Hisoblash mashinalari va tizimlarining arxitekturasi tushunchasi

1. 
   HISOBLASH MASHINALARI VA TIZIMLARINING ARXITEKTURASI TUSHUNCHASI
   

Kompyuter (Hisoblash Mashinasi) axborotni (ma'lumotlarni) qayta ishlash va kerakli shaklda natija olish imkonini beradigan texnik vositalar to'plamidir. Texnik vositalar ostida ma'lumotlarni avtomatlashtirilgan qayta ishlash uchun mo'ljallangan barcha uskunalar tushuniladi.
Asosiy funktsional qurilmalari elektron komponentlarda yaratilgan Hisoblash mashinalari elektron hisoblash mashinalari (EHM) deb ataladi.
So'nggi paytlarda mahalliy adabiyotda inglizcha "kompyuter" atamasi keng tarqaldi. Biz bu atamalarni bir-birining o‘rnida ishlatamiz. Aytish joizki, hozirda optik, fotonik, kvant va boshqa fizikaviy tamoyillarga asoslangan kompyuterlarni yaratish ishlari olib borilmoqda. Misol uchun, optik kompyuterlar elektr tezligi emas, balki yorug'lik tezligida ishlaydi, bu ularni ma'lumotlarni eng yaxshi o'tkazuvchiga aylantiradi. Kvant mexanikasining g'ayritabiiy dunyosi umumiy klassik fizika qonunlariga bo'ysunmaydi. Kvant biti (qubit) hozirgi kompyuterlarning odatiy 0 yoki 1 ikkilik shakllarida mavjud emas - kvant biti bir vaqtning o'zida ikkala tizimda ham mavjud bo'lishi mumkin. Shu munosabat bilan, mashina elektron qurilmalar asosida qurilganligini ta'kidlaydigan "elektron hisoblash mashinasi" tushunchasi "kompyuter" tushunchasiga qaraganda torroq bo'ladi.
Kompyuter texnikasining rivojlanishi bilan ko'p sonli individual protsessorlar va hisoblash mashinalarini birlashtirgan ko'p protsessorli tizimlar va tarmoqlar, ko'plab hisoblash tugunlarida ma'lumotlarni parallel qayta ishlashni amalga oshiradigan dasturiy ta'minot tizimlari paydo bo'ldi. "Hisoblash tizimlari" atamasi paydo bo'ldi.
Tizim (yunoncha systema — yaxlit, qismlardan tashkil topgan bogʻlanish) bir-biri bilan oʻzaro taʼsir qiluvchi, maʼlum bir yaxlitlik, birlikni tashkil etuvchi elementlar (obʼektlar) yigʻindisidir.
Ob'ekt (lotincha obyektum - narsa) - tizim elementlariga nisbatan qo'llaniladigan atama.
Hisoblash tizimi (CS) ISO/IEC2382/1-93 standarti bo'yicha ma'lumotlarni qayta ishlashni amalga oshiradigan bir yoki bir nechta hisoblash mashinalari, periferik uskunalar va dasturiy ta'minot sifatida belgilanadi.
Hisoblash tizimi umumiy xotira va kiritish-chiqarish qurilmasiga ega kamida ikkita asosiy protsessorni o'z ichiga olgan o'zaro bog'langan hisoblash vositalaridan iborat.
Hisoblash tizimi (Quyosh)- axborotni yig'ish, saqlash, qayta ishlash va tarqatish uchun mo'ljallangan o'zaro bog'liq va o'zaro ta'sir qiluvchi protsessorlar yoki kompyuterlar, periferik uskunalar va dasturiy ta'minot to'plami.
Shunday qilib, hisoblash tizimi yagona tizimda ishlaydigan va axborot va hisoblash jarayonlarini birgalikda bajarish uchun mo'ljallangan apparat va dasturiy ta'minotning integratsiyalashuvi natijasidir.
Hisoblash texnikasining rivojlanishi bilan hisoblash mashinalarini yaratishga yondashuv ham o‘zgardi. Uskuna va dasturiy ta'minotni ishlab chiqish o'rniga apparat va dasturiy ta'minot sintezidan iborat tizim loyihalashtirila boshladi. Shu bilan birga, apparat va dasturiy ta'minotning o'zaro ta'siri tushunchasi birinchi o'ringa chiqdi. Shunday qilib, yangi tushuncha paydo bo'ldi - kompyuter arxitekturasi.
Arxitektura - bu tizimning asosiy tashkiloti bo'lib, uning tarkibiy qismlari, ularning bir-biriga va atrof-muhitga bo'lgan munosabatlari va tizimning dizayni va evolyutsiyasini boshqaradigan tamoyillar [ISO/IEC 15288:2008, ta'rif 4.5].
Kompyuter arxitekturasi (kompyuter arxitekturasi) — bu axborotni qayta ishlashni belgilaydigan va axborotni ma'lumotlarga aylantirish usullarini va texnik vositalar va dasturiy ta'minotning o'zaro ta'siri tamoyillarini o'z ichiga olgan kompyuterning kontseptual tuzilishi [GOST 15971-90, 29-ta'rif].
Kompyuterning arxitekturasini uning tuzilishidan farqlash kerak.
Kompyuterning arxitekturasi deganda apparat va dasturiy ta’minotni tashkil etish tamoyillarining umumiy tavsifi va ularning EHM funksionalligini belgilovchi asosiy xarakteristikalari tushuniladi.
Hisoblash tizimining arxitekturasi - bu funktsional mantiqiy va tizimli tashkil etilgan tizimni aniqlaydigan va asosan parallel kompyuterlar darajasiga ta'sir qiluvchi xususiyatlar va parametrlar to'plami.
Arxitektura kontseptsiyasi tizimni tashkil etishning umumiy tushunchalarini, jumladan, xotira tizimi, tizim shinasining tuzilishi, kiritish-chiqarishni tashkil etish va boshqalar kabi kompyuterni loyihalashning yuqori darajali jihatlarini qamrab oladi.
Arxitektura kompyuterning asosiy mantiqiy tugunlari: protsessor, tezkor xotira (RAM), tashqi xotira va periferik qurilmalarning ishlash tamoyillarini, axborot aloqalarini va o'zaro bog'liqligini belgilaydi. Turli xil kompyuterlarning umumiy arxitekturasi ularning foydalanuvchi nuqtai nazaridan mosligini ta'minlaydi.
Kompyuterning arxitekturasi - bu uning qandaydir umumiy darajadagi tavsifi, jumladan, foydalanuvchi dasturlash imkoniyatlari, buyruq tizimlari, manzillash tizimlari, xotirani tashkil qilish va boshqalar.
Eng keng tarqalgan arxitektura yechimlari:
Klassik arxitektura (fon Neyman arxitekturasi) ma'lumotlar oqimi o'tadigan bitta arifmetik mantiqiy qurilma (AMQ) va dastur buyruqlar oqimi o'tadigan bitta boshqaruv qurilmasi (BQ) (2.1-rasm). Bu bitta protsessorli kompyuter. Ushbu turdagi arxitektura, shuningdek, 2.18-bo'limda batafsil ko'rib chiqilgan umumiy shinaga ega shaxsiy kompyuterning arxitekturasini o'z ichiga oladi (2.26-rasm). Bu yerdagi barcha funksional bloklar umumiy shina bilan o'zaro bog'langan, uni tizim shinasi deb ham ataladi.


Fon neyman arxitekturasi
Fizik jihatdan, magistral elektron sxemalarni ulash uchun rozetkalarga ega bo'lgan ko'p simli chiziqdir. Magistral simlar to'plami alohida guruhlarga bo'linadi: manzil shinasi, ma'lumotlar shinasi va boshqaruv shinasi.
Periferik qurilmalar (printer va boshqalar) kompyuter texnikasiga maxsus kontrollerlar - periferik qurilmalarni boshqarish qurilmalari orqali ulanadi.
Kontroller - markaziy protsessor bilan periferik uskunalar yoki aloqa kanallarini bog'laydigan, protsessorni ushbu uskunaning ishlashini bevosita boshqarishdan ozod qiladigan qurilma.
Ko'p protsessorli arxitektura. Kompyuterda bir nechta protsessorlarning mavjudligi ko'plab ma'lumotlar oqimi va ko'plab ko'rsatmalar oqimlarini parallel ravishda tashkil qilish mumkinligini anglatadi. Shunday qilib, bitta vazifaning bir nechta qismlari parallel ravishda bajarilishi mumkin. Umumiy operativ xotira va bir nechta protsessorlarga ega bo'lgan bunday mashinaning tuzilishi 2.3-rasmda ko'rsatilgan.

2.3-rasm. Ko’p protsessorli arxitektura
Ko'p mashinali hisoblash tizimi. Bu yerda hisoblash tizimiga kiritilgan bir nechta protsessorlar umumiy RAMga ega emas, lekin har birining o'ziga xos operativ xotirasi(mahalliy) mavjud. Ko'p mashinali tizimdagi har bir kompyuter klassik arxitekturaga ega va bunday tizim juda keng qo'llaniladi. Biroq, bunday hisoblash tizimidan foydalanish samarasini faqat o'ta maxsus tuzilishga ega bo'lgan muammolarni hal qilish orqali olish mumkin: u tizimda qancha kompyuterlar bo'lsa, shunchalik erkin bog'langan kichik vazifalarga bo'linishi kerak.
Parallel protsessorlar arxitekturasi. Bu erda bir nechta ALU bir boshqaruv bloki nazorati ostida ishlaydi. Bu shuni anglatadiki, juda ko'p ma'lumotlar bitta dastur tomonidan - ya'ni bitta ko'rsatmalar oqimi orqali qayta ishlanishi mumkin. Bunday arxitekturaning yuqori mahsuldorligini faqat bir xil turdagi turli xil ma'lumotlar to'plamlarida bir xil hisoblash operatsiyalari bir vaqtning o'zida bajariladigan vazifalarda olish mumkin. Bunday kompyuterlarning tuzilishi 2.4-rasmda keltirilgan.

2.4-rasm. Parallel protsessor arxitekturasi
Zamonaviy kompyuterlarni olti darajadan iborat tuzilma sifatida qarash mumkin (1.2-rasm).

Zamonaviy kompyuter arxitekturasini o‘rganishga bag‘ishlangan

adabiyotlarda [1,2,16] kompyuter arxitekturasini, bir nechta sathlar
ierarxiyasidan iborat ko‘rinishda ifodalab o‘rganish amalga oshirilgan.
Ko‘pgina zamonaviy kompyuterlar ikki va undan ortiq sathlardan iboratdir. 1.2-rasmda kompyuter arxitekturasining olti sathdan iborat tuzilishga ega ko‘rinishda ifodalangan chizmasi keltirilgan.

1.2-rasm. Olti sathli kompyuter.
Avval ushbu chizmadagi sathlarga qisqacha tushuntirishlar berib
o‘tamiz, so‘ngra esa kompyuterlarning tuzilishini bunday o‘rganish bilan,
nimalarga erishish mumkinligi va kompyuter arxitekturasi deganda –
nimani tushunish kerakligi haqidagi xulosalarni keltiramiz.
Nolinchi sath – bu kompyuterning apparat taminoti sathi
hisoblanadi. Raqamli mantiqiy sath, ya’ni nolinchi sath ob’ektlari ventillar, ya’ni uzgich-ulagichlar deb ataladi. Ular yordamida - И, ИЛИ, НЕ (AND,OR, NOT) kabi oddiy mantiqiy funksiyalar bajariladi (1.3-rasm). Bir nechta ventillar yordamida 0 va 1 raqamlarini saqlay oladigan 1 bitli xotira elementlari, ya’ni triggerlar hosil qilinadi. Masalan SR, JK, T va D kabi triggerlar (1.4-rasm). Umuman kompyuter ham - ventillardan
tashkil topgandir.

1.3-rasm. Asosiy mantiqiy elementlar.
Guruhlarga birlashtirilgan xotira elementlari esa, registrlarni hosil
qiladi. Registrlar 8, 16, 32 yoki 64 bit uzunliklarga ega bo‘lishlari mumkin
(1.5-rasm).
Kompyuterning qanday tuzilganligi va qanday ishlashini o‘rganishda
juda ko‘p marotaba so‘zga olinadigan tushunchalardan biri - bu registrlar
hisoblanadi. Kompyuterda va protsessorning ichida kechayotgan,
ma’lumotlarni ishlash jarayonlarini amalga oshirishda ham, turli xil
vazifalarni bajarish uchun mo‘ljallangan registrlardan foydalaniladi.
Birinchi sath – mikroarxitektura sathi deb ataladi. Ushbu sathga
tegishli bo‘lgan elektron sxemalar mashinaga bog‘liq bo‘lgan dasturlarni
bajaradi, ya’ni kompyuterda ishlatilgan protsessorga mos keladigan
dasturlarni bajaradi. Masalan Intel, Apple, DEC va boshqa xil
protsessorlarga mos bo‘lgan dasturlar. Birinchi sathda 8-ta yoki 32-ta
registrlardan iborat lokal xotira va arifmetik mantiqiy qurilma (Arithmetic
Logical Unit - ALU) deb nomlangan sxemalar mavjud.

1.5-rasm. Registr.
Arifmetik mantiqiy qurilma – oddiy arifmetik va mantiqiy amallarni
bajaradi. Arifmetik mantiqiy qurilma bilan birga registrlar birgalikda