Дербес компьютердің архитектурасы

Дербес компьютердің архитектурасы

Компьютер (ағылшынша: computer — «есептегіш»), ЭЕМ (электрондық есептеуіш машина) — есептеулерді жүргізуге, және ақпаратты алдын ала белгіленген алгоритм бойынша қабылдау, қайта өңдеу, сақтау және нәтиже шығару үшін арналған машина. Компьютер дәуірінің бастапқы кезеңдерінде компьютердің негізгі қызметі — есептеу деп саналатын. Қазіргі кезде олардың негізгі қызметі — басқару болып табылады.   

 Негізгі принциптері: Өзінің алдына қойылған тапсырманы орындау үшін компьютер механикалық бөліктердің орын ауыстырылуын, электрондардың, фотондардың, кванттық бөлшектердің ағынын немесе басқа да жақсы зерттелген физикалық құбылыс әсерлерін қолданады. Көбімізге компьютерлердің ең көп таралған түрі — дербес компьютер жақсы таныс.   

 Компьютер архитектурасы  алға қойылған мәселені, зерттеліп  отырған физикалық құбылысты  максималды айқын көрсетіп, модельдеуге  мүмкіндік береді. Мысалы, электрондық  ағындар бөгеттер салу кезіндегі  су ағынының үлгісі ретінде  қолданылуы мүмкін. Осылай құрастырылған  аналогтық компьютерлер ХХ ғасырдың 60-жылдары көп болғанымен, қазір  сирек кездеседі.   

 Қазіргі заманғы компьютерлердің  басым бөлігінде алға қойылған  мәселе әуелі математикалық терминдерде  сипатталады, бұл кезде барлық  қажетті ақпарат екілік жүйеде (бір және ноль ретінде) көрсетіледі,  содан кейін оны өңдеу үшін  қарапайым логика алгебрасы қолданылады.  Іс жүзінде барлық математикалық  есептерді бульдік операциялар  жиынына айналдыруға болатындықтан,  жылдам жұмыс жасайтын электронды  компьютерді математикалық есептердің, сонымен қатар, ақпаратты басқару  есептерінің көпшілігін шешу  үшін қолдануға болады.

Бірақ, компьютерлер кез-келген математикалық есепті шеше алмайды. Компьютер шеше алмайтын есептерді ағылшын математигі Аланом Тьюринг сипаттаған болатын.

Орындалған есеп нәтижесі пайдаланушыға әр түрлі енгізу-шығару құрылғыларының көмегімен көрсетіледі, мысалы, лампалық индикаторлар, мониторлар, принтерлер және т.б.

Компьютер — жай ғана машина, ол өзі көрсетіп тұрған сөздерді «түсінбейді» және өз бетінше «ойламайды». Компьютер тек қана бағдарламада көрсетілген сызықтар мен түстерді енгізу-шығару құрылғыларының көмегімен механикалық түрде көрсетеді. Адам миы экрандағы көріністі қабылдап, оған белгілі бір мән береді. 

Этимология.   

 Компьютер сөзі ағылшын тілінің ағылшынша: to compute, ағылшынша: computer сөздерінен шыққан. Бұл сөздер «есептеу», «есептегіш» мағынасында аударылады (ағылшын сөзі, өз кезегінде, латын тілінің латынша: computo — «есептеймін» сөзінен шыққан). Алғашында ағылшын тілінде бұл сөз механикалық құрылғыларды қолданбай немесе қолдана отырып, арифметикалық есептеулер жүргізетін адамға қатысты айтылған. Содан кейін бұл сөз машиналарға қатысты айтылатын болды, бірақ, қазіргі заманғы компьютерлер математикамен тікелей байланысты емес мәселелермен де айналысады.

Компьютер сөзінің анықтамасы алғаш рет 1897 жылы ағылшындық Оксфорд сөздігінде пайда болған болатын. Бұл сөздікте компьютер механикалық есептеуіш құрылғы ретінде көрсетілген. 1946 жылы бұл сөздікте цифрлық компьютер, аналогтық есептеуіш машинасы және электронды компьютер түсініктерінің мағынасы ажыратылып көрсетілді.

Есептеуіш техника есептеу және мәліметтерді өңдеу процессінің маңызды компоненті болып табылады. Есептеуге арналған алғашқы құрал ретінде есептеу таяқшаларын атауға болады, бұл құрал қазіргі кезде де бастауыш сынып оқушыларын есепке үйрету үшін қолданылады. Даму жолында бұл құралдар күрделене түсті (мысалы, финикиялық саз фигуралары).

Уақыт өте келе, қарапайым құрылғылардан күрделі құралдар пайда бола бастады: абак, логарифмдік сызғыш, механикалық арифмометр, электронды компьютер. Алғашқы есептеуіш құрылғылардың қарапайымдылығына қарамастан, олармен жұмыс жасауға үйренген адам, қазіргі заманғы калькуляторларды пайдаланғаннан да жылдам есептер жүргізе алады. Әрине, қазіргі заманғы есептеуіш құрылғыларының жұмыс өнімділігі және есептеу жылдамдығы ең жылдам есептегіш адамның өзін шаң қаптырып кетеді. 

Нөлдік буын.

• б.э.д. 3000 жыл — Ежелгі Вавилонда алғашқы есептегіштер — абак пайда болды.
• б.э.д. 500 жыл — Қытайда абактың «жаңа» нұсқасы пайда болды.
• 1492 жыл — Леонардо да Винчи өзінің бір күнделігінде он тісті сақиналары бар 13-разрядты есептегіш құрылғының сызбасын көрсеткен. Бұл сызбалар негізінде жұмыс жасайтын құрылғы ХХ ғасырда ғана жасалғанымен Леонардо да Винчи жобасының дұрыстығы расталды.
• 1623 жыл — Вильгельм Шиккард, Тюбинген университетінің профессорі, тісті сақиналар неізінде алты разрядты ондық сандарды қосып және азайта алатын құрылғы жасап шығарды. 1960 жылы профессордың сызбасы бойынша қайта жасалып, дұрыс жұмыс жасайтындығын көрсетті.
• 1630 жыл — Ричард Деламейн шеңберлік логарифмдік сызғыш жасады.
• 1642 жыл — Блез Паскаль «Паскалин» — алғашқы нақты жүзеге асырылған және кең танылған цифрлық есептеуіш құрылғыны ұсынды. Құрылғы прототипі бес разрядты ондық сандарды қосып және азайта алатын еді. Паскаль бұндай есептегіштердің оннан астамын жасады, соңғы үлгілері сегіз разрядты сандармен де жұмыс жасай алатын еді.
• 1673 жыл — көрнекті неміс философы және математигі Готфрид Вильгельм Лейбниц механикалық калькулятор жасады, ол екілік санау жүйесінің көмегімен көбейту, бөлу, қосу және азайтуды орындай алатын еді.
• Осы кездер шамасында Исаак Ньютон математикалық анализ негіздерін қалады.
• 1723 жыл — неміс математигі және астрономы Христиан Людвиг Герстен, Лейбниц жұмыстарының негізінде арифметикалық машина жасады. Машина сандарды көбейту кезінде бүтін бөлігін және тізбектелген қосу амалдарының санын есептей алатын еді. Сонымен қатар бұл машина енгізілген мәліметтерді енгізудің дұрыстығын тексере алатын еді.
• 1786 жыл — неміс әскери инженері Иоганн Мюллер «айырмалық машина» идеясын ұсынды — бұл машина айырмалық әдіспен есептелетін логарифмдерді табуляциялай алатын еді. Лейбництің тісті доңғалақтары негізінде жасалған бұл машина біршама кішкентай (биіктігі 13 см, диаметрі 30 см) болғанымен, 14-разрядты сандармен негізгі төрт арифметикалық амалды орындай алатын еді.
• 1801 жыл — Жозеф Мария Жаккард бағдарлама арқылы басқарылатын тігін станогын құрды, оның жұмысы перфокарталар жиыны көмегімен көрсетілетін еді.
• 1820 жыл — француз Тома де Кальмар арифмометрлерді алғаш рет өндірістік жағдайда шығарды.
• 1822 жыл — ағылшын математигі Чарльз Бэббидж айырмалық машинаны (математикалық кестелерді автоматты түрде құруға арналған арифмометр) ойлап тапты, бірақ іс жүзінде жасап көрсете алмады.
• 1855 жыл — Стокгольм қаласында ағайынды Георг және Эдвард Шутц Чарльз Бэббидж жұмыстарының негізінде алғашқы айырмалық машина жасады.
• 1876 жыл — орыс математигі П.Л.Чебышев ондықтарды үзіліссіз тасымалдайтын қосқыш аппарат құрды. Бұл ғалым 1881 жылы осы машинаға көбейту және бөлуге арнап қосымша бөліктер жасады.
• 1884—1887 жж — Герман Холлерит электрлік табуляциялық жүйе (Холлерит табуляторын) жасап шығарды, бұл жүйе 1890 және 1900 жылдары АҚШ-тағы, 1897 жылы Ресейдегі халық санағында қолданылды.
• 1912 жыл — орыс ғалымы А.Н.Крылов жобасы бойынша қарапайым дифференциалдық теңдеулерді интеграциялауға арналған машина жасалды.
• 1927 жыл — Массачусетс технологиялық университетінде аналогтық компьютер жасап шығарылды.
• 1938 жыл — неміс инженері Конрад Цузе өзінің алғашқы есептеуіш машинасын жасап, оған Z1 деген ат берді (Оның соавторы ретінде Гельмут Шрейердің есімі де аталады). Бұл толықтай механикалық, бағдарламаланатын цифрлық машина еді. Бұл үлгі іс жүзінде қолданылмады. Оның қалпына келтірілген нұсқасы Берлиндегі неміс техникалық мұражайында сақталған. Осы жылы Цузе Z2 машинасын жасауға кірісіп кетті.
• 1941 жыл — Конрад Цузе Z3 машинасын жасады. Бұл машина қазіргі заманғы компьютердің барлық қасиеттерін ие болатын.
• 1942 жыл — Айова штатының университетінде Джон Атанасов және оның аспиранты Клиффорд Берри АҚШ-тағы алғашқы электрондық цифрлық компьютерді жасап бастады. Бұл машина толықтай аяқталмағанымен (Атанасов әскерге кетті), тарихшылардың айтуына қарағанда, американ ғалымы Джон Мочлидің екі жылдан кейін Эниак ЭЕМ-ін жасап шығаруыны көп әсерін тигізді.
• 1943 жылдың басында алғашқы американдық есептеуіш машина — Марк I жасалды. Бұл машина АҚШ әскери-әуе күштерінің күрделі баллистикалық есептерін шығаруға арналған еді.
• 1943 жылдың соңында арнайы мақсаттарда қолданылатын ағылшын есептеуіш машинасы — Колосс жасалды. Машина фашисттік Германияның құпия кодтарын шешумен айналысты.
• 1944 жылы Конрад Цузе Z4 компьютерін жасап шығарды.
• 1946 жылы алғашқы әмбебап электронды цифрлық есептеуіш машина — Эниак жасап шығарылды.
• Кеңес Одағында алғашқы электрондық есептеуіш машинасы Киевте Сергей Алексеевич Лебедевтің басшылығымен 1950 жылы жасалды.

Компьютер техникасының экспоненциалды дамуы.   

 Егер есептеуіш құрылғылардың 1900 жылдан бастап даму тарихына көз жүгіртетін болсақ, машиналардың жұмыс өнімділігі әрбір 18-24 айда екі есеге өсіп отырғанын байқаймыз. Бұл ерекшелікті алғаш рет 1965 жылы «Intel» компаниясының басшыларының бірі Гордон Е. Мур сипаттаған болатын. Компьютерлер көлеміні кішірею процессі де осындай жылдамдықпен жүріп келеді. Алғашқы электрондық есептеуіш машиналар көптеген тонна салмағы бар, бірнеше бөлмеде орналасқан үлкен құрылғылар болатын. Олардың қымбат екені сонша, оларды тек үкіметтер мен үлкен зерттеу ұйымдары ғана пайдалана алатын еді. Олармен салыстырғанда, қазіргі заманғы компьютерлер біршама қуатты, кішкентай және арзан болып табылады.

Қолданылуы бойынша бөлу.

• Калькулятор
• Консольдық компьютер
• Миникомпьютер
• Мэйнфрейм
• Дербес компьютер
• Ойын консолі
• Қалталық дербес компьютер
• Жұмыс станциясы
• Ноутбук (Лэптоп)
• Сервер
• Суперкомпьютер

Физикалық жүзеге асыру.   

 Компьютерлерді жіктеу  үшін оларды құру кезінде қолданылған технологияларды пайдалануға болады. Бастапқыда компьютерлер толықтай механикалық жүйе болғандығы белгілі. Соған қарамастан, ХХ ғасырдың 30-жылдары телекоммуникациялық өндіріс электромеханикалық компоненттерді ұсынды, ал 40-жылдары вакуумдық электрондық лампалар негізінде құрылған толықтай электрондық компьютерлер жасалды. 50-60-жылдары лампалардың орнына транзисторлар келді, ал 70-жылдардың басында — қазіргі кезге дейін қолданылатын интегралдық жүйелер (кремний чиптері) пайдаланыла бастады.

Бұл тізім толық деп  айта алмаймыз; ол тек есептеуіш  техниканың негізгі даму тенденциясын ғана көрсетеді. Әр кезеңдерде көптеген түрлі технологиялар қолданылған  болатын. Мысалы, гидравликалық және пневматикалық компьютерлерді жасау  мүмкіндігі қарастырылған, ал 1903-1909 жылдары  Перси И. Луджет атты өнертапқыш тігін  механизмінің негізінде жұмыс жасайтын аналитикалық машина жобасын құрған болатын.

Қазіргі кезде оптикалық компьютерлердің жобасы жасалуда. Бұл компьютерлер электр сигналдарының орнына жарық сигналдарын қолданады. Басқа бағыт бойынша молекулярлық иология және ДНҚ зерттеулерінің жетістіктерін қолдану қажет. Ақыр аяғында, есептеуіш техника саласындағы өте үлкен өзгерістерге әкелуі мүмкін тәсілдердің бірі кванттық компьютерлерді жасауға негізделген.

• Кванттық компьютер
• Механикалық компьютер
• Оптикалық компьютер
• Пневматикалық компьютер
• Электрондық компьютер

Цифрлық немесе аналогтық.    

 Комьютерді құру кезінде,  оның цифрлық немесе аналогтық  жүйе болатынын анықтап алу  керек. Егер цифрлық компьютерлер  дискретті сандық және таңбалық  айнымалылармен жұмыс жасайтын  болса, аналогтық компьютерлер  келіп түсетін мәліметтер ағынын  үзіліссіз өңдеуге арналған. Қазір  цифрлық компьютерлер кеңінен  қолданылады, бірақ аналогтық  компьютерлер де кейбір арнайы  мақсаттарда қолданылады. Бұл  жерде импульстік немесе кванттық  есептеулер туралы айтпай отырған  себебіміз — олар арнайы салаларда ғана қолданылады, немесе әзірге тек тәжірибе жүзінде қолданылады.

Аналогтық компьютерлер: логарифдік сызғыш, астролябия, осциллограф, теледидар, аналогтық дыбыстық процессор, автопилот, ми.

Ең қарапайым дискретті  есептегіштер ретінде абакты айтсақ, ең күрделісі суперкомпьютер болып табылады.

Екілік, ондық  немесе үштік есептеуіш техника.    

 Есептеуіш техниканың  дамуындағы маңызды қадам ретінде  сандардың ішкі көрсетілімінің  екілік жүйеге ауысуын айтуға  болады. Бұл қадам есептеуіш техникалардың  және перифериялық құрылғылардың  құрылыстарын біршама қарапайым  етті. Екілік жүйесін қолдану  арифметикалық функцияларды және  логикалық амалдарды орындауды  жеңілдетті.

Соған қарамастан, екілік логикаға өту процессі бір мезетте бола қойған жоқ. Көптеген ғалымдар компьютерді  адамға ыңғайлы ондық санау жүйесінде  жасап шығаруға тырысты. Басқа да тәсілдер қолданылды. Мысалы, кеңестік машиналардың бірі үштік жүйе негізінде  жұмыс жасады, кей жағдайларда  үштік жүйенің екілік жүйеден  артықшылықтары бар еді (үштік Сетунь компьютерінің жобасын кеңес  ғалымы Н.П.Брусенцов жасап шығарды)

Ондық санақ жүйесі негізіндегі  компьютер ретінде алғашқы американдық  есептеуіш машина — Марк I машинасын атауға болады.

Толықтай алғанда, мәліметтерді ішкі көрсету жүйесін таңдау компьютер  жұмысының негізгі принциптерін өзгертпейді — кез-келген компьютер басқа жүйедегі компьютер жүйесін эмуляциялай алады.

Мүмкіндігі бойынша  бөлу.   

 Есептеуіш техникаларды  жіктеудің тәсілдерінің бірі  ретінде олардың қабілеттерін  анықтауды атауға болады. Барлық есептеуіш машиналар, келесі үш типтің біреуіне жатқызылуы мүмкін:

• бір қызметті ғана орындайтын арнайы құрылғылар;
• аз ғана қызмет орындай алатын құрылғылар;
• қазіргі кезде қолданылатын жалпы мақсаттағы құрылғылар. Компьютер деп, осы үшінші тип машиналарын атайды.

Қазіргі заманғы  жалпы мақсаттағы компьютер.   

 Қазіргі заманғы компьютерлерді  қарастырған кезде, олардың бұрынғы  есептеуіш машиналардан бір маңызды  ерекшелігін байқаймыз: қажетті  бағдарламаларды қолдану арқылы  кез-келген компьютер басқа бір  компьютердің әрекеттерін орындай  алады (әрине, бұл мүмкіндік  мәліметтерді сақтау құрылғыларының  сыйымдылығымен және жылдамдықпен  шектеледі). Осылайша, қазіргі заманғы  компьютерлер болашақта құрылатын  кез-келген есептеуіш техниканың  жұмысын эмуляциялай алады деп  есептеледі. Бұл қабілет арқылы  жалпы мақсаттағы компьютерлерді және арнайы мақсаттағы құрылғыларды ажыратуға болады.

Компьютерлердің қолданылуы.   

 Алғашқы компьютерлер  тек қана есептеулер үшін қолданылған  болатын ("компьютер" және "ЭЕМ"  терминдерінің шығу тегі де  осыған байланысты). Ең қарапайым  деген компьютерлердің өзі бұл  салада адамдардан асып түседі. Ең алғашқы шыққан бағдарламалау  тілі - Фортран тілі де осы себепті  тек қана есептеулер шығаруға  арналған болатын.

Екінші жолы - мәліметтер базасы үшін. Бірінші кезекте бұлар үкіметтерге және банктерге қажет болатын. Мәліметтер базасын басқару үшін күрделі компьютерлер және ақпаратты енгізу-шығару, сақтауға қажетті күрделі жүйелер қажет болды. Осы мақсаттарда Кобол тілі пайда болды. Кейінірек пайда болған мәліметтер базасын басқару жүйелерінің өз бағдарламалау тілдері бар болатын.

Үшінші жолы - әр түрлі құрылғылармен бірге қолдану. Даму жолы арнайы мамандандырылған (көп жағдайда аналогтық) құрылғылардан стандартты компьютерлік жүйеге дейін болды. Сонымен қатар, күн өткен сайын, техниканың көп бөлігі компьютерден тұратын болды.

Ақырында, компьютерлер кеңседе де, үйде де негізгі ақпараттық құрал ретінде пайдаланыла бастады. Яғни, ақпаратпен орындалатын кез-келген жұмыс (мәтінді енгізу, фильм қарау) компьютер көмегімен жүзеге асырылатын болды. Осы тұжырымды ақпаратты сақтауға да, тасымалдауға да байланысты айтуға болады.

Компьютерлер қолданылатын салалардың ішіндегі ең күрделі, ең аз дамыған саласы жасанды интеллект - компьютерлерді белгілі бір алгоритм жоқ жерде пайдалану болып табылады. Бұл салаға мысал ретінде мәтінді аудару, эксперттің жүйелерді айтуға болады.