگام توسعه برنامه های رایانه ای مورد توجه قرار می گیرد.

منابع ریاضی

اگر به این فکر کنیم که اولین پیشینیان مکانیکی کامپیوترهای الکترونیکی مدرن با چه اشیایی کار می کردند، باید بپذیریم که اعداد یا به صورت حرکات خطی مکانیسم های زنجیره ای و قفسه ای یا به شکل حرکات زاویه ای مکانیزم های دنده و اهرم نمایش داده می شدند. . در هر دو مورد این حرکاتی بود که نمی‌توانست بر ابعاد دستگاه‌ها و سرعت عملکرد آنها تأثیر بگذارد. تنها انتقال از حرکات ضبط به سیگنال های ضبط باعث کاهش قابل توجه ابعاد و افزایش عملکرد شد. اما در راه رسیدن به این دستاورد لازم بود چندین اصل و مفهوم مهم دیگر معرفی شود.

سیستم باینری لایب نیتسدر دستگاه های مکانیکی، چرخ دنده ها می توانند مقدار زیادی ثابت و مهمتر از همه، تفاوت بینمقررات را تشکیل می دهند. تعداد چنین موقعیت هایی حداقل برابر با تعداد دندانه های چرخ دنده است. در برق و لوازم برقی ما در موردنه در مورد ثبت نام مفادعناصر ساختاری، و در مورد ثبت نام ایالت هاعناصر دستگاه خیلی پایدار و قابل تشخیصفقط دو حالت وجود دارد: روشن - خاموش. باز - بسته؛ شارژ - تخلیه شده و غیره. بنابراین، سیستم اعشاری سنتی مورد استفاده در ماشین حساب های مکانیکی برای دستگاه های محاسباتی الکترونیکی ناخوشایند است.

امکان نمایش هر اعداد (و نه تنها اعداد) با ارقام دودویی برای اولین بار توسط گوتفرید ویلهلم لایبنیتس در سال 1666 پیشنهاد شد. او در حین تحقیق در مورد مفهوم فلسفی وحدت و مبارزه اضداد به سیستم اعداد باینری رسید. تلاش برای تصور جهان در قالب تعامل مداوم دو اصل (سیاه و سفید، زن و مرد، خیر و شر) و به کار بردن روش‌های ریاضیات ناب در مطالعه آن، لایب نیتس را به مطالعه واداشت. ویژگی های نمایش باینری داده ها باید گفت که لایب نیتس قبلاً به امکان استفاده از یک سیستم باینری در یک دستگاه محاسباتی فکر کرده بود، اما از آنجایی که برای دستگاه های مکانیکی نیازی به این کار نبود، او از اصول سیستم باینری در ماشین حساب خود استفاده نکرد (1673). .

منطق ریاضی جورج بول،با صحبت در مورد کار جورج بول ، محققان تاریخ فناوری رایانه مطمئناً تأکید می کنند که این دانشمند برجسته انگلیسی نیمه اول قرن نوزدهم خودآموخته بود. شاید دقیقاً به دلیل فقدان آموزش «کلاسیک» (که در آن زمان فهمیده می شد) بود که جورج بول تغییرات انقلابی را در منطق به عنوان یک علم معرفی کرد.

او در حین مطالعه قوانین تفکر، سیستمی از نمادهای رسمی و قواعد در منطق را به کار برد که نزدیک به سیستم ریاضی بود. متعاقبا این سیستم جبر منطقی نامیده می شودیا جبر بولی.قوانین این سیستم برای طیف گسترده ای از اشیا و گروه های آنها قابل اجرا است (مجموعه ها،با توجه به اصطلاحات نویسنده). هدف اصلی سیستم، همانطور که توسط J. Boole تصور شد، رمزگذاری گزاره های منطقی و کاهش ساختار نتیجه گیری های منطقی به عبارات ساده نزدیک به فرمول های ریاضی بود. نتیجه ارزیابی رسمی یک عبارت منطقی یکی از دو مقدار منطقی است: درست است، واقعییا دروغ.

اهمیت جبر منطقی برای مدت طولانی نادیده گرفته شد، زیرا تکنیک ها و روش های آن دارای مزایای عملی برای علم و فناوری آن زمان نبود. با این حال، هنگامی که امکان اساسی ایجاد فناوری رایانه بر مبنای الکترونیکی به وجود آمد، عملیات معرفی شده توسط Boole بسیار مفید بود. آنها در ابتدا فقط بر روی کار با دو نهاد متمرکز هستند: درست است، واقعیو دروغ.درک اینکه چگونه آنها برای کار با کد باینری مفید هستند، که در رایانه های مدرن نیز تنها با دو سیگنال نشان داده می شود، دشوار نیست: صفرو واحد.

نه همه سیستم جورج بول (و نه همه عملیات منطقی پیشنهادی او) برای ایجاد رایانه های الکترونیکی استفاده شد، بلکه از چهار عملیات اصلی استفاده شد: و (تقاطع)،یا (اتحاد. اتصال)،نه (درخواست)و EXCLUSIVE OR - اساس عملکرد انواع پردازنده ها در رایانه های مدرن را تشکیل می دهد.

برنج. 3.1. عملیات اساسی جبر منطقی

طبقه بندی تجهیزات کامپیوتری

1. سخت افزار

ترکیب یک سیستم محاسباتی را پیکربندی می گویند. سخت افزار و نرم افزار کامپیوتر معمولا به صورت جداگانه در نظر گرفته می شوند. بر این اساس، پیکربندی سخت افزاری سیستم های محاسباتی و پیکربندی نرم افزاری آنها به صورت جداگانه در نظر گرفته می شود. این اصل جداسازی از اهمیت ویژه‌ای برای علوم کامپیوتر برخوردار است، زیرا اغلب راه‌حل‌های یکسانی می‌تواند توسط سخت‌افزار و نرم‌افزار ارائه شود. معیار انتخاب راه حل سخت افزاری یا نرم افزاری، کارایی و کارایی است. به طور کلی پذیرفته شده است که راه حل های سخت افزاری به طور متوسط ​​گران تر هستند، اما پیاده سازی راه حل های نرم افزاریبه پرسنل با مهارت بیشتری نیاز دارد.

به سخت افزارسیستم های محاسباتی شامل دستگاه ها و ابزارهایی هستند که یک پیکربندی سخت افزاری را تشکیل می دهند. کامپیوترهای مدرنو سیستم های محاسباتی دارای طراحی بلوک مدولار هستند - پیکربندی سخت افزاری لازم برای اجرا انواع خاصکار، که می تواند از واحدها و بلوک های آماده مونتاژ شود.

اجزای اصلی سخت افزار یک سیستم محاسباتی عبارتند از: حافظه، پردازنده مرکزی و دستگاه های جانبی که توسط یک گذرگاه سیستم به هم متصل می شوند (شکل 1.) حافظه اصلی برای ذخیره برنامه ها و داده ها به صورت باینری طراحی شده و به شکل سازماندهی شده است. از یک آرایه مرتب از سلول ها، که هر کدام دارای آدرس دیجیتال منحصر به فرد هستند. به طور معمول، اندازه سلول 1 بایت است. عملیات معمولی روی حافظه اصلی: خواندن و نوشتن محتویات یک سلول با یک آدرس خاص.

2. پردازنده مرکزی

واحد پردازش مرکزی، واحد مرکزی کامپیوتر است که عملیات پردازش داده ها را انجام می دهد و دستگاه های جانبی کامپیوتر را کنترل می کند. پردازنده مرکزی شامل:

دستگاه کنترل - فرآیند اجرای برنامه را سازماندهی می کند و تعامل همه دستگاه های سیستم کامپیوتری را در طول عملیات آن هماهنگ می کند.

واحد حسابی-منطقی - عملیات حسابی و منطقی را روی داده ها انجام می دهد: جمع، تفریق، ضرب، تقسیم، مقایسه و غیره.

دستگاه ذخیره سازی - است حافظه داخلیپردازنده، که از رجیسترها تشکیل شده است، هنگام استفاده، پردازشگر محاسبات را انجام می دهد و نتایج میانی را ذخیره می کند. برای سرعت بخشیدن به کار با RAM، از حافظه کش استفاده می شود، که در آن دستورات و داده های RAM لازم برای پردازشگر برای عملیات بعدی پمپ می شود.

مولد ساعت - تکانه های الکتریکی تولید می کند که عملکرد تمام گره های رایانه را همگام می کند.

پردازنده مرکزی عملیات مختلفی را با داده ها با استفاده از سلول های تخصصی برای ذخیره متغیرهای کلیدی و نتایج موقت - ثبت های داخلی انجام می دهد. رجیسترها به دو نوع تقسیم می شوند (شکل 2):

رجیسترهای هدف عمومی - برای ذخیره موقت متغیرهای کلیدی محلی و نتایج میانی محاسبات استفاده می شود، شامل ثبت داده ها و ثبات های اشاره گر. عملکرد اصلی ارائه است دسترسی سریعبه داده های پرکاربرد (معمولاً بدون دسترسی به حافظه).

ثبات های تخصصی - برای کنترل عملکرد پردازنده استفاده می شود که مهمترین آنها عبارتند از: ثبات دستورالعمل، نشانگر پشته، ثبات پرچم ها و ثبات حاوی اطلاعاتی در مورد وضعیت برنامه.

برنامه نویس می تواند به صلاحدید خود از ثبت داده ها برای ذخیره موقت هر شی (داده یا آدرس) و انجام عملیات مورد نیاز بر روی آنها استفاده کند. رجیسترهای شاخص، مانند ثبت داده ها، به هر طریقی قابل استفاده هستند. هدف اصلی آنها ذخیره اندیس ها یا آفست داده ها و دستورالعمل ها از ابتدای آدرس پایه (هنگام واکشی عملوندها از حافظه) است. آدرس پایه ممکن است در ثبات های پایه باشد.

ثبات های بخش یک عنصر حیاتی در معماری پردازنده هستند که آدرس دهی فضای آدرس 20 بیتی را با استفاده از عملوندهای 16 بیتی ارائه می دهند. ثبت بخش های اصلی: CS - ثبت بخش کد. DS - ثبت بخش داده؛ SS ثبات بخش پشته است، ES ثبت بخش اضافی است. حافظه از طریق بخش‌ها قابل دسترسی است - شکل‌های منطقی که روی هر بخشی از فضای آدرس فیزیکی قرار گرفته‌اند. آدرس شروع بخش، تقسیم بر 16 (بدون کمترین رقم هگزادسیمال) در یکی از ثبات های بخش وارد می شود. پس از آن دسترسی به بخش حافظه که از آدرس قطعه مشخص شده شروع می شود فراهم می شود.

آدرس هر سلول حافظه از دو کلمه تشکیل شده است که یکی از آنها مکان قسمت مربوطه را در حافظه تعیین می کند و دیگری - افست در این بخش. اندازه یک بخش بر اساس مقدار داده ای که دارد تعیین می شود، اما هرگز نمی تواند از 64 کیلوبایت تجاوز کند که با حداکثر مقدار افست ممکن تعیین می شود. آدرس سگمنت بخش دستورالعمل در رجیستر CS ذخیره می شود و آفست به بایت آدرس دهی شده در ثبات اشاره گر دستورالعمل IP ذخیره می شود.

شکل 2. رجیسترهای پردازنده 32 بیتی

پس از بارگذاری برنامه، افست اولین دستور برنامه وارد IP می شود. پردازنده با خواندن آن از حافظه، محتویات IP را دقیقاً با طول این دستورالعمل افزایش می دهد (دستورالعمل های پردازنده اینتل می تواند 1 تا 6 بایت طول داشته باشد) در نتیجه IP به دستورالعمل دوم برنامه اشاره می کند. . پس از اجرای دستور اول، پردازنده دستور دوم را از حافظه می خواند و دوباره مقدار IP را افزایش می دهد. در نتیجه، IP همیشه حاوی offset دستور بعدی است - دستوری که بعد از دستور اجرا شده است. الگوریتم توصیف شده تنها هنگام اجرای دستورالعمل های پرش، فراخوانی های زیر روال و سرویس وقفه نقض می شود.

آدرس بخش بخش داده در رجیستر DS ذخیره می شود، آفست ممکن است در یکی از ثبات های عمومی باشد. ثبت بخش اضافی ES برای دسترسی به فیلدهای داده ای که در برنامه گنجانده نشده اند، مانند بافر ویدئو یا سلول های سیستم استفاده می شود. با این حال، در صورت لزوم، می توان آن را برای یکی از بخش های برنامه پیکربندی کرد. به عنوان مثال، اگر برنامه ای با حجم زیادی از داده کار می کند، می توانید دو سگمنت برای آنها تهیه کنید و از طریق رجیستر DS به یکی از آنها و از طریق رجیستر ES به دیگری دسترسی پیدا کنید.

ثبات نشانگر پشته SP به عنوان یک اشاره گر به بالای پشته استفاده می شود. پشته یک منطقه برنامه برای ذخیره موقت داده های دلخواه است. راحتی پشته در این است که از ناحیه آن به طور مکرر استفاده می شود و ذخیره داده ها در پشته و بازیابی آن از آنجا با استفاده از دستورات push و pop بدون تعیین نام انجام می شود. پشته به طور سنتی برای ذخیره محتویات ثبات های مورد استفاده توسط یک برنامه قبل از فراخوانی یک برنامه فرعی استفاده می شود که به نوبه خود از ثبات های پردازنده برای اهداف خود استفاده می کند. محتویات اصلی رجیسترها پس از بازگشت زیرروال از پشته بیرون می‌آیند. یکی دیگر از تکنیک های رایج این است که پارامترهای مورد نیاز خود را از طریق پشته به یک زیر روال ارسال کنید. زیر روال با دانستن اینکه پارامترها به چه ترتیبی روی پشته قرار می گیرند، می تواند آنها را از آنجا گرفته و در طول اجرای خود از آنها استفاده کند.

یکی از ویژگی‌های متمایز پشته، ترتیب منحصربه‌فردی است که در آن داده‌های موجود در آن بازیابی می‌شوند: در هر زمان معین، فقط عنصر بالایی در پشته موجود است، یعنی عنصری که آخرین بار روی پشته بارگذاری شده است. بیرون زدن عنصر بالایی از پشته، عنصر بعدی را در دسترس قرار می دهد. عناصر پشته در ناحیه حافظه اختصاص داده شده برای پشته قرار دارند و از پایین پشته (در حداکثر آدرس آن) در آدرس های متوالی کاهش می یابند. آدرس عنصر بالا و قابل دسترس در ثبات نشانگر پشته SP ذخیره می شود.

رجیسترهای ویژه فقط در حالت ممتاز در دسترس هستند و توسط سیستم عامل استفاده می شوند. آنها بلوک های کش مختلف، حافظه اصلی، دستگاه های ورودی/خروجی و سایر دستگاه های موجود در سیستم محاسباتی را کنترل می کنند.

یک ثبت وجود دارد که در هر دو حالت ممتاز و کاربری قابل دسترسی است. این رجیستر PSW (Program State Word) است که به آن ثبت پرچم می گویند. ثبت پرچم حاوی بیت های مختلفی است که پردازنده مرکزی مورد نیاز است که مهمترین آنها کدهای شرطی هستند که در مقایسه ها و پرش های شرطی استفاده می شوند و در هر چرخه واحد حسابی - منطقی پردازنده تنظیم می شوند و وضعیت نتیجه قبلی را منعکس می کنند. عمل. محتویات ثبت پرچم به نوع سیستم محاسباتی بستگی دارد و ممکن است شامل فیلدهای اضافی باشد که نشان می دهد: حالت ماشین (به عنوان مثال، کاربر یا دارای امتیاز). بیت ردیابی (که برای اشکال زدایی استفاده می شود)؛ سطح اولویت پردازنده؛ وضعیت فعال کردن وقفه ثبت پرچم معمولاً در حالت کاربر خوانده می شود، اما برخی از فیلدها را فقط می توان در حالت ممتاز نوشت (مثلاً بیتی که حالت را نشان می دهد).

رجیستر اشاره گر فرمان حاوی آدرس دستور بعدی در صف اجراست. پس از انتخاب یک دستورالعمل از حافظه، رجیستر دستورالعمل تنظیم می شود و اشاره گر به دستور بعدی می رود. نشانگر دستورالعمل پیشرفت اجرای برنامه را نظارت می کند و در هر لحظه آدرس نسبی دستوری را که بعد از دستور اجرا شده نشان می دهد، نشان می دهد. ثبت نام از نظر برنامه نویسی قابل دسترسی نیست. افزایش آدرس در آن با در نظر گرفتن طول دستورالعمل جاری توسط ریزپردازنده انجام می شود. دستورات پرش، وقفه، فراخوانی زیربرنامه ها و بازگشت از آنها، محتویات اشاره گر را تغییر می دهد و در نتیجه به نقاط مورد نیاز برنامه انتقال می یابد.

رجیستر انباشته کننده در اکثر دستورالعمل ها استفاده می شود. دستورات پرکاربرد با استفاده از این رجیستر فرمت کوتاه شده دارند.

برای پردازش اطلاعات، داده ها معمولاً از سلول های حافظه به رجیسترهای همه منظوره منتقل می شوند و عملیاتی را انجام می دهند پردازنده مرکزیو انتقال نتایج به حافظه اصلی برنامه ها به عنوان دنباله ای از دستورالعمل های ماشین ذخیره می شوند که باید توسط پردازنده مرکزی اجرا شوند. هر فرمان شامل یک فیلد عملیات و فیلدهای عملوند - داده هایی است که عملیات بر روی آنها انجام می شود. مجموعه ای از دستورالعمل های ماشین را زبان ماشین می نامند. برنامه ها به صورت زیر اجرا می شوند. دستورالعمل ماشینی که توسط شمارنده برنامه به آن اشاره می شود از حافظه خوانده می شود و در ثبات دستورالعمل کپی می شود و در آنجا رمزگشایی می شود و سپس اجرا می شود. پس از اجرای آن، شمارنده برنامه به دستور بعدی و غیره اشاره می کند. به این اعمال چرخه ماشینی می گویند.

اکثر پردازنده های مرکزی دارای دو حالت عملیاتی هستند: حالت هسته و حالت کاربر که با بیتی در کلمه وضعیت پردازنده ( ثبت پرچم) مشخص می شود. اگر پردازنده در حالت هسته اجرا شود، می تواند تمام دستورالعمل های مجموعه دستورالعمل را اجرا کند و از تمام قابلیت های سخت افزار استفاده کند. سیستم عامل در حالت هسته اجرا می شود و دسترسی به تمام سخت افزارها را فراهم می کند. برنامه‌های کاربر در حالت کاربر اجرا می‌شوند که اجرای بسیاری از دستورات را امکان‌پذیر می‌کند اما تنها بخشی از سخت‌افزار را در دسترس قرار می‌دهد.

برای برقراری ارتباط با سیستم عامل، یک برنامه کاربر باید یک فراخوانی سیستمی صادر کند که وارد حالت هسته می شود و عملکردهای سیستم عامل را فعال می کند. فرمان تله (وقفه شبیه سازی شده) حالت عملکرد پردازنده را از حالت کاربر به حالت هسته تغییر می دهد و کنترل را به سیستم عامل منتقل می کند. پس از اتمام کار، کنترل به برنامه کاربر، به دستور زیر فراخوانی سیستم باز می گردد.

در رایانه‌ها، علاوه بر دستورالعمل‌های اجرای تماس‌های سیستمی، وقفه‌هایی وجود دارد که توسط سخت‌افزار برای هشدار در مورد موقعیت‌های استثنایی، مانند تلاش برای تقسیم بر صفر یا سرریز ممیز شناور، فراخوانی می‌شوند. در تمام این موارد، کنترل به سیستم عامل منتقل می شود، که باید تصمیم بگیرد که چه کاری انجام دهد. گاهی اوقات لازم است برنامه را با یک پیام خطا خاتمه دهید، گاهی اوقات می توانید آن را نادیده بگیرید (مثلاً اگر یک عدد اهمیت خود را از دست بدهد، می توان آن را روی صفر تنظیم کرد) یا کنترل را به خود برنامه منتقل کنید تا انواع خاصی از شرایط را مدیریت کند.

بر اساس آرایش دستگاه ها نسبت به پردازنده مرکزی، دستگاه های داخلی و خارجی متمایز می شوند. خارجی، به عنوان یک قاعده، بیشتر دستگاه های ورودی/خروجی (که دستگاه های جانبی نیز نامیده می شوند) و برخی از دستگاه هایی هستند که برای ذخیره سازی طولانی مدت داده ها طراحی شده اند.

هماهنگی بین گره‌ها و بلوک‌ها با استفاده از ابزارهای سخت‌افزاری-منطقی انتقالی به نام رابط‌های سخت‌افزاری انجام می‌شود. استانداردهای رابط های سخت افزاری در محاسبات، پروتکل نامیده می شوند - مجموعه ای از شرایط فنی که باید توسط توسعه دهندگان دستگاه برای هماهنگی موفقیت آمیز عملکرد آنها با سایر دستگاه ها فراهم شود.

رابط های متعدد موجود در معماری هر سیستم محاسباتی را می توان به دو گروه بزرگ تقسیم کرد: سریال و موازی. از طریق یک رابط سریال، داده ها به صورت متوالی، بیت به بیت و از طریق یک رابط موازی - به طور همزمان در گروه های بیت منتقل می شوند. تعداد بیت های درگیر در یک پیام با عرض رابط تعیین می شود؛ به عنوان مثال، رابط های موازی هشت بیتی یک بایت (8 بیت) را در هر چرخه ارسال می کنند.

رابط های موازی معمولاً پیچیده تر از رابط های سریال هستند، اما عملکرد بالاتری ارائه می دهند. آنها در جایی استفاده می شوند که سرعت انتقال داده مهم است: برای اتصال دستگاه های چاپ، دستگاه های ورودی گرافیکی، دستگاه هایی برای ضبط داده ها در رسانه های خارجی و غیره. عملکرد رابط های موازی بر حسب بایت در ثانیه (بایت/ثانیه؛ کیلوبایت بر ثانیه؛ مگابایت بر ثانیه) اندازه گیری می شود.

دستگاه رابط های سریالآسان تر؛ به عنوان یک قاعده، آنها نیازی به همگام سازی عملکرد دستگاه های فرستنده و گیرنده ندارند (بنابراین آنها اغلب رابط های ناهمزمان نامیده می شوند)، اما توان عملیاتی آنها کمتر است و ضریب اقدام مفیدزیر از آنجایی که تبادل داده از طریق دستگاه های سریال نه با بایت، بلکه توسط بیت انجام می شود، عملکرد آنها بر حسب بیت در ثانیه (bps، Kbps، Mbps) اندازه گیری می شود. علیرغم سادگی ظاهری تبدیل واحدهای سرعت انتقال سریال به واحدهای سرعت انتقال داده موازی با تقسیم مکانیکی بر 8، چنین تبدیلی انجام نمی شود زیرا به دلیل وجود داده های سرویس صحیح نیست. به عنوان آخرین راه حل، تنظیم شده برای داده های سرویس، گاهی اوقات سرعت دستگاه های سریال برحسب کاراکتر در ثانیه یا کاراکتر در ثانیه (s/s) بیان می شود، اما این مقدار یک ماهیت فنی نیست، بلکه یک مرجع مصرف کننده است.

رابط های سریال برای اتصال دستگاه های کند (ساده ترین دستگاه های چاپ با کیفیت پایین: دستگاه هایی برای ورودی و خروجی اطلاعات کاراکتر و سیگنال، سنسورهای کنترل، دستگاه های ارتباطی با کارایی پایین و غیره) و همچنین در مواردی که هیچ وجود ندارد استفاده می شود. محدودیت های قابل توجه در مدت زمان تبادل داده (دوربین های دیجیتال).

دومین جزء اصلی کامپیوتر حافظه است. سیستم حافظه به شکل سلسله مراتبی از لایه ها ساخته شده است (شکل 3.). لایه بالایی از رجیسترهای داخلی پردازنده مرکزی تشکیل شده است. رجیسترهای داخلی ظرفیت ذخیره سازی 32×32 بیت را در یک پردازنده 32 بیتی و 64×64 بیت را در یک پردازنده 64 بیتی فراهم می کنند که در هر دو مورد کمتر از یک کیلوبایت است. خود برنامه ها می توانند رجیسترها را مدیریت کنند (یعنی تصمیم بگیرند چه چیزی در آنها ذخیره شود) بدون دخالت سخت افزار.

شکل 3. معمول ساختار سلسله مراتبیحافظه

لایه بعدی حاوی حافظه کش است که عمدتاً توسط سخت افزار کنترل می شود. RAM به خطوط کش، معمولاً 64 بایت، با آدرس های 0 تا 63 در خط صفر، از 64 تا 127 در خط یک و غیره تقسیم می شود. پرکاربردترین خطوط کش در حافظه کش پرسرعت واقع در داخل یا بسیار نزدیک به CPU ذخیره می شوند. هنگامی که یک برنامه نیاز به خواندن کلمه ای از حافظه دارد، تراشه کش بررسی می کند که آیا خط مورد نظر در حافظه پنهان است یا خیر. اگر اینطور باشد، دسترسی موثر به حافظه نهان رخ می دهد، درخواست به طور کامل از حافظه پنهان برآورده می شود و درخواست حافظه به گذرگاه ارسال نمی شود. یک دسترسی کش موفق معمولاً حدود دو سیکل ساعت طول می کشد، در حالی که ناموفق منجر به دسترسی به حافظه با از دست دادن زمان قابل توجهی می شود. حافظه کش به دلیل هزینه بالای آن از نظر اندازه محدود است. برخی از ماشین ها دارای دو یا حتی سه سطح حافظه پنهان هستند که هر کدام کندتر و بزرگتر از قبلی هستند.

بعد رم (RAM - حافظه دسترسی تصادفی، RAM انگلیسی، حافظه دسترسی تصادفی - حافظه دسترسی تصادفی) می آید. این منطقه کار اصلی دستگاه ذخیره سازی سیستم محاسباتی است. تمام درخواست‌های CPU که نمی‌توانند توسط حافظه پنهان انجام شوند برای پردازش به حافظه اصلی ارسال می‌شوند. هنگام اجرای چندین برنامه بر روی رایانه، توصیه می شود برنامه های پیچیده را در RAM قرار دهید. محافظت از برنامه ها از یکدیگر و جابجایی آنها در حافظه با تجهیز رایانه به دو ثبات تخصصی انجام می شود: ثبات پایه و ثبات محدود.

در ساده ترین حالت (شکل 4.a)، هنگامی که برنامه شروع به کار می کند، ثبات پایه با آدرس ابتدای ماژول برنامه اجرایی بارگذاری می شود، و ثبات محدود نشان می دهد که ماژول برنامه اجرایی چه مقدار را به همراه دارد. داده. هنگام واکشی فرمان از حافظه، سخت افزار شمارنده برنامه را بررسی می کند و اگر کمتر از رجیستر حد باشد، مقدار ثبات پایه را به آن اضافه می کند و مجموع را به حافظه منتقل می کند. هنگامی که برنامه ای می خواهد یک کلمه از داده ها را بخواند (مثلاً از آدرس 10000)، سخت افزار به طور خودکار محتویات ثبات پایه (مثلاً 50000) را به آن آدرس اضافه می کند و مجموع (60000) را به حافظه منتقل می کند. ثبات پایه به برنامه اجازه می دهد تا به هر بخشی از حافظه به دنبال آدرس ذخیره شده در آن ارجاع دهد. علاوه بر این، ثبت محدود مانع از دسترسی برنامه به هر قسمت از حافظه بعد از برنامه می شود. بنابراین، با کمک این طرح، هر دو مشکل حل می شود: حفاظت و حرکت برنامه ها.

در نتیجه تأیید و تبدیل داده ها، آدرسی که توسط برنامه تولید می شود و آدرس مجازی نامیده می شود به آدرسی که توسط حافظه استفاده می شود ترجمه می شود و آدرس فیزیکی نامیده می شود. دستگاهی که بررسی و تبدیل را انجام می دهد، واحد مدیریت حافظه یا مدیر حافظه (MMU، Memory Management Unit) نامیده می شود. مدیر حافظه یا در مدار پردازنده یا نزدیک به آن قرار دارد، اما به طور منطقی بین پردازنده و حافظه قرار دارد.

یک مدیر حافظه پیچیده تر از دو جفت ثبات پایه و حد تشکیل شده است. یک جفت برای متن برنامه و جفت دیگر برای داده است. ثبات فرمان و همه ارجاعات به متن برنامه با اولین جفت ثبات کار می کنند؛ ارجاع به داده از جفت ثبات دوم استفاده می کند. به لطف این مکانیسم، اشتراک گذاری یک برنامه بین چندین کاربر در حالی که تنها یک نسخه از برنامه در RAM ذخیره می شود، امکان پذیر می شود که در یک طرح ساده حذف شده است. هنگامی که برنامه شماره 1 در حال اجرا است، چهار ثبات همانطور که در شکل 4 (ب) نشان داده شده است، در سمت چپ، زمانی که برنامه شماره 2 در حال اجرا است - در سمت راست قرار دارند. مدیریت مدیر حافظه تابعی از سیستم عامل است.

بعدی در ساختار حافظه، دیسک مغناطیسی (دیسک سخت) است. حافظه دیسک دو مرتبه ارزانتر از RAM بر اساس هر بیت است و از نظر اندازه بزرگتر است، اما دسترسی به داده های واقع در دیسک حدود سه مرتبه بیشتر طول می کشد. دلیل سرعت پایین هارد، مکانیکی بودن درایو است. هارد دیسک شامل یک یا چند صفحه فلزی است که با سرعت 5400، 7200 یا 10800 دور در دقیقه می چرخند (شکل 5). اطلاعات به صورت دایره های متحدالمرکز روی صفحات ثبت می شود. هدهای خواندن/نوشتن در هر موقعیت مشخص می‌توانند حلقه‌ای را در بشقاب به نام آهنگ بخوانند. با هم، مسیرهای یک موقعیت چنگال معین یک استوانه را تشکیل می دهند.

هر آهنگ به تعدادی بخش، معمولاً 512 بایت در هر بخش تقسیم می شود. بر درایوهای مدرنسیلندرهای بیرونی دارای بخش های بیشتری نسبت به سیلندرهای داخلی هستند. انتقال هد از یک سیلندر به سیلندر دیگر حدود 1 میلی ثانیه طول می کشد و حرکت به یک سیلندر تصادفی بسته به درایو بین 5 تا 10 میلی ثانیه طول می کشد. هنگامی که هد بالای مسیر مورد نظر قرار دارد، باید منتظر بمانید تا موتور دیسک را بچرخاند تا بخش مورد نیاز در زیر هد قرار گیرد. بسته به سرعت چرخش دیسک، 5 تا 10 میلی ثانیه اضافی طول می کشد. هنگامی که یک سکتور زیر سر است، فرآیند خواندن یا نوشتن با سرعت های متفاوت از 5 مگابایت بر ثانیه (برای درایوهای کم سرعت) تا 160 مگابایت بر ثانیه (برای درایوهای پرسرعت) انجام می شود.

آخرین لایه توسط نوار مغناطیسی اشغال شده است. این رسانه اغلب برای ایجاد استفاده می شد نسخه های پشتیبانفضای هارد دیسک یا فضای ذخیره سازی مجموعه های بزرگداده ها. برای دسترسی به اطلاعات، نوار در یک نوارخوان مغناطیسی قرار داده شد، سپس به بلوک اطلاعات درخواستی بازگردانده شد. کل این فرآیند چند دقیقه طول کشید. سلسله مراتب حافظه توصیف شده معمولی است، اما در برخی از تجسم ها ممکن است همه سطوح یا انواع دیگر آنها وجود نداشته باشد (به عنوان مثال، یک دیسک نوری). در هر صورت، هنگام حرکت در سلسله مراتب از بالا به پایین، زمان دسترسی تصادفی به طور قابل توجهی از دستگاهی به دستگاه دیگر افزایش می یابد و ظرفیت معادل زمان دسترسی افزایش می یابد.

علاوه بر انواعی که در بالا توضیح داده شد، بسیاری از کامپیوترها دارای حافظه دسترسی تصادفی فقط خواندنی (ROM، Read Only Memory) هستند که با خاموش شدن سیستم کامپیوتری محتویات خود را از دست نمی دهند. رام در حین ساخت برنامه ریزی می شود و پس از آن نمی توان محتویات آن را تغییر داد. در برخی از رایانه ها، ROM حاوی برنامه های بوت مورد استفاده برای راه اندازی رایانه و برخی کارت های ورودی/خروجی برای کنترل دستگاه های سطح پایین است.

رام قابل پاک کردن الکتریکی (EEPROM، Electrically Erasable ROM) و رم فلش (رم فلش) نیز غیرفرار هستند، اما برخلاف رام، محتویات آنها قابل پاک شدن و بازنویسی است. با این حال، نوشتن داده ها در آنها بسیار بیشتر از نوشتن روی RAM طول می کشد. بنابراین دقیقاً مانند رام ها مورد استفاده قرار می گیرند.

نوع دیگری از حافظه وجود دارد - حافظه CMOS، که فرار است و برای ذخیره تاریخ و زمان فعلی استفاده می شود. انرژی حافظه توسط باتری تعبیه شده در رایانه تامین می شود و ممکن است حاوی پارامترهای پیکربندی باشد (مثلاً نشان می دهد که از کدام هارد دیسک باید بوت شود).

3. دستگاه های ورودی/خروجی

دستگاه های دیگری که تعامل نزدیک با سیستم عامل دارند، دستگاه های ورودی/خروجی هستند که از دو بخش تشکیل شده است: کنترل کننده و خود دستگاه. کنترلر یک ریزمدار (چیپست) روی یک برد است که در یک کانکتور قرار می گیرد و دستورات را از سیستم عامل دریافت و اجرا می کند.

به عنوان مثال، کنترلر دستوری برای خواندن یک بخش خاص از دیسک دریافت می کند. برای اجرای دستور، کنترلر عدد خطی بخش دیسک را به تعداد سیلندر، سکتور و هد تبدیل می کند. عملیات تبدیل به دلیل این واقعیت پیچیده است که سیلندرهای بیرونی ممکن است بخش های بیشتری نسبت به سیلندرهای داخلی داشته باشند. سپس کنترلر تعیین می کند که کدام سیلندر در بالا قرار دارد این لحظههد، و دنباله ای از پالس ها را می دهد تا سر تعداد سیلندرهای لازم را حرکت دهد. پس از آن کنترلر منتظر می ماند تا دیسک بچرخد و بخش مورد نیاز را در زیر هد قرار می دهد. سپس فرآیندهای خواندن و ذخیره بیت ها به محض ورود آنها از دیسک، فرآیندهای حذف هدر و محاسبه چک جمع. سپس کنترل کننده بیت های دریافتی را به صورت کلمات جمع آوری کرده و در حافظه ذخیره می کند. برای انجام این کار، کنترلرها حاوی سیستم عامل داخلی هستند.

خود دستگاه I/O دارای یک رابط ساده است که باید با استاندارد یکپارچه IDE (IDE، Integrated Drive Electronics - رابط درایو داخلی) مطابقت داشته باشد. از آنجایی که رابط دستگاه توسط کنترلر پنهان است، سیستم عامل فقط رابط کنترلر را می بیند که ممکن است با رابط دستگاه متفاوت باشد.

از آنجایی که کنترل کننده ها برای دستگاه های مختلفدستگاه های ورودی/خروجی با یکدیگر متفاوت هستند، پس برای مدیریت آنها به نرم افزار - درایورهای مناسب نیاز دارید. بنابراین، هر سازنده کنترلر باید درایورهایی را برای کنترلرهایی که پشتیبانی می کند ارائه کند. سیستم های عامل. سه راه برای نصب درایور در سیستم عامل وجود دارد:

هسته را با یک درایور جدید بازسازی کنید و سپس سیستم را راه اندازی مجدد کنید، یعنی تعداد زیادی از سیستم های یونیکس کار می کنند.

یک ورودی در فایل موجود در سیستم عامل ایجاد کنید که درایور مورد نیاز است و سیستم را مجددا راه اندازی کنید؛ در طول بوت اولیه، سیستم عامل پیدا خواهد کرد. راننده مورد نیازو دانلود کنید؛ سیستم عامل ویندوز اینگونه عمل می کند.

درایورهای جدید را بپذیرید و به سرعت آنها را با استفاده از سیستم عامل در حال اجرا نصب کنید. این روش توسط گذرگاه های قابل جابجایی USB و IEEE 1394 استفاده می شود که همیشه به درایورهایی با بارگذاری پویا نیاز دارند.

ثبت های خاصی برای ارتباط با هر کنترل کننده وجود دارد. به عنوان مثال، یک کنترل کننده حداقل دیسک ممکن است دارای رجیسترهایی برای تعیین آدرس دیسک، آدرس حافظه، شماره بخش و جهت عملکرد (خواندن یا نوشتن) باشد. برای فعال کردن کنترلر، درایور فرمانی را از سیستم عامل دریافت می کند، سپس آن را به مقادیر مناسب برای نوشتن در رجیسترهای دستگاه ترجمه می کند.

در برخی از کامپیوترها، رجیسترهای دستگاه ورودی/خروجی به فضای آدرس سیستم عامل نگاشت می شوند تا بتوان آنها را مانند کلمات معمولی در حافظه خواند یا نوشت. آدرس های ثبت نام در RAM خارج از دسترس برنامه های کاربر قرار می گیرد تا از برنامه های کاربر در برابر سخت افزار محافظت شود (مثلاً با استفاده از ثبات های پایه و محدود).

در رایانه های دیگر، رجیسترهای دستگاه در پورت های ورودی/خروجی ویژه ای قرار دارند و هر رجیستر دارای آدرس پورت مخصوص به خود است. در چنین ماشین هایی، دستورات IN و OUT در حالت ممتاز در دسترس هستند که به رانندگان اجازه می دهد تا رجیسترها را بخوانند و بنویسند. طرح اول نیاز به دستورالعمل های ویژه ورودی/خروجی را از بین می برد، اما از مقداری فضای آدرس استفاده می کند. طرح دوم بر فضای آدرس تأثیر نمی گذارد، اما به دستورات خاصی نیاز دارد. هر دو طرح به طور گسترده استفاده می شود. ورودی و خروجی داده ها به سه روش انجام می شود.

1. برنامه کاربر درخواست سیستمی را صادر می کند که هسته آن را به یک فراخوانی رویه برای درایور مربوطه تبدیل می کند. سپس درایور فرآیند I/O را آغاز می کند. در طول این مدت، درایور یک حلقه برنامه بسیار کوتاه را اجرا می کند و دائماً آمادگی دستگاهی که با آن کار می کند را بررسی می کند (معمولاً مقداری وجود دارد که نشان می دهد دستگاه هنوز مشغول است). هنگامی که عملیات I/O تکمیل شد، درایور داده ها را در جایی که نیاز است قرار می دهد و به آن باز می گردد حالت اولیه. سپس سیستم عامل کنترل را به برنامه ای که تماس را برقرار کرده برمی گرداند. این روش انتظار آماده یا انتظار فعال نامیده می شود و یک نقطه ضعف دارد: پردازنده باید دستگاه را تا پایان کار خود نظرسنجی کند.

2. درایور دستگاه را راه اندازی می کند و از آن می خواهد که پس از اتمام I/O وقفه ایجاد کند. پس از این، درایور داده ها را برمی گرداند، سیستم عامل در صورت لزوم برنامه تماس را مسدود می کند و شروع به انجام کارهای دیگر می کند. هنگامی که کنترل کننده پایان یک انتقال داده را تشخیص می دهد، یک وقفه ایجاد می کند تا سیگنال اتمام عملیات را نشان دهد. مکانیسم اجرای ورودی-خروجی به شرح زیر است (شکل 6.a):

مرحله 1: درایور فرمان را به کنترلر ارسال می کند و اطلاعات را در رجیسترهای دستگاه می نویسد. کنترل کننده دستگاه I/O را راه اندازی می کند.

مرحله 2: پس از پایان خواندن یا نوشتن، کنترل کننده سیگنالی را به تراشه کنترل کننده وقفه ارسال می کند.

مرحله 3: اگر کنترل کننده وقفه آماده دریافت وقفه باشد، سیگنالی را به پین ​​خاصی از CPU ارسال می کند.

مرحله 4: کنترل کننده وقفه شماره دستگاه ورودی/خروجی را روی گذرگاه قرار می دهد تا CPU بتواند آن را بخواند و بداند کدام دستگاه کار خود را کامل کرده است. هنگامی که CPU یک وقفه دریافت می کند، محتویات شمارنده برنامه (PC) و کلمه وضعیت پردازنده (PSW) به پشته فعلی فشار داده می شود و پردازنده به حالت امتیاز (حالت هسته سیستم عامل) تغییر می کند. شماره دستگاه ورودی/خروجی را می توان به عنوان نمایه بخشی از حافظه مورد استفاده برای یافتن آدرس کنترل کننده وقفه استفاده کرد. از این دستگاه. این قسمت از حافظه را بردار وقفه می نامند. هنگامی که کنترل کننده وقفه (بخشی از درایور دستگاه که وقفه را ارسال می کند) کار خود را شروع می کند، شمارنده برنامه و کلمه وضعیت پردازنده را که در پشته قرار دارد حذف می کند، آنها را ذخیره می کند و از دستگاه برای کسب اطلاعات در مورد وضعیت آن سؤال می کند. پس از تکمیل پردازش وقفه، کنترل به برنامه کاربری که قبلا در حال اجرا بود، به دستوری که اجرای آن هنوز کامل نشده است باز می گردد (شکل 6 ب).

3. برای ورودی و خروجی اطلاعات، از کنترل کننده دسترسی مستقیم حافظه (DMA، Direct Memory Access) استفاده می شود که جریان بیت ها را بین RAM و برخی از کنترلرها بدون دخالت مداوم پردازنده مرکزی کنترل می کند. پردازنده تراشه DMA را فراخوانی می کند، به آن می گوید که چند بایت باید انتقال دهد، آدرس دستگاه و حافظه و جهت انتقال داده را ارائه می دهد و به تراشه اجازه می دهد کار خودش را انجام دهد. پس از تکمیل، DMA یک وقفه صادر می کند که مطابق با آن رسیدگی می شود.

وقفه‌ها می‌توانند در زمان‌های نامناسب رخ دهند، مانند زمانی که وقفه دیگری در حال پردازش است. به همین دلیل CPU این قابلیت را دارد که وقفه ها را غیرفعال کرده و بعداً فعال کند. در حالی که وقفه‌ها غیرفعال هستند، همه دستگاه‌هایی که کار خود را کامل کرده‌اند به ارسال سیگنال‌های خود ادامه می‌دهند، اما تا زمانی که وقفه‌ها فعال نشده باشند، پردازنده قطع نمی‌شود. اگر چندین دستگاه همزمان در حالی که وقفه‌ها غیرفعال هستند خارج شوند، کنترل‌کننده وقفه تصمیم می‌گیرد که کدام یک باید ابتدا پردازش شود، معمولاً بر اساس اولویت‌های ثابت اختصاص داده شده به هر دستگاه.

سیستم محاسباتی پنتیوم دارای هشت گذرگاه (گذرگاه کش، گذرگاه محلی، گذرگاه حافظه، PCI، SCSI، USB، IDE و ISA) است. هر گذرگاه سرعت انتقال داده و عملکرد خاص خود را دارد. سیستم عامل باید حاوی اطلاعاتی در مورد تمام اتوبوس ها برای مدیریت کامپیوتر و پیکربندی آن باشد.

گذرگاه ISA (معماری استاندارد صنعتی) - برای اولین بار در رایانه‌های IBM PC/AT ظاهر شد، با فرکانس 8.33 مگاهرتز کار می‌کند و می‌تواند دو بایت در هر سیکل ساعت را با حداکثر سرعت 16.67 مگابایت بر ثانیه انتقال دهد. برای سازگاری با کارت های قدیمی I/O آهسته در سیستم گنجانده شده است.

باس PCI (Peripheral Component Interconnect) - ایجاد شده توسط اینتل به عنوان جانشین گذرگاه ISA، می تواند در فرکانس 66 مگاهرتز کار کند و 8 بایت در هر ساعت را با سرعت 528 مگابایت بر ثانیه انتقال دهد. در حال حاضر اتوبوس های PCIاز اکثر دستگاه‌های ورودی/خروجی با سرعت بالا و همچنین رایانه‌هایی با پردازنده‌های غیراینتل استفاده کنید، زیرا بسیاری از کارت‌های ورودی/خروجی با آن سازگار هستند.

گذرگاه محلی در سیستم پنتیوم توسط CPU برای انتقال داده ها به تراشه پل PCI استفاده می شود، که به حافظه روی یک گذرگاه حافظه اختصاصی که اغلب در 100 مگاهرتز کار می کند دسترسی پیدا می کند.

گذرگاه کش برای اتصال کش خارجی استفاده می شود، زیرا سیستم های پنتیوم دارای یک کش سطح اول (کش L1) داخل پردازنده و یک کش سطح دوم خارجی بزرگ (کش L2) هستند.

گذرگاه IDE برای اتصال دستگاه های جانبی: دیسک ها و CD-ROM Reader ها استفاده می شود. این گذرگاه از نسل رابط کنترل کننده دیسک PC/AT است و در حال حاضر در تمام سیستم های مبتنی بر پردازنده های پنتیوم استاندارد است.

گذرگاه USB (Universal اتوبوس سریال, گذرگاه سریال جهانی) برای اتصال دستگاه های ورودی/خروجی کند (صفحه کلید، ماوس) به کامپیوتر طراحی شده است. از یک کانکتور چهار سیم کوچک با دو سیم استفاده می کند که برق دستگاه های USB را تامین می کند.

گذرگاه USB یک گذرگاه متمرکز است که دستگاه میزبان در هر میلی ثانیه از دستگاه های ورودی/خروجی نظرسنجی می کند تا ببیند آیا داده ای دارند یا خیر. این می تواند دانلود داده ها را با سرعت 1.5 مگابایت بر ثانیه مدیریت کند. همه دستگاه های USB از یک درایور استفاده می کنند، بنابراین می توانند بدون راه اندازی مجدد به سیستم متصل شوند.

گذرگاه SCSI (رابط سیستم کامپیوتری کوچک) یک گذرگاه با کارایی بالا است که برای دیسک‌های سریع، اسکنرها و سایر دستگاه‌هایی که به پهنای باند قابل توجهی نیاز دارند، استفاده می‌شود. عملکرد آن به 160 مگابایت بر ثانیه می رسد. گذرگاه SCSI در سیستم های مکینتاش استفاده می شود و در سیستم های یونیکس و سایر سیستم های مبتنی بر پردازنده های اینتل محبوب است.

گذرگاه IEEE 1394 (FireWire) یک گذرگاه بیت سریال است و از انتقال داده های بسته تا سرعت 50 مگابایت بر ثانیه پشتیبانی می کند. این ویژگی به شما امکان می دهد دوربین های ویدئویی دیجیتال قابل حمل و سایر دستگاه های چند رسانه ای را به رایانه خود متصل کنید. بر خلاف لاستیک اتوبوس USB IEEE 1394 کنترل کننده مرکزی ندارد.

سیستم عامل باید بتواند اجزای سخت افزاری را تشخیص دهد و بتواند آنها را پیکربندی کند. این نیاز منجر شد اینتلو مایکروسافت برای توسعه یک سیستم کامپیوتر شخصی به نام plug and play. قبل از این سیستم، هر برد I/O دارای آدرس های ثبت I/O ثابت و سطح درخواست وقفه بود. به عنوان مثال، صفحه کلید از وقفه 1 و آدرس هایی در محدوده 0x60 تا 0x64 استفاده می کند. کنترلر فلاپی دیسک از وقفه 6 استفاده می کند و 0x3F0 تا 0x3F7 را آدرس می دهد. چاپگر از وقفه 7 و آدرس هایی از 0x378 تا 0x37A استفاده می کند.

اگر کاربر خرید کرده باشد کارت صداو مودم، اتفاق افتاده است که این دستگاه ها به طور تصادفی از همان وقفه استفاده کرده اند. درگیری وجود داشت، بنابراین دستگاه ها نمی توانستند با هم کار کنند. راه حل ممکنقرار بود مجموعه‌ای از DIP سوئیچ‌ها (پرش‌ها) در هر برد ساخته شود و هر برد به گونه‌ای پیکربندی شود که آدرس‌های پورت و شماره وقفه دستگاه‌های مختلف با یکدیگر تضاد نداشته باشند.

Plug and play به سیستم عامل اجازه می دهد تا به طور خودکار اطلاعات مربوط به دستگاه های ورودی/خروجی را جمع آوری کند، سطوح وقفه و آدرس های ورودی/خروجی را به صورت مرکزی اختصاص دهد و سپس این اطلاعات را به هر برد منتقل کند. این سیستم بر روی کامپیوترهای پنتیوم اجرا می شود. هر کامپیوتر با پردازنده پنتیومشامل مادربردی است که برنامه روی آن قرار دارد - سیستم BIOS (Basic Input Output System). BIOS شامل برنامه های سطح پایین ورودی/خروجی است، از جمله رویه هایی برای خواندن از صفحه کلید، نمایش اطلاعات روی صفحه، داده های ورودی/خروجی از دیسک و غیره.

هنگامی که کامپیوتر بوت می شود، سیستم بایوس راه اندازی می شود که میزان رم نصب شده در سیستم، اتصال و عملکرد صحیح صفحه کلید و سایر دستگاه های اصلی را بررسی می کند. در مرحله بعد، BIOS گذرگاه های ISA و PCI و تمام دستگاه های متصل به آنها را بررسی می کند. برخی از این دستگاه ها سنتی هستند (پیش وصل و پخش). آنها سطوح وقفه و آدرس پورت ورودی/خروجی ثابتی دارند (به عنوان مثال، با استفاده از سوئیچ ها یا جامپرهای روی برد I/O تنظیم شده و توسط سیستم عامل قابل تغییر نیست). این دستگاه ها ثبت می شوند، سپس دستگاه های پلاگین و پخش ثبت می شوند. اگر دستگاه های موجود با دستگاه های موجود در آخرین بوت متفاوت باشند، دستگاه های جدید پیکربندی می شوند.

سپس BIOS با امتحان کردن هر یک از لیست‌های ذخیره شده در حافظه CMOS به نوبه خود تعیین می‌کند که از کدام دستگاه بوت شود. کاربر می تواند این لیست را با وارد شدن به برنامه پیکربندی بایوس بلافاصله پس از بوت شدن تغییر دهد. به طور معمول، ابتدا سعی می کند از فلاپی دیسک بوت شود. اگر این کار انجام نشد، سی دی امتحان می شود. اگر رایانه شما هم فلاپی دیسک و هم سی دی نداشته باشد، سیستم از هارد دیسک بوت می شود. بخش اول از دستگاه بوت در حافظه خوانده شده و اجرا می شود. این بخش حاوی برنامه ای است که جدول پارتیشن را در انتهای بخش بوت بررسی می کند تا مشخص کند کدام پارتیشن فعال است. سپس بوت لودر ثانویه از همان پارتیشن خوانده می شود. سیستم عامل را از پارتیشن فعال می خواند و آن را راه اندازی می کند.

سپس سیستم عامل از BIOS نظرسنجی می کند تا اطلاعاتی در مورد پیکربندی رایانه به دست آورد و وجود درایور برای هر دستگاه را بررسی می کند. اگر درایور موجود نباشد، سیستم عامل از کاربر می‌خواهد فلاپی دیسک یا سی‌دی حاوی درایور را وارد کند (این دیسک‌ها توسط سازنده دستگاه ارائه می‌شوند). اگر همه درایورها در جای خود باشند، سیستم عامل آنها را در هسته بارگذاری می کند. سپس جداول درایور را مقداردهی اولیه می کند، هر گونه فرآیند پس زمینه لازم را ایجاد می کند و برنامه ورود رمز عبور یا را اجرا می کند رابط کاربری گرافیکیدر هر ترمینال

5. تاریخچه توسعه فناوری کامپیوتر

تمامی رایانه های شخصی سازگار با آی بی ام مجهز به پردازنده های سازگار با اینتل هستند. تاریخچه توسعه ریزپردازنده های خانواده اینتل به طور خلاصه به شرح زیر است. اولین ریزپردازنده جهانی اینتل در سال 1970 ظاهر شد. این 4004 اینتل نام داشت، چهار بیتی بود و توانایی ورودی/خروجی و پردازش کلمات چهار بیتی را داشت. سرعت آن 8000 عملیات در ثانیه بود. ریزپردازنده 4004 اینتل برای استفاده در ماشین حساب های قابل برنامه ریزی با حجم حافظه 4 کیلوبایت طراحی شده است.

سه سال بعد، اینتل پردازنده 8080 را منتشر کرد، که قبلاً می توانست عملیات حسابی 16 بیتی را انجام دهد، دارای یک گذرگاه آدرس 16 بیتی بود و بنابراین، می توانست تا 64 کیلوبایت حافظه (2516 0 = 65536) آدرس دهی کند. سال 1978 با انتشار پردازنده 8086 با اندازه کلمه 16 بیت (دو بایت)، یک گذرگاه 20 بیتی مشخص شد و می‌توانست با 1 مگابایت حافظه (2 520 0 = 1048576 یا 1024 KB)، تقسیم به بلوک‌ها کار کند. (بخش) هر کدام 64 کیلوبایت. پردازنده 8086 در کامپیوترهای سازگار با IBM PC و IBM PC/XT گنجانده شد. گام بزرگ بعدی در توسعه ریزپردازنده های جدید، پردازنده 8028b بود که در سال 1982 ظاهر شد. این یک گذرگاه آدرس 24 بیتی داشت، می‌توانست 16 مگابایت فضای آدرس را مدیریت کند و روی رایانه‌های سازگار با IBM PC/AT نصب شده بود. در اکتبر 1985، 80386DX با یک گذرگاه آدرس 32 بیتی (حداکثر فضای آدرس 4 گیگابایت) و در ژوئن 1988، 80386SX منتشر شد که ارزان تر از 80386DX بود و دارای یک گذرگاه آدرس 24 بیتی بود. سپس در آوریل 1989 ریزپردازنده 80486DX ظاهر شد و در می 1993 اولین نسخه پردازنده Pentium ظاهر شد (هر دو با یک گذرگاه آدرس 32 بیتی).

در ماه مه 1995 در مسکو در نمایشگاه بین المللی Comtec-95، اینتل ارائه کرد پردازنده جدید- P6.

یکی از مهمترین اهداف تعیین شده در طول توسعه P6، دو برابر شدن عملکرد پردازنده پنتیوم بود. در عین حال، تولید اولین نسخه های P6 مطابق با "اینتل" که قبلاً اشکال زدایی شده است انجام می شود و در تولید استفاده می شود. آخرین نسخه هافن آوری نیمه هادی پنتیوم (O.6 میکرون، 3.3 V).

استفاده از همان فرآیند تولید تضمین می کند که P6 می تواند بدون مشکل عمده تولید شود. با این حال، این بدان معنی است که عملکرد دوبرابر تنها از طریق پیشرفت های جامع در ریزمعماری پردازنده به دست می آید. ریزمعماری P6 با استفاده از ترکیبی از تکنیک‌های مختلف معماری طراحی شده است. برخی از آنها قبلاً در پردازنده های رایانه های بزرگ آزمایش شده بودند، برخی توسط مؤسسات دانشگاهی پیشنهاد شده بودند و بقیه توسط مهندسان اینتل توسعه داده شدند. این ترکیب منحصربه‌فرد از ویژگی‌های معماری، که اینتل از آن به عنوان "اجرای پویا" یاد می‌کند، به اولین قالب P6 اجازه داد تا از سطوح عملکرد برنامه‌ریزی شده اولیه فراتر رود.

وقتی با پردازنده‌های جایگزین اینتل از خانواده x86 مقایسه می‌شود، مشخص می‌شود که ریزمعماری P6 با ریزمعماری پردازنده‌های Nx586 NexGen و پردازنده‌های K5 AMD، و اگرچه به میزان کمتری، با M1 Cyrix شباهت زیادی دارد. این اشتراک با این واقعیت توضیح داده می شود که مهندسان چهار شرکت همان مشکل را حل می کردند: معرفی عناصر فناوری RISC در حالی که سازگاری با معماری Intel x86 CISC را حفظ می کردند.

دو کریستال در یک بسته

مزیت اصلی و ویژگی منحصر به فرد P6 موقعیت آن استدر بسته بندی مشابه با پردازنده، یک حافظه نهان استاتیک ثانویه به اندازه 256 کیلوبایت وجود دارد که توسط یک گذرگاه اختصاصی ویژه به پردازنده متصل می شود. این طراحی باید به طور قابل توجهی طراحی سیستم های مبتنی بر P6 را ساده کند. P6 اولین ریزپردازنده ای است که برای تولید انبوه طراحی شده و دارای دو تراشه در یک بسته است.

دای CPU در P6 حاوی 5.5 میلیون ترانزیستور است. کریستال کش L2 - 15.5 میلیون. برای مقایسه، آخرین مدل پنتیوم شامل حدود 3.3 میلیون ترانزیستور بود و حافظه نهان L2 با استفاده از یک مجموعه خارجی از قالب های حافظه پیاده سازی شد.

چنین تعداد زیادی از ترانزیستورها در حافظه نهان با ماهیت استاتیک آن توضیح داده می شود. حافظه استاتیک P6 از شش ترانزیستور برای ذخیره یک بیت استفاده می کند، در حالی که حافظه پویا فقط به یک ترانزیستور در هر بیت نیاز دارد. حافظه استاتیک سریعتر، اما گرانتر است. اگرچه تعداد ترانزیستورهای یک تراشه با کش ثانویه سه برابر بیشتر از یک تراشه پردازنده است، ابعاد فیزیکی کش کوچکتر است: 202 میلی متر مربع در مقابل 306 برای پردازنده. هر دو کریستال در یک بسته سرامیکی با 387 کنتاکت ("آرایه پین-درید حفره دوگانه") محصور شده اند. هر دو قالب با استفاده از یک فناوری (0.6 میکرومتر، 4 لایه فلزی-BiCMOS، 2.9 ولت) تولید می شوند. حداکثر مصرف برق تخمینی: 20 وات در 133 مگاهرتز.

اولین دلیل ترکیب پردازنده و کش ثانویه در یک بسته، تسهیل طراحی و تولید سیستم های مبتنی بر P6 با کارایی بالا است. عملکرد یک سیستم محاسباتی ساخته شده بر روی پردازنده سریع، تا حد زیادی به تنظیم دقیق تراشه های محیط پردازنده، به ویژه کش ثانویه بستگی دارد. همه شرکت های تولید کننده کامپیوتر نمی توانند تحقیقات مناسب را انجام دهند. در P6، کش ثانویه از قبل به طور بهینه برای پردازنده پیکربندی شده است، که طراحی مادربرد را ساده می کند.

دلیل دوم ادغام، بهبود بهره وری است. CPU سطح دوم توسط یک گذرگاه ویژه اختصاصی 64 بیتی به پردازنده متصل می شود و با فرکانس ساعت مشابه پردازنده کار می کند.

اولین پردازنده‌های پنتیوم در فرکانس‌های 60 و 66 مگاهرتز به کش ثانویه از طریق یک گذرگاه 64 بیتی با سرعت ساعت یکسان دسترسی داشتند. با این حال، با افزایش سرعت کلاک پنتیوم، حفظ چنین سرعت ساعت روی مادربرد برای طراحان بسیار دشوار و گران شد. بنابراین، تقسیم کننده های فرکانس شروع به استفاده کردند. به عنوان مثال، برای پنتیوم 100 مگاهرتز، باس خارجی در فرکانس 66 مگاهرتز کار می کند (برای پنتیوم 90 مگاهرتز، به ترتیب 60 مگاهرتز است). پنتیوم از این گذرگاه هم برای دسترسی به کش ثانویه و هم برای دسترسی به حافظه اصلی و دستگاه های دیگر مانند چیپست PCI استفاده می کند.

استفاده از یک گذرگاه اختصاصی برای دسترسی به کش ثانویه عملکرد سیستم را بهبود می بخشد. در مرحله اول، این به همگام سازی کامل سرعت پردازنده و اتوبوس می رسد. ثانیا، رقابت با سایر عملیات I/O و تاخیرهای مرتبط حذف می شوند. گذرگاه کش L2 کاملاً جدا از گذرگاه خارجی است که از طریق آن حافظه و دستگاه های خارجی. گذرگاه خارجی 64 بیتی می تواند با نصف، یک سوم یا یک چهارم سرعت پردازنده کار کند، در حالی که گذرگاه کش ثانویه به طور مستقل با سرعت کامل عمل می کند.

ترکیب پردازنده و کش ثانویه در یک بسته واحد و برقراری ارتباط آنها از طریق یک گذرگاه اختصاصی، گامی به سوی تکنیک‌های افزایش عملکرد مورد استفاده در قدرتمندترین پردازنده‌های RISC است. بنابراین، در پردازنده آلفا 21164 دیجیتال، حافظه نهان سطح دوم 96 کیلوبایتی مانند حافظه پنهان اصلی در هسته پردازنده قرار دارد. این کار با افزایش تعداد ترانزیستورهای روی تراشه به 9.3 میلیون، عملکرد کش بسیار بالایی را ارائه می دهد. عملکرد آلفا 21164 330 SPECint92 در 300 مگاهرتز است. عملکرد P6 پایین تر است (اینتل 200 SPECint92 را در 133 مگاهرتز تخمین می زند)، اما P6 بهترین نسبت هزینه/عملکرد را برای بازار بالقوه خود ارائه می دهد.

هنگام ارزیابی نسبت هزینه/عملکرد، شایان ذکر است که اگرچه P6 ممکن است گرانتر از رقبای خود باشد، اکثر پردازنده‌های دیگر باید توسط مجموعه‌ای از تراشه‌های حافظه اضافی و یک کنترل‌کننده حافظه پنهان احاطه شوند. علاوه بر این، برای دستیابی به عملکرد حافظه نهان قابل مقایسه، سایر پردازنده ها باید از حافظه پنهان بزرگتر از 256 کیلوبایت استفاده کنند.

اینتل معمولاً انواع مختلفی از پردازنده های خود را ارائه می دهد. این کار به منظور برآوردن نیازهای متنوع طراحان سیستم و باقی گذاشتن فضای کمتری برای مدل‌های رقیب انجام می‌شود. بنابراین، می‌توان فرض کرد که بلافاصله پس از شروع تولید P6، هم تغییراتی با افزایش حجم حافظه پنهان ثانویه و هم تغییرات ارزان‌تر با مکان خارجی کش ثانویه، اما با یک اتوبوس اختصاصی حفظ شده بین حافظه نهان ثانویه و پردازنده ظاهر می شود.

پنتیوم به عنوان نقطه شروع

پردازنده پنتیوم با خط لوله و فوق اسکالر خودمعماری به سطوح قابل توجهی از عملکرد دست یافته است. پنتیوم شامل دو خط لوله 5 مرحله ای است که می توانند به صورت موازی اجرا شوند و دو دستور صحیح را در هر چرخه ساعت ماشین اجرا کنند. در این حالت، فقط یک جفت دستور را می توان به صورت موازی اجرا کرد که از یکدیگر پیروی می کنند و قوانین خاصی را رعایت می کنند، به عنوان مثال، عدم وجود وابستگی های ثبت از نوع "نوشتن پس از خواندن".

در P6، برای افزایش توان عملیاتی، انتقال به یک خط لوله 12 مرحله ای انجام شد. افزایش تعداد مراحل منجر به کاهش کار انجام شده در هر مرحله و در نتیجه کاهش 33 درصدی زمان صرف شده یک تیم در هر مرحله نسبت به پنتیوم می شود. این بدان معناست که استفاده از فناوری مشابهی که برای تولید P6 به کار می‌رود مانند پنتیوم 100 مگاهرتزی، منجر به یک P6 با کلاک 133 مگاهرتز می‌شود.

قدرت معماری فوق‌اسکالر پنتیوم، با توانایی آن در اجرای دو دستور در هر ساعت، بدون یک رویکرد کاملاً جدید، دشوار است. رویکرد جدید P6 رابطه سفت و سخت بین فازهای سنتی "واکشی" و "اجرا" را حذف می کند، جایی که توالی دستورات از طریق این دو فاز با ترتیب دستورات در برنامه مطابقت دارد.

رویکرد جدید شامل استفاده از به اصطلاح استخر فرمان و جدید است روش های موثرپیش بینی رفتار آینده برنامه در این حالت، مرحله سنتی «اجرا» با دو مرحله جایگزین می‌شود: «ارسال/اجرا» و «بازگشت». در نتیجه ممکن است دستورات به هر ترتیبی شروع به اجرا کنند، اما همیشه اجرای خود را مطابق با ترتیب اصلی خود در برنامه کامل می کنند. هسته P6 به عنوان سه دستگاه مستقل که از طریق یک مخزن فرمان با هم در تعامل هستند پیاده سازی می شود (شکل 1).

مشکل اصلی در بهبود بهره وری

تصمیم برای سازماندهی P6 به عنوان سه دستگاه مستقل که از طریق یک مجموعه دستورالعمل در تعامل هستند، پس از تجزیه و تحلیل کامل عوامل محدود کننده عملکرد ریزپردازنده های مدرن گرفته شد. یک واقعیت اساسی که در مورد پنتیوم و بسیاری از پردازنده‌های دیگر صادق است، این است که از قدرت پردازنده در هنگام اجرای برنامه‌های واقعی استفاده نمی‌شود.

در حالی که سرعت پردازنده در 10 سال گذشته حداقل 10 برابر شده است، زمان دسترسی به حافظه اصلی تنها 60 درصد کاهش یافته است. این افزایش تاخیر در سرعت حافظه نسبت به سرعت پردازنده مشکل اساسی بود که باید در طراحی P6 حل می شد.

یکی از رویکردهای ممکن برای حل این مشکل این است که تمرکز خود را به توسعه اجزای با عملکرد بالا در اطراف پردازنده تغییر دهید. با این حال، تولید انبوه سیستم هایی که شامل یک پردازنده با کارایی بالا و تراشه های محیطی تخصصی با سرعت بالا هستند، بسیار گران خواهد بود.

یکی از راه حل های brute force ممکن است افزایش اندازه حافظه نهان L2 برای کاهش درصد دفعاتی که کش داده های مورد نیاز را از دست می دهد.

این راه حل موثر است، اما بسیار گران است، به ویژه با توجه به سرعت مورد نیاز امروز برای اجزای کش L2. P6 از نقطه نظر اجرای کارآمد یک سیستم محاسباتی کامل طراحی شد و لازم بود که عملکرد بالای کل سیستم با استفاده از یک زیرسیستم حافظه کم هزینه به دست آید.

بدین ترتیب،ترکیبی از تکنیک‌های معماری P6 مانند پیش‌بینی شاخه بهبودیافته (توالی بعدی دستورات تقریباً همیشه به درستی تعیین می‌شود)، تجزیه و تحلیل جریان داده (ترتیب بهینه اجرای دستور تعیین می‌شود) و اجرای پیش‌بینی شده (توالی پیش‌بینی‌شده دستورات بدون توقف اجرا می‌شود. به ترتیب بهینه) عملکرد را در رابطه با پنتیوم با استفاده از همان فناوری تولید دو برابر کرد. این ترکیب از روش ها را اجرای پویا می نامند.

در حال حاضر، اینتل در حال توسعه فناوری جدید تولید 0.35 میکرون است که امکان تولید پردازنده های P6 با سرعت کلاک هسته ای بیش از 200 مگاهرتز را فراهم می کند.

P6 به عنوان بستری برای ساخت سرورهای قدرتمند

از جمله شاخص ترینروند توسعه رایانه در سال های اخیر را می توان به عنوان استفاده روزافزون از سیستم های مبتنی بر پردازنده های خانواده x86 به عنوان سرورهای برنامه و نقش رو به رشد اینتل به عنوان تأمین کننده فناوری های غیر پردازنده مانند اتوبوس ها برجسته کرد. فن آوری های شبکه، فشرده سازی ویدئو، حافظه فلش و ابزارهای مدیریت سیستم.

عرضه پردازنده P6 ادامه سیاست اینتل برای آوردن قابلیت هایی است که قبلاً فقط در رایانه های گران تر وجود داشت به بازار انبوه. کنترل برابری برای رجیسترهای داخلی P6 ارائه شده است و گذرگاه 64 بیتی که هسته پردازنده و حافظه نهان سطح دوم را به هم متصل می کند به ابزارهای تشخیص و تصحیح خطا مجهز شده است. قابلیت‌های تشخیصی جدید تعبیه‌شده در P6، سازندگان را قادر می‌سازد تا سیستم‌های قابل اعتمادتری طراحی کنند. P6 امکان به دست آوردن اطلاعات را از طریق مخاطبین پردازنده یا استفاده از نرم افزار در مورد بیش از 100 متغیر پردازنده یا رویدادی که در آن رخ می دهد، مانند عدم وجود داده در حافظه پنهان، محتویات ثبات ها، ظاهر کدهای خود تغییردهنده و به زودی. سیستم عامل و سایر برنامه ها می توانند این اطلاعات را برای تعیین وضعیت پردازنده بخوانند. P6 همچنین دارای پشتیبانی بهبود یافته ای از نقاط بازرسی است، به این معنی که در صورت بروز خطا، رایانه می تواند به حالتی که قبلاً ضبط شده است، برگردد.

اسناد مشابه

فناوری رایانه مدت ها پیش ظاهر شد، زیرا نیاز به انواع محاسبات در طلوع توسعه تمدن وجود داشت. توسعه سریع فناوری کامپیوتر. ایجاد اولین رایانه های شخصی، مینی رایانه ها از دهه 80 قرن بیستم.

چکیده، اضافه شده در 2008/09/25


ویژگی های سیستم های نگهداری فنی و پیشگیرانه تجهیزات کامپیوتری. برنامه های تشخیصی برای سیستم عامل ها ارتباط متقابل سیستم های کنترل خودکار محافظت از رایانه شما در برابر تأثیرات نامطلوب خارجی.

چکیده، اضافه شده در 2015/03/25


توسعه یک سیستم اطلاعاتی و تحلیلی برای تجزیه و تحلیل و بهینه سازی پیکربندی تجهیزات کامپیوتری. ساختار کنترل خودکار تجهیزات کامپیوتری. نرم افزار، توجیه صرفه اقتصادی پروژه.

پایان نامه، اضافه شده در 2013/05/20


مرحله دستی توسعه فناوری رایانه. سیستم اعداد موقعیتی توسعه مکانیک در قرن هفدهم. مرحله الکترومکانیکی توسعه فناوری رایانه. کامپیوترهای نسل پنجم گزینه ها و ویژگی های متمایز کنندهابر رایانه.

کار دوره، اضافه شده در 2012/04/18


ساختار و اصل عملکرد یک کامپیوتر شخصی (PC). تشخیص عملکرد کامپیوتر و شناسایی عیوب. وظایف نگهداریامکانات کامپیوتری توسعه روش هایی برای نگهداری تجهیزات در شرایط کاری.

کار دوره، اضافه شده در 2011/07/13


مطالعه رویه های خارجی و داخلی در توسعه فناوری رایانه و همچنین چشم انداز توسعه رایانه در آینده نزدیک. فن آوری های استفاده از کامپیوتر مراحل توسعه صنعت محاسبات در کشور ما. ادغام کامپیوتر و ارتباطات

کار دوره، اضافه شده در 2013/04/27


طبقه بندی رویه های طراحی تاریخچه سنتز فناوری کامپیوتر و طراحی مهندسی. توابع سیستم های طراحی به کمک کامپیوتر، نرم افزار آنها. ویژگی های استفاده از اسکنرهای سه بعدی، دستکاری و چاپگرها.

چکیده، اضافه شده در 1391/12/25


اتوماسیون پردازش داده ها. علوم کامپیوتر و نتایج عملی آن. تاریخچه ایجاد فناوری رایانه دیجیتال. کامپیوترهای الکترومکانیکی استفاده لوله های خلاءو کامپیوترهای نسل اول، سوم و چهارم.

پایان نامه، اضافه شده در 2009/06/23


مفهوم و ویژگی های یک کامپیوتر شخصی، بخش های اصلی آن و هدف آنها. ابزارهای آموزش علوم کامپیوتر و ویژگی های سازماندهی کار در کلاس درس علوم کامپیوتر. تجهیز محل کار و استفاده از نرم افزار.

چکیده، اضافه شده در 2012/07/09


ترکیب یک سیستم کامپیوتری، پیکربندی کامپیوتر، سخت افزار و نرم افزار آن است. دستگاه ها و ابزارهایی که پیکربندی سخت افزاری یک کامپیوتر شخصی را تشکیل می دهند. حافظه اصلی، پورت های I/O، آداپتور جانبی.