จุดประสงค์ของเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์คืออะไร ประวัติความเป็นมาของการพัฒนาเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ การจำแนกประเภทของคอมพิวเตอร์ องค์ประกอบของระบบคอมพิวเตอร์ ฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์. การจำแนกประเภทของยูทิลิตี้และซอฟต์แวร์ประยุกต์ ตามขั้นตอน
3. เทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ 1
3.1 ประวัติความเป็นมาของการพัฒนาเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ 1
3.2 วิธีการจำแนกคอมพิวเตอร์ 3
3.3 การจำแนกประเภทคอมพิวเตอร์ประเภทอื่น 5
3.4 องค์ประกอบ ระบบคอมพิวเตอร์ 7
3.4.1 ฮาร์ดแวร์ 7
3.4.2 ซอฟต์แวร์ 7
3.5 การจำแนกประเภทของการใช้งาน ซอฟต์แวร์ 9
3.6 การจำแนกประเภทของซอฟต์แวร์ยูทิลิตี้ 12
3.7 แนวคิดเกี่ยวกับข้อมูลและการสนับสนุนทางคณิตศาสตร์สำหรับระบบคอมพิวเตอร์ 13
3.8 สรุปผล 13
วิศวกรรมคอมพิวเตอร์
ประวัติความเป็นมาของการพัฒนาเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์
ระบบคอมพิวเตอร์,คอมพิวเตอร์
การค้นหาวิธีการและวิธีการสำหรับการใช้เครื่องจักรและระบบอัตโนมัติของงานเป็นหนึ่งในงานหลักของสาขาวิชาทางเทคนิค ระบบอัตโนมัติในการทำงานกับข้อมูลมีลักษณะและความแตกต่างจากระบบอัตโนมัติของงานประเภทอื่น สำหรับงานประเภทนี้จะใช้อุปกรณ์ประเภทพิเศษซึ่งส่วนใหญ่เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ชุดอุปกรณ์ที่ออกแบบมาสำหรับการประมวลผลข้อมูลอัตโนมัติหรืออัตโนมัติเรียกว่า เทคโนโลยีคอมพิวเตอร์,เรียกว่าชุดอุปกรณ์และโปรแกรมโต้ตอบเฉพาะที่ออกแบบมาเพื่อรองรับพื้นที่ทำงานเดียว ระบบคอมพิวเตอร์อุปกรณ์กลางของระบบคอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่คือ คอมพิวเตอร์.
คอมพิวเตอร์เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ออกแบบมาเพื่อสร้าง การจัดเก็บ การประมวลผล และการขนส่งข้อมูลโดยอัตโนมัติ
คอมพิวเตอร์ทำงานอย่างไร
ในการกำหนดคอมพิวเตอร์ให้เป็นอุปกรณ์ เราได้ระบุคุณลักษณะการกำหนด - อิเล็กทรอนิกส์อย่างไรก็ตาม การคำนวณอัตโนมัติไม่ได้ทำโดยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เสมอไป อุปกรณ์เครื่องกลเป็นที่รู้จักกันว่าสามารถทำการคำนวณได้โดยอัตโนมัติ
จากการวิเคราะห์ประวัติความเป็นมาของเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ในยุคแรกๆ นักวิจัยชาวต่างประเทศบางคนมักเรียกอุปกรณ์คำนวณทางกลว่าเป็นบรรพบุรุษของคอมพิวเตอร์ในสมัยโบราณ ลูกคิด.วิธีการ "จากลูกคิด" บ่งบอกถึงความเข้าใจผิดเกี่ยวกับระเบียบวิธีเชิงลึกเนื่องจากลูกคิดไม่มีคุณสมบัติในการคำนวณโดยอัตโนมัติ แต่สำหรับคอมพิวเตอร์นั้นถือเป็นวิธีชี้ขาด
ลูกคิดเป็นอุปกรณ์นับเชิงกลที่เก่าแก่ที่สุด เดิมทีเป็นแผ่นดินเผาที่มีร่องซึ่งมีหินแทนตัวเลขวางอยู่ การปรากฏตัวของลูกคิดมีอายุย้อนกลับไปในสหัสวรรษที่สี่ก่อนคริสต์ศักราช จ. แหล่งกำเนิดสินค้าถือเป็นเอเชีย ในยุคกลางของยุโรป ลูกคิดถูกแทนที่ด้วยตารางกราฟ การคำนวณโดยใช้สิ่งเหล่านี้ถูกเรียก นับเส้นและในรัสเซียในศตวรรษที่ 16-17 มีสิ่งประดิษฐ์ขั้นสูงกว่ามากปรากฏขึ้นซึ่งยังคงใช้อยู่ในปัจจุบัน - ลูกคิดรัสเซีย
ในเวลาเดียวกันเราคุ้นเคยกับอุปกรณ์อื่นที่สามารถคำนวณได้โดยอัตโนมัตินั่นคือนาฬิกา ไม่ว่าหลักการทำงานจะเป็นเช่นไร นาฬิกาทุกประเภท (นาฬิกาทราย นาฬิกาน้ำ เครื่องกล ไฟฟ้า อิเล็กทรอนิกส์ ฯลฯ) มีความสามารถในการสร้างการเคลื่อนไหวหรือสัญญาณในช่วงเวลาสม่ำเสมอและบันทึกการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้น กล่าวคือ ทำการสรุปสัญญาณอัตโนมัติ หรือการเคลื่อนไหว หลักการนี้สามารถเห็นได้แม้ในนาฬิกาแดดที่มีเพียงอุปกรณ์บันทึกเท่านั้น (บทบาทของเครื่องกำเนิดจะดำเนินการโดยระบบ Earth-Sun)
นาฬิกากลไกคืออุปกรณ์ที่ประกอบด้วยอุปกรณ์ที่ทำการเคลื่อนไหวโดยอัตโนมัติตามช่วงเวลาที่กำหนดเป็นประจำ และอุปกรณ์สำหรับบันทึกการเคลื่อนไหวเหล่านี้ ไม่ทราบสถานที่ที่นาฬิกาจักรกลเรือนแรกปรากฏ ตัวอย่างแรกสุดมีอายุย้อนไปถึงศตวรรษที่ 14 และอยู่ในอาราม (หอนาฬิกา).
พื้นฐานของคอมพิวเตอร์สมัยใหม่รวมถึงนาฬิกาอิเล็กทรอนิกส์ก็คือ เครื่องกำเนิดสัญญาณนาฬิกา,สร้างสัญญาณไฟฟ้าเป็นระยะๆ เพื่อใช้ในการขับเคลื่อนอุปกรณ์ต่างๆ ในระบบคอมพิวเตอร์ การควบคุมคอมพิวเตอร์จริงๆ แล้วขึ้นอยู่กับการจัดการการกระจายสัญญาณระหว่างอุปกรณ์ต่างๆ การควบคุมดังกล่าวสามารถดำเนินการได้โดยอัตโนมัติ (ในกรณีนี้เราพูดถึง การควบคุมโปรแกรม)หรือใช้การควบคุมภายนอกด้วยตนเอง - ปุ่ม สวิตช์ จัมเปอร์ ฯลฯ (ในรุ่นแรกๆ) ในคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ การควบคุมภายนอกส่วนใหญ่จะเป็นไปโดยอัตโนมัติโดยใช้อินเทอร์เฟซฮาร์ดแวร์-ลอจิคัลพิเศษซึ่งมีการเชื่อมต่ออุปกรณ์ควบคุมและอุปกรณ์ป้อนข้อมูล (แป้นพิมพ์ เมาส์ จอยสติ๊ก และอื่นๆ) ตรงกันข้ามกับการควบคุมโปรแกรม เรียกว่าการควบคุมดังกล่าว เชิงโต้ตอบ.
แหล่งที่มาทางกล
อุปกรณ์อัตโนมัติเครื่องแรกของโลกสำหรับการดำเนินการเพิ่มเติมถูกสร้างขึ้นโดยใช้นาฬิกากลไก ในปี 1623 ได้รับการพัฒนาโดย Wilhelm Schickard ศาสตราจารย์ภาควิชาภาษาตะวันออกที่มหาวิทยาลัย Tübingen (ประเทศเยอรมนี) ทุกวันนี้ รูปแบบการทำงานอุปกรณ์ได้รับการทำซ้ำตามแบบและยืนยันการใช้งาน นักประดิษฐ์เองเรียกเครื่องนี้ว่า "นาฬิการวม" ในจดหมายของเขา
ในปี 1642 ช่างเครื่องชาวฝรั่งเศส แบลส ปาสคาล (1623-1662) ได้พัฒนาอุปกรณ์เพิ่มที่มีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น ซึ่งกลายเป็นเครื่องคิดเลขเชิงกลเครื่องแรกของโลกที่ผลิตจำนวนมาก (โดยเฉพาะสำหรับความต้องการของผู้ให้กู้เงินและผู้แลกเงินชาวปารีสเป็นหลัก) ในปี 1673 นักคณิตศาสตร์และนักปรัชญาชาวเยอรมัน G. W. Leibniz (1646-1717) ได้สร้างเครื่องคิดเลขเชิงกลที่สามารถดำเนินการคูณและหารโดยการบวกและการลบซ้ำแล้วซ้ำอีก
ในช่วงศตวรรษที่ 18 หรือที่รู้จักกันในชื่อยุคแห่งการตรัสรู้ มีแบบจำลองใหม่ๆ ที่ล้ำหน้ากว่าปรากฏขึ้น แต่หลักการของการควบคุมเชิงกลของการดำเนินการทางคอมพิวเตอร์ยังคงเหมือนเดิม แนวคิดในการเขียนโปรแกรมการดำเนินการคำนวณมาจากอุตสาหกรรมนาฬิกาเดียวกัน นาฬิกาบนหออารามโบราณถูกตั้งค่าให้เปิดกลไกที่เชื่อมต่อกับระบบระฆังในเวลาที่กำหนด การเขียนโปรแกรมดังกล่าวนั้น ยาก -มีการดำเนินการเดียวกันในเวลาเดียวกัน
แนวคิดในการเขียนโปรแกรมที่ยืดหยุ่นของอุปกรณ์เครื่องจักรกลโดยใช้เทปกระดาษที่มีรูพรุนนั้นเกิดขึ้นครั้งแรกในปี 1804 ในเครื่องทอผ้า Jacquard หลังจากนั้นเพียงขั้นตอนเดียวเท่านั้น การควบคุมโปรแกรมการดำเนินการคำนวณ
ขั้นตอนนี้ดำเนินการโดย Charles Babbage นักคณิตศาสตร์และนักประดิษฐ์ชาวอังกฤษผู้มีชื่อเสียง (พ.ศ. 2335-2414) ในเครื่องมือวิเคราะห์ของเขา ซึ่งน่าเสียดายที่นักประดิษฐ์ไม่เคยสร้างขึ้นอย่างสมบูรณ์ในช่วงชีวิตของเขา แต่ได้รับการทำซ้ำในสมัยของเราตามภาพวาดของเขา ดังนั้น ว่าวันนี้เรามีสิทธิ์ที่จะพูดถึง Analytical Engine ว่าเป็นอุปกรณ์ที่มีอยู่จริง คุณสมบัติพิเศษของ Analytical Engine คือเป็นเครื่องแรกที่นำมาใช้ หลักการแบ่งข้อมูลออกเป็นคำสั่งและข้อมูลเครื่องมือวิเคราะห์ประกอบด้วยหน่วยขนาดใหญ่สองหน่วย - "คลังสินค้า" และ "โรงสี" ข้อมูลถูกป้อนเข้าสู่หน่วยความจำเชิงกลของ "คลังสินค้า" โดยการติดตั้งบล็อกเฟือง จากนั้นจึงประมวลผลใน "โรงสี" โดยใช้คำสั่งที่ป้อนจากบัตรที่มีรูพรุน (เช่น ในเครื่องทอผ้า Jacquard)
นักวิจัยผลงานของ Charles Babbage สังเกตบทบาทพิเศษของคุณหญิง Augusta Ada Lovelace (1815-1852) ลูกสาวของกวีชื่อดัง Lord Byron ในการพัฒนาโครงการ Analytical Engine เธอเป็นผู้ที่เกิดแนวคิดในการใช้การ์ดที่มีรูพรุนสำหรับการเขียนโปรแกรมการดำเนินการคำนวณ (1843) โดยเฉพาะอย่างยิ่งในจดหมายฉบับหนึ่งของเธอ เธอเขียนว่า “เครื่องวิเคราะห์สานรูปแบบพีชคณิตในลักษณะเดียวกับเครื่องทอผ้าที่สร้างดอกไม้และใบไม้” Lady Ada สามารถเรียกได้ว่าเป็นโปรแกรมเมอร์คนแรกของโลกอย่างถูกต้อง วันนี้หนึ่งใน ภาษาที่รู้จักการเขียนโปรแกรม
แนวคิดของ Charles Babbage ในการพิจารณาแยกกัน ทีมและ ข้อมูลกลับกลายเป็นว่าเกิดผลอย่างผิดปกติ ในศตวรรษที่ 20 ได้รับการพัฒนาในหลักการของ John von Neumann (1941) และในปัจจุบันในการคำนวณหลักการของการพิจารณาแยกกัน โปรแกรมและ ข้อมูลสำคัญมาก. นำมาพิจารณาทั้งในการพัฒนาสถาปัตยกรรมของคอมพิวเตอร์สมัยใหม่และเมื่อพัฒนาโปรแกรมคอมพิวเตอร์
แหล่งที่มาทางคณิตศาสตร์
หากเราคิดถึงวัตถุใดที่คอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่รุ่นก่อน ๆ เชิงกลทำงานด้วย เราต้องยอมรับว่าตัวเลขนั้นแสดงในรูปแบบของการเคลื่อนที่เชิงเส้นของกลไกโซ่และชั้นวาง หรือในรูปแบบของการเคลื่อนที่เชิงมุมของกลไกเกียร์และคันโยก . ในทั้งสองกรณี สิ่งเหล่านี้เป็นการเคลื่อนไหวซึ่งไม่สามารถส่งผลต่อขนาดของอุปกรณ์และความเร็วในการทำงานได้ มีเพียงการเปลี่ยนจากการเคลื่อนไหวในการบันทึกไปเป็นสัญญาณการบันทึกเท่านั้นที่ทำให้สามารถลดขนาดและเพิ่มประสิทธิภาพได้อย่างมาก อย่างไรก็ตาม บนเส้นทางสู่ความสำเร็จนี้ จำเป็นต้องแนะนำหลักการและแนวคิดที่สำคัญหลายประการ
ระบบเลขฐานสองของไลบ์นิซในอุปกรณ์ทางกล เกียร์อาจมีค่าคงที่ค่อนข้างมาก และ ที่สำคัญที่สุดคือแตกต่างกันระหว่างถือเป็นบทบัญญัติ จำนวนตำแหน่งดังกล่าวอย่างน้อยเท่ากับจำนวนฟันเฟือง ในอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ไม่เกี่ยวกับการลงทะเบียน บทบัญญัติองค์ประกอบโครงสร้างและการลงทะเบียน รัฐองค์ประกอบอุปกรณ์ มั่นคงและ แยกแยะได้มีเพียงสองสถานะ: เปิด - ปิด; เปิดปิด; มีประจุ - คายประจุ ฯลฯ ดังนั้นระบบทศนิยมแบบดั้งเดิมที่ใช้ในเครื่องคิดเลขเชิงกลจึงไม่สะดวกสำหรับอุปกรณ์คอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์
ความเป็นไปได้ในการแสดงตัวเลขใดๆ (และไม่ใช่แค่ตัวเลขเท่านั้น) ด้วยเลขฐานสองถูกเสนอครั้งแรกโดย Gottfried Wilhelm Leibniz ในปี 1666 เขามาที่ระบบเลขฐานสองในขณะที่ค้นคว้าแนวคิดทางปรัชญาเรื่องความสามัคคีและการต่อสู้ของสิ่งที่ตรงกันข้าม ความพยายามที่จะจินตนาการถึงจักรวาลในรูปแบบของปฏิสัมพันธ์อย่างต่อเนื่องของหลักการสองประการ ("ดำ" และ "ขาว" ชายและหญิง ความดีและความชั่ว) และการนำวิธีคณิตศาสตร์ "บริสุทธิ์" มาใช้ในการศึกษา ทำให้ไลบ์นิซต้องศึกษา คุณสมบัติของการแสดงข้อมูลแบบไบนารี ต้องบอกว่าไลบ์นิซเคยคิดเกี่ยวกับความเป็นไปได้ของการใช้ระบบไบนารี่ในอุปกรณ์คอมพิวเตอร์แล้ว แต่เนื่องจากอุปกรณ์เชิงกลไม่จำเป็น เขาจึงไม่ได้ใช้หลักการของระบบไบนารี่ในเครื่องคิดเลขของเขา (1673) .
ตรรกะทางคณิตศาสตร์ของ George Booleเมื่อพูดถึงงานของ George Boole นักวิจัยด้านประวัติศาสตร์ของเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์เน้นย้ำว่านักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษที่โดดเด่นในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 19 คนนี้เรียนรู้ด้วยตนเอง บางทีอาจเป็นเพราะขาดการศึกษาแบบ "คลาสสิก" (ดังที่เข้าใจในเวลานั้น) ที่ George Boole นำเสนอการเปลี่ยนแปลงเชิงปฏิวัติต่อตรรกะในฐานะวิทยาศาสตร์
ขณะศึกษากฎแห่งการคิด เขาได้ใช้ระบบสัญลักษณ์และกฎเกณฑ์ที่เป็นทางการในตรรกะที่ใกล้เคียงกับระบบทางคณิตศาสตร์ ต่อมาระบบนี้ เรียกว่าพีชคณิตตรรกศาสตร์หรือ พีชคณิตแบบบูลกฎของระบบนี้ใช้ได้กับวัตถุและกลุ่มที่หลากหลาย (ชุดตามศัพท์เฉพาะของผู้เขียน) วัตถุประสงค์หลักของระบบตามที่เจ. บูลคิดขึ้นคือเพื่อเข้ารหัสข้อความเชิงตรรกะและลดโครงสร้างของข้อสรุปเชิงตรรกะให้เป็นนิพจน์ง่ายๆ ที่ใกล้เคียงกับสูตรทางคณิตศาสตร์ ผลลัพธ์ของการประเมินนิพจน์เชิงตรรกะอย่างเป็นทางการเป็นหนึ่งในค่าตรรกะสองค่า: จริงหรือ โกหก.
ความสำคัญของพีชคณิตเชิงตรรกะถูกละเลยมาเป็นเวลานาน เนื่องจากเทคนิคและวิธีการของพีชคณิตไม่มีประโยชน์เชิงปฏิบัติสำหรับวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในยุคนั้น อย่างไรก็ตาม เมื่อความเป็นไปได้พื้นฐานในการสร้างเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์บนพื้นฐานทางอิเล็กทรอนิกส์เกิดขึ้น การดำเนินการที่ Boole นำมาใช้กลับกลายเป็นว่ามีประโยชน์มาก ในตอนแรกพวกเขาจะมุ่งเน้นไปที่การทำงานกับสองหน่วยงานเท่านั้น: จริงและ โกหก.ไม่ใช่เรื่องยากที่จะเข้าใจว่าสิ่งเหล่านี้มีประโยชน์อย่างไรในการทำงานกับรหัสไบนารี่ซึ่งในคอมพิวเตอร์สมัยใหม่นั้นมีเพียงสองสัญญาณเท่านั้น: ศูนย์และ หน่วย.
ไม่ใช่ระบบของ George Boole ทั้งหมด (หรือการดำเนินการเชิงตรรกะทั้งหมดที่เขาเสนอ) ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ แต่มีการดำเนินการหลักสี่ประการ: และ (จุดตัด),หรือ (สหภาพ),ไม่ (อุทธรณ์)และเอกสิทธิ์หรือ - สร้างพื้นฐานของการทำงานของโปรเซสเซอร์ทุกประเภทในคอมพิวเตอร์สมัยใหม่
ข้าว. 3.1. การดำเนินการพื้นฐานของพีชคณิตเชิงตรรกะ
โดยทั่วไปคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์จะถูกจำแนกตามคุณลักษณะหลายประการ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง: ตามฟังก์ชันการทำงานและลักษณะของงานที่ได้รับการแก้ไข โดยวิธีการจัดระเบียบกระบวนการคำนวณ ตามคุณสมบัติทางสถาปัตยกรรมและพลังการประมวลผล
ขึ้นอยู่กับฟังก์ชันการทำงานและลักษณะของงานที่ได้รับการแก้ไข สิ่งต่อไปนี้มีความโดดเด่น:
คอมพิวเตอร์อเนกประสงค์ (วัตถุประสงค์ทั่วไป)
คอมพิวเตอร์เชิงปัญหา
คอมพิวเตอร์เฉพาะทาง
คอมพิวเตอร์เมนเฟรมได้รับการออกแบบมาเพื่อแก้ปัญหาทางวิศวกรรมและทางเทคนิคที่หลากหลาย โดยมีลักษณะเฉพาะคือความซับซ้อนของอัลกอริธึมและข้อมูลที่ประมวลผลจำนวนมาก
คอมพิวเตอร์ที่มุ่งเน้นปัญหาได้รับการออกแบบมาเพื่อแก้ไขงานที่เกี่ยวข้องกับการลงทะเบียน การสะสม และการประมวลผลข้อมูลจำนวนเล็กน้อย
คอมพิวเตอร์เฉพาะทางใช้เพื่อแก้ปัญหาช่วงแคบ (ไมโครโปรเซสเซอร์และตัวควบคุมที่ทำหน้าที่ควบคุมอุปกรณ์ทางเทคนิค)
โดยวิธีการจัดกระบวนการทางคอมพิวเตอร์คอมพิวเตอร์แบ่งออกเป็นโปรเซสเซอร์ตัวเดียวและหลายตัวประมวลผล เช่นเดียวกับแบบเรียงลำดับและแบบขนาน
โปรเซสเซอร์ตัวเดียวคอมพิวเตอร์มีโปรเซสเซอร์กลางตัวเดียว และการประมวลผลและการดำเนินการทั้งหมดสำหรับการควบคุมอุปกรณ์อินพุต/เอาท์พุตจะดำเนินการบนโปรเซสเซอร์นี้
มัลติโปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์ประกอบด้วยโปรเซสเซอร์หลายตัวซึ่งทำหน้าที่จัดระเบียบกระบวนการคำนวณและจัดการอุปกรณ์อินพุต/เอาท์พุตข้อมูลซึ่งจะถูกแจกจ่ายซ้ำ
สม่ำเสมอ.ทำงานในโหมดโปรแกรมเดี่ยว เมื่อคอมพิวเตอร์ได้รับการออกแบบในลักษณะที่สามารถรันโปรแกรมได้เพียงโปรแกรมเดียว และทรัพยากรทั้งหมดจะถูกใช้เพื่อประโยชน์ของโปรแกรมที่กำลังรันเท่านั้น
ขนาน.ทำงานในโหมดหลายโปรแกรม เมื่อมีโปรแกรมผู้ใช้หลายโปรแกรมทำงานบนคอมพิวเตอร์และมีการแบ่งปันทรัพยากรระหว่างโปรแกรมเหล่านี้ เพื่อให้มั่นใจว่ามีการดำเนินการแบบขนาน
ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางสถาปัตยกรรมและพลังการประมวลผล พวกมันมีความโดดเด่น:
ให้เราพิจารณาโครงร่างการจำแนกคอมพิวเตอร์ตามเกณฑ์นี้ (รูปที่ 1)
รูปที่ 1.การจำแนกประเภทของคอมพิวเตอร์ตามลักษณะทางสถาปัตยกรรม
และพลังการคำนวณ
ซูเปอร์คอมพิวเตอร์- เหล่านี้เป็นเครื่องคอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังที่สุดในแง่ของความเร็วและประสิทธิภาพ ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ได้แก่ “Cray” และ “IBM SP2” (สหรัฐอเมริกา) ใช้เพื่อแก้ปัญหาการคำนวณขนาดใหญ่และการสร้างแบบจำลอง สำหรับการคำนวณที่ซับซ้อนในด้านอากาศพลศาสตร์ อุตุนิยมวิทยา ฟิสิกส์พลังงานสูง และยังใช้ในภาคการเงินด้วย
รถใหญ่หรือเมนเฟรมเมนเฟรมถูกใช้ในภาคการเงิน ศูนย์การป้องกัน และใช้กับศูนย์คอมพิวเตอร์ของแผนก อาณาเขต และภูมิภาค
คอมพิวเตอร์ขนาดกลางใช้กันอย่างแพร่หลายในการควบคุมกระบวนการผลิตทางเทคโนโลยีที่ซับซ้อน
มินิคอมพิวเตอร์ออกแบบมาเพื่อใช้เป็นระบบคอมพิวเตอร์ควบคุมและเซิร์ฟเวอร์เครือข่าย
ไมโครคอมพิวเตอร์- เป็นคอมพิวเตอร์ที่ใช้ไมโครโปรเซสเซอร์เป็นหน่วยประมวลผลกลาง ซึ่งรวมถึงไมโครคอมพิวเตอร์ในตัว (ติดตั้งอยู่ในอุปกรณ์ อุปกรณ์หรืออุปกรณ์ต่างๆ) และคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล (พีซี)
คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลมีการพัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล (PC) ได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับเวิร์กสเตชันเครื่องเดียว และสามารถตอบสนองความต้องการของธุรกิจขนาดเล็กและบุคคลทั่วไป ด้วยการถือกำเนิดของอินเทอร์เน็ต ความนิยมของพีซีได้เพิ่มขึ้นอย่างมากเนื่องจากด้วยความช่วยเหลือของ คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลคุณสามารถใช้ข้อมูลทางวิทยาศาสตร์ ข้อมูลอ้างอิง การศึกษา และความบันเทิงได้
คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล ได้แก่ คอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปและแล็ปท็อป คอมพิวเตอร์แบบพกพา ได้แก่ โน้ตบุ๊ก (โน้ตบุ๊กหรือโน้ตบุ๊ก) และคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลแบบพกพา (คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลแบบมือถือ - พีซีแบบใช้มือถือ, ผู้ช่วยดิจิทัลส่วนบุคคล - PDA และ Palmtop)
คอมพิวเตอร์ฝังตัวคอมพิวเตอร์ที่ใช้ใน อุปกรณ์ต่างๆอ่า ระบบ คอมเพล็กซ์สำหรับการใช้งานฟังก์ชั่นเฉพาะ ตัวอย่างเช่น การวินิจฉัยรถยนต์
ตั้งแต่ปี 1999 เป็นต้นมา มาตรฐานการรับรองสากล ข้อกำหนด PC99 ได้ถูกนำมาใช้ในการจำแนกประเภทพีซี ตามข้อกำหนดนี้ พีซีจะถูกแบ่งออกเป็นกลุ่มต่อไปนี้:
· พีซีจำนวนมาก (พีซีสำหรับผู้บริโภค);
· พีซีธุรกิจ (พีซีสำนักงาน);
· พีซีแบบพกพา (พีซีแบบเคลื่อนที่)
· เวิร์คสเตชั่น (เวิร์คสเตชั่น);
· พีซีเพื่อความบันเทิง (Entertaiment PC)
พีซีส่วนใหญ่เป็น มโหฬารและรวมชุดฮาร์ดแวร์มาตรฐาน (จำเป็นขั้นต่ำ) ชุดนี้ประกอบด้วย: หน่วยระบบ,จอแสดงผล,คีย์บอร์ด,เมาส์. หากจำเป็น ชุดนี้สามารถเสริมกับอุปกรณ์อื่น ๆ ได้อย่างง่ายดายตามคำขอของผู้ใช้ เช่น เครื่องพิมพ์
พีซีสำหรับธุรกิจรวมเครื่องมือกราฟิกและการสร้างเสียงขั้นต่ำ
แล็ปท็อปพีซีแตกต่างกันเมื่อมีวิธีการสื่อสารการเข้าถึงระยะไกล
เวิร์กสเตชันตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับความจุหน่วยความจำของอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล
พีซีเพื่อความบันเทิงมุ่งเน้นไปที่กราฟิกคุณภาพสูงและการสร้างเสียง
โดยคุณสมบัติการออกแบบพีซีแบ่งออกเป็น:
· เครื่องเขียน (เดสก์ท็อป, เดสก์ท็อป);
แบบพกพา:
· แบบพกพา (แล็ปท็อป);
· สมุดบันทึก;
· กระเป๋า (Palmtop)
ลักษณะสำคัญของเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ ได้แก่ ลักษณะการทำงานและทางเทคนิค เช่น ความเร็ว ความจุหน่วยความจำ ความแม่นยำในการคำนวณ เป็นต้น
ประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์ พิจารณาเป็น 2 ประการ ในด้านหนึ่ง มีลักษณะเฉพาะคือจำนวนการดำเนินการเบื้องต้นที่ดำเนินการ โปรเซสเซอร์กลางต่อวินาที. การดำเนินการเบื้องต้นเข้าใจว่าเป็นการดำเนินการง่ายๆ เช่น การบวก การถ่ายโอน การเปรียบเทียบ ฯลฯ ในทางกลับกัน ประสิทธิภาพ
คอมพิวเตอร์ขึ้นอยู่กับการจัดระเบียบหน่วยความจำเป็นอย่างมาก เวลาที่ใช้ในการค้นหาข้อมูลที่จำเป็นในหน่วยความจำส่งผลต่อความเร็วของคอมพิวเตอร์อย่างมาก
คอมพิวเตอร์ผลิตขึ้นด้วยความเร็วตั้งแต่หลายแสนถึงพันล้านการทำงานต่อวินาที ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับขอบเขตการใช้งาน เพื่อแก้ปัญหาที่ซับซ้อน คุณสามารถรวมคอมพิวเตอร์หลายเครื่องเข้าด้วยกันเป็นศูนย์ประมวลผลเดียวด้วยความเร็วรวมที่ต้องการได้
นอกจากความเร็วแล้ว แนวคิดนี้มักจะถูกนำมาใช้ ผลงาน . หากสิ่งแรกถูกกำหนดโดยระบบองค์ประกอบที่ใช้ในคอมพิวเตอร์เป็นหลัก จากนั้นสิ่งที่สองจะเกี่ยวข้องกับสถาปัตยกรรมและประเภทของปัญหาที่กำลังแก้ไข แม้แต่คอมพิวเตอร์เครื่องเดียว คุณลักษณะเช่นความเร็วก็ไม่ใช่ค่าคงที่ ในเรื่องนี้พวกเขาแยกแยะ:
ประสิทธิภาพสูงสุดกำหนดโดยความถี่สัญญาณนาฬิกาของโปรเซสเซอร์โดยไม่คำนึงถึงการเข้าถึงบัญชี หน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่ม;
กำหนดความเร็วที่กำหนดคำนึงถึงเวลาในการเข้าถึง RAM
ประสิทธิภาพของระบบพิจารณาโดยคำนึงถึงต้นทุนของระบบในการจัดการกระบวนการคำนวณ
การดำเนินงาน,กำหนดโดยคำนึงถึงลักษณะของงานที่ได้รับการแก้ไข (องค์ประกอบ การดำเนินงาน หรือ "ส่วนผสม")
ความจุ, หรือ หน่วยความจำ กำหนดโดยจำนวนข้อมูลสูงสุดที่สามารถใส่ลงในหน่วยความจำคอมพิวเตอร์ได้ โดยทั่วไป ความจุหน่วยความจำจะวัดเป็นไบต์ ตามที่ระบุไว้แล้ว หน่วยความจำคอมพิวเตอร์แบ่งออกเป็นภายในและภายนอก หน่วยความจำภายในหรือหน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่ม มีขนาดแตกต่างกันไปตามประเภทของเครื่องที่แตกต่างกัน และถูกกำหนดโดยระบบการกำหนดแอดเดรสของคอมพิวเตอร์ ความจุ หน่วยความจำภายนอกเนื่องจากโครงสร้างบล็อกและการออกแบบไดรฟ์แบบถอดได้ จึงมีไม่จำกัดในทางปฏิบัติ
ความแม่นยำในการคำนวณ ขึ้นอยู่กับจำนวนหลักที่ใช้แทนตัวเลขหนึ่งตัว คอมพิวเตอร์สมัยใหม่มีไมโครโปรเซสเซอร์ 32 หรือ 64 บิตซึ่งค่อนข้างเพียงพอที่จะรับประกันความแม่นยำสูงในการคำนวณในแอปพลิเคชันที่หลากหลาย อย่างไรก็ตาม หากยังไม่เพียงพอ คุณสามารถใช้ตะแกรงระบายแบบสองหรือสามช่องได้
ระบบสั่งการ - นี่คือรายการคำสั่งที่โปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์สามารถดำเนินการได้ ระบบคำสั่งจะกำหนดการดำเนินการเฉพาะที่โปรเซสเซอร์สามารถทำได้ จำนวนตัวถูกดำเนินการที่ต้องระบุในคำสั่ง และประเภท (รูปแบบ) คำสั่งที่ต้องจดจำ จำนวนคำสั่งหลักมีน้อยด้วยความช่วยเหลือคอมพิวเตอร์สามารถดำเนินการบวกการลบการคูณการหารการเปรียบเทียบการเขียนไปยังหน่วยความจำการถ่ายโอนตัวเลขจากการลงทะเบียนไปยังการลงทะเบียนการแปลงจากระบบตัวเลขหนึ่งไปอีกระบบหนึ่ง เป็นต้น หากจำเป็น ให้แก้ไขคำสั่ง โดยคำนึงถึงลักษณะเฉพาะของการคำนวณ โดยทั่วไปแล้วคอมพิวเตอร์จะใช้คำสั่งตั้งแต่สิบถึงหลายร้อยคำสั่ง (โดยคำนึงถึงการแก้ไขด้วย) ในขั้นตอนปัจจุบันของการพัฒนาเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ มีการใช้แนวทางหลักสองประการในการสร้างระบบคำสั่งโปรเซสเซอร์ ในอีกด้านหนึ่งนี่เป็นแนวทางดั้งเดิมที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาโปรเซสเซอร์พร้อมชุดคำสั่งเต็มรูปแบบ - สถาปัตยกรรม CIS(คอมพิวเตอร์ชุดคำสั่งที่สมบูรณ์ - คอมพิวเตอร์ที่มีชุดคำสั่งครบชุด) ในทางกลับกัน นี่คือการใช้งานในคอมพิวเตอร์ที่มีชุดคำสั่งง่าย ๆ แต่ใช้บ่อยลดลงซึ่งทำให้สามารถลดความซับซ้อนของฮาร์ดแวร์โปรเซสเซอร์และเพิ่มประสิทธิภาพ - สถาปัตยกรรม RISC(คอมพิวเตอร์ชุดคำสั่งแบบลด - คอมพิวเตอร์พร้อมชุดคำสั่งแบบลดขนาด)
ค่าคอมพิวเตอร์ ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย โดยเฉพาะความเร็ว ความจุหน่วยความจำ ระบบคำสั่ง เป็นต้น อิทธิพลใหญ่ค่าใช้จ่ายจะขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าเฉพาะของคอมพิวเตอร์ และประการแรกคืออุปกรณ์ภายนอกที่รวมอยู่ในเครื่อง สุดท้ายนี้ ต้นทุนของซอฟต์แวร์มีผลกระทบอย่างมากต่อต้นทุนของคอมพิวเตอร์
ความน่าเชื่อถือของคอมพิวเตอร์ - นี่คือความสามารถของเครื่องจักรในการรักษาคุณสมบัติภายใต้สภาวะการทำงานที่กำหนดในช่วงระยะเวลาหนึ่ง ตัวบ่งชี้ต่อไปนี้สามารถใช้เป็นการประเมินเชิงปริมาณของความน่าเชื่อถือของคอมพิวเตอร์ที่มีองค์ประกอบซึ่งความล้มเหลวนำไปสู่ความล้มเหลวของเครื่องทั้งหมด:
ความน่าจะเป็นของการดำเนินการที่ปราศจากความล้มเหลวสำหรับ เวลาที่แน่นอนภายใต้เงื่อนไขการทำงานที่กำหนด
เวลาเฉลี่ยของคอมพิวเตอร์ระหว่างความล้มเหลว
เวลาเฉลี่ยในการกู้คืนเครื่อง ฯลฯ
สำหรับโครงสร้างที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น คอมพิวเตอร์คอมเพล็กซ์หรือระบบ แนวคิดเรื่อง "ความล้มเหลว" ไม่สมเหตุสมผล ในระบบดังกล่าว ความล้มเหลวของแต่ละองค์ประกอบทำให้ประสิทธิภาพการทำงานลดลงเล็กน้อย และไม่ทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมลดลงโดยสิ้นเชิง
คุณลักษณะอื่นๆ ของเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ก็มีความสำคัญเช่นกัน เช่น ความเก่งกาจ ความเข้ากันได้ของซอฟต์แวร์ น้ำหนัก ขนาด การใช้พลังงาน ฯลฯ ซึ่งจะนำมาพิจารณาเมื่อประเมินพื้นที่เฉพาะของแอปพลิเคชันคอมพิวเตอร์
วิธีการจัดระเบียบซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์ในคอมเพล็กซ์สถานที่ทำงานอัตโนมัติควรถูกกำหนดในบริบททั่วไปของกระบวนการพิจารณาของการจัดการการผลิตเชิงปฏิบัติการ (OPM) ขององค์กรอุตสาหกรรมซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อลดต้นทุนของทรัพยากรทุกประเภทสำหรับการผลิต ของรายการแรงงานที่กำหนดไว้
วิธีการจัดระเบียบซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์ในคอมเพล็กซ์สถานที่ทำงานอัตโนมัติควรถูกกำหนดในบริบททั่วไปของกระบวนการพิจารณาของการจัดการการผลิตเชิงปฏิบัติการ (OPM) ขององค์กรอุตสาหกรรมซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อลดต้นทุนของทรัพยากรทุกประเภทสำหรับการผลิต ของรายการแรงงานที่กำหนดไว้
การสังเคราะห์วิธีการและแบบจำลองสำหรับการจัดระเบียบซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์เมื่อนำเสนอ AS EUP เป็นคอมเพล็กซ์สถานที่ทำงานอัตโนมัติของทีมการผลิตที่สนับสนุนตนเองจะต้องผ่านสองขั้นตอน: ขั้นตอนของการกำหนดองค์ประกอบที่มีเหตุผลของฮาร์ดแวร์คอมพิวเตอร์และขั้นตอนของการแก้ปัญหาการจัดสรร ทรัพยากรของระบบคอมพิวเตอร์ของอาคารสถานที่ทำงานอัตโนมัติให้กับผู้ใช้ปลายทาง
ความเข้ากันได้ทางเทคนิค (ฮาร์ดแวร์) ของอุปกรณ์ VT ใหม่ที่เกี่ยวข้องกับกลุ่ม VT ที่มีอยู่ของลูกค้าและกับกลุ่ม VT ที่คาดการณ์ไว้สำหรับการซื้อกิจการในอนาคต การปฏิบัติแสดงให้เห็นว่าตัวบ่งชี้นี้เป็นหนึ่งในสิ่งที่สำคัญที่สุดที่นำมาพิจารณาเมื่อเลือก VT แนวโน้มที่จะซื้ออุปกรณ์ VT ที่เป็นฮาร์ดแวร์ที่เข้ากันได้กับอุปกรณ์ที่มีอยู่นั้นมีความเกี่ยวข้องกับเหตุผลเชิงวัตถุประสงค์และเชิงอัตวิสัยหลายประการ อย่างน้อยที่สุดก็คือจิตวิทยาของลูกค้า ความรู้สึกมั่นใจในความสำเร็จของการใช้ฮาร์ดแวร์ประเภทนี้โดยเฉพาะ ความเข้ากันได้ของซอฟต์แวร์ ซึ่งพิจารณาจากความเข้ากันได้ของระบบคำสั่งที่ใช้ฮาร์ดแวร์ ความเข้ากันได้ของรูปแบบการนำเสนอข้อมูล ความเข้ากันได้ของนักแปล DBMS ฯลฯ ผลกระทบที่สำคัญของตัวบ่งชี้นี้ต่อการใช้ทรัพยากรสามารถอธิบายได้จากความพร้อมของข้อมูลด้านกฎระเบียบ การเก็บถาวร และสถิติที่เตรียมไว้ก่อนหน้านี้จำนวนมาก รวมถึงความเชี่ยวชาญของบุคลากรที่ได้รับการฝึกอบรมในองค์กรที่มีประสบการณ์การทำงานกับเครื่องมือซอฟต์แวร์พื้นฐานเฉพาะ
ความเข้ากันได้ในการปฏิบัติงานภายในคอมเพล็กซ์ฮาร์ดแวร์คอมพิวเตอร์ที่ซื้อมา ซึ่งในกรณีที่โมดูลเวิร์กสเตชันแต่ละโมดูลล้มเหลว สามารถเปลี่ยนโมดูลที่ล้มเหลวได้ทันที หรือมอบหมายอุปกรณ์ใหม่ที่ใช้ระหว่างเวิร์กสเตชันเฉพาะภายในทรัพยากรการประมวลผลของคอมเพล็กซ์ทั้งหมด (ภายในคอมเพล็กซ์เวิร์กช็อป ภายในคอมเพล็กซ์ intershop ภายในระบบขององค์กรใด ๆ)
ความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ VT ตามข้อกำหนดทางเทคนิคและความสอดคล้องกับเงื่อนไขการทำงานเฉพาะ: การสั่นสะเทือน ออกซิเดชัน ฝุ่น การปนเปื้อนของก๊าซ ไฟกระชาก ฯลฯ ต้องใช้อุปกรณ์ป้องกันเพิ่มเติม
ความเร็วรวมของการแก้ปัญหาการทำงานตามประเภทของคอมเพล็กซ์เวิร์กสเตชันอัตโนมัติคือความเร็วของการประมวลผลปริมาณข้อมูลที่มีอยู่ในโหมดการทำงานต่างๆ โดยปกติแล้ว ในการกำหนดค่าของตัวบ่งชี้นี้ การรู้เฉพาะปริมาณนั้นไม่เพียงพอ ฐานข้อมูลคุณลักษณะเฉพาะของเวิร์กสเตชันและหนังสือเดินทางและทรัพยากรการประมวลผลที่จัดเตรียมไว้ให้
ดังนั้นในการประเมินค่าของตัวบ่งชี้นี้โดยประมาณ (ลำดับ) จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่ประสบการณ์การปฏิบัติงานกับวัตถุ VT ระดับเดียวกันหรือผลลัพธ์ที่ได้จากแบบจำลองการจำลองโดยที่ฐานข้อมูลสอดคล้องกับปริมาณและโครงสร้างกับของจริง คน การประมาณข้อมูลที่ได้จากตัวอย่างการทดสอบอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดในผลลัพธ์ได้ ซึ่งจะแตกต่างไปตามลำดับความสำคัญจากการประมาณการจริงที่ได้รับในภายหลังระหว่างการทำงานของระบบ แหล่งที่มาของข้อผิดพลาดส่วนใหญ่มักเกิดจากความคลุมเครือของอัลกอริธึมการปฏิบัติงานและยูทิลิตี้ ระบบปฏิบัติการโปรโตคอลการสื่อสาร ไดรเวอร์ และเครื่องมือภาษาพื้นฐานเมื่อระบบปฏิบัติการอยู่ในโหมดผู้ใช้หลายคน โหมดมัลติทาสกิ้งที่ทรัพยากรสูงสุดของระบบคอมพิวเตอร์หรือปริมาณสำหรับองค์ประกอบต่างๆ ในกรณีนี้ความเป็นไปได้ของการคำนวณโดยตรงโดยใช้คุณลักษณะประสิทธิภาพของโปรเซสเซอร์, ช่องทางการสื่อสารภายในเครื่อง, ช่องทางการสื่อสารเครือข่าย, ความเร็วในการเข้าถึงข้อมูลตามประเภทของอุปกรณ์ภายนอกจะไม่สามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ปัจจุบัน ความสามารถของโปรเซสเซอร์จำนวนมากและเครื่องมือภาษาที่ใช้สำหรับพวกเขาไม่อนุญาตให้จัดเตรียมชุดงาน PPP CS ที่เป็นไปได้ทั้งหมดด้วยความแม่นยำในการคำนวณที่จำเป็น ดังนั้นเมื่อกำหนดค่าของตัวบ่งชี้นี้จำเป็นต้องแนะนำรายละเอียดตามคลาสงานของเวิร์กสเตชันอัตโนมัติประเภทเฉพาะโดยอ้างอิงถึงการผสมผสานระหว่างเครื่องมือ VT และซอฟต์แวร์พื้นฐานที่พิจารณา
ค่าใช้จ่ายในการใช้งาน "อินเทอร์เฟซที่เป็นมิตร" รวมถึงโปรแกรมการฝึกอบรมและโอกาสในการรับข้อมูลขณะทำงานบนเวิร์กสเตชันเกี่ยวกับวิธีการดำเนินการต่อหรือยุติการสนทนา
ความเป็นไปได้ในการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบและเนื้อหาของฟังก์ชันที่นำไปใช้ในเวิร์กสเตชันเฉพาะ รวมถึงการแจกจ่ายซ้ำระหว่างบุคลากร
รับรองข้อกำหนดสำหรับการป้องกันการเข้าถึงฐานความรู้และฐานข้อมูลโดยไม่ได้รับอนุญาต ตลอดจนรับรอง "ความโปร่งใส" หากจำเป็น
การจำแนกประเภทของอุปกรณ์คอมพิวเตอร์
1. ฮาร์ดแวร์
องค์ประกอบของระบบคอมพิวเตอร์เรียกว่าการกำหนดค่า ฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์มักจะพิจารณาแยกกัน ดังนั้น การกำหนดค่าฮาร์ดแวร์ของระบบคอมพิวเตอร์และการกำหนดค่าซอฟต์แวร์จึงถูกพิจารณาแยกกัน หลักการแยกนี้มีความสำคัญเป็นพิเศษสำหรับวิทยาการคอมพิวเตอร์ เนื่องจากบ่อยครั้งที่การแก้ปัญหาเดียวกันสามารถทำได้ทั้งจากฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ เกณฑ์ในการเลือกโซลูชันฮาร์ดแวร์หรือซอฟต์แวร์คือประสิทธิภาพและประสิทธิผล เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าโซลูชันฮาร์ดแวร์มีราคาแพงกว่าโดยเฉลี่ย แต่การนำโซลูชันซอฟต์แวร์ไปใช้นั้นต้องการบุคลากรที่มีคุณสมบัติสูงมากกว่า
ถึง ฮาร์ดแวร์ระบบคอมพิวเตอร์ประกอบด้วยอุปกรณ์และเครื่องมือที่สร้างการกำหนดค่าฮาร์ดแวร์ คอมพิวเตอร์สมัยใหม่และระบบคอมพิวเตอร์มีการออกแบบบล็อกโมดูลาร์ - การกำหนดค่าฮาร์ดแวร์ที่จำเป็นในการทำงานประเภทเฉพาะ ซึ่งสามารถประกอบได้จากหน่วยและบล็อกสำเร็จรูป
ส่วนประกอบฮาร์ดแวร์หลักของระบบคอมพิวเตอร์ได้แก่: หน่วยความจำ โปรเซสเซอร์กลาง และอุปกรณ์ต่อพ่วง ซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยบัสระบบ (รูปที่ 1) หน่วยความจำหลักได้รับการออกแบบมาเพื่อจัดเก็บโปรแกรมและข้อมูลในรูปแบบไบนารี่ และถูกจัดระเบียบในรูปแบบ ของอาเรย์ของเซลล์ที่เรียงลำดับกัน ซึ่งแต่ละเซลล์มีที่อยู่ดิจิทัลที่ไม่ซ้ำกัน โดยทั่วไป ขนาดเซลล์คือ 1 ไบต์ การทำงานทั่วไปในหน่วยความจำหลัก: การอ่านและการเขียนเนื้อหาของเซลล์ด้วยที่อยู่เฉพาะ
2. โปรเซสเซอร์กลาง
หน่วยประมวลผลกลางเป็นหน่วยกลางของคอมพิวเตอร์ที่ดำเนินการประมวลผลข้อมูลและควบคุมอุปกรณ์ต่อพ่วงของคอมพิวเตอร์ โปรเซสเซอร์กลางประกอบด้วย:
อุปกรณ์ควบคุม - จัดระเบียบกระบวนการรันโปรแกรมและประสานงานการโต้ตอบของอุปกรณ์ทั้งหมดของระบบคอมพิวเตอร์ระหว่างการทำงาน
หน่วยเลขคณิต-ลอจิคัล - ดำเนินการทางคณิตศาสตร์และตรรกะกับข้อมูล: การบวก การลบ การคูณ การหาร การเปรียบเทียบ ฯลฯ
อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล-คือ หน่วยความจำภายในโปรเซสเซอร์ซึ่งประกอบด้วยรีจิสเตอร์เมื่อใช้โปรเซสเซอร์จะทำการคำนวณและจัดเก็บผลลัพธ์ระดับกลาง เพื่อเพิ่มความเร็วในการทำงานกับ RAM จะใช้หน่วยความจำแคชซึ่งคำสั่งและข้อมูลจาก RAM ที่จำเป็นสำหรับโปรเซสเซอร์สำหรับการดำเนินการในภายหลังจะถูกปั๊มไปข้างหน้า
เครื่องกำเนิดสัญญาณนาฬิกา - สร้างแรงกระตุ้นทางไฟฟ้าที่ซิงโครไนซ์การทำงานของโหนดคอมพิวเตอร์ทั้งหมด
โปรเซสเซอร์กลางดำเนินการต่างๆ กับข้อมูลโดยใช้เซลล์พิเศษสำหรับจัดเก็บตัวแปรหลักและผลลัพธ์ชั่วคราว - การลงทะเบียนภายใน รีจิสเตอร์แบ่งออกเป็นสองประเภท (รูปที่ 2):
รีจิสเตอร์วัตถุประสงค์ทั่วไป - ใช้สำหรับการจัดเก็บชั่วคราวของตัวแปรโลคอลที่สำคัญและผลการคำนวณขั้นกลาง รวมถึงรีจิสเตอร์ข้อมูลและรีจิสเตอร์พอยน์เตอร์ หน้าที่หลักคือการจัดให้มี เข้าถึงได้อย่างรวดเร็วไปยังข้อมูลที่ใช้บ่อย (โดยปกติจะไม่มีการเข้าถึงหน่วยความจำ)
รีจิสเตอร์เฉพาะทาง - ใช้เพื่อควบคุมการทำงานของโปรเซสเซอร์ สิ่งที่สำคัญที่สุดคือ: รีจิสเตอร์คำสั่ง, ตัวชี้สแต็ก, รีจิสเตอร์แฟล็ก และรีจิสเตอร์ที่มีข้อมูลเกี่ยวกับสถานะของโปรแกรม
โปรแกรมเมอร์สามารถใช้การลงทะเบียนข้อมูลตามดุลยพินิจของเขาเพื่อจัดเก็บวัตถุใด ๆ (ข้อมูลหรือที่อยู่) ชั่วคราวและดำเนินการที่จำเป็นกับวัตถุเหล่านั้น การลงทะเบียนดัชนี เช่น การลงทะเบียนข้อมูล สามารถใช้ในลักษณะใดก็ได้ วัตถุประสงค์หลักคือเพื่อจัดเก็บดัชนีหรือออฟเซ็ตของข้อมูลและคำสั่งจากจุดเริ่มต้นของที่อยู่ฐาน (เมื่อดึงตัวถูกดำเนินการจากหน่วยความจำ) ที่อยู่ฐานอาจอยู่ในทะเบียนฐาน
การลงทะเบียนเซกเมนต์เป็นองค์ประกอบสำคัญของสถาปัตยกรรมโปรเซสเซอร์ โดยให้การกำหนดแอดเดรสของพื้นที่ 20 บิตโดยใช้ตัวถูกดำเนินการ 16 บิต การลงทะเบียนส่วนหลัก: CS - การลงทะเบียนส่วนรหัส; DS - การลงทะเบียนส่วนข้อมูล SS คือการลงทะเบียนเซ็กเมนต์สแต็ก ES คือการลงทะเบียนเซ็กเมนต์เพิ่มเติม หน่วยความจำเข้าถึงได้ผ่านเซ็กเมนต์ - รูปแบบลอจิคัลที่ซ้อนทับบนส่วนใดๆ ของพื้นที่ที่อยู่ทางกายภาพ ที่อยู่เริ่มต้นของเซ็กเมนต์หารด้วย 16 (โดยไม่มีเลขฐานสิบหกที่มีนัยสำคัญน้อยที่สุด) จะถูกป้อนลงในการลงทะเบียนเซ็กเมนต์ตัวใดตัวหนึ่ง หลังจากนั้นให้เข้าถึงส่วนหน่วยความจำโดยเริ่มจากที่อยู่ส่วนที่ระบุ
ที่อยู่ของเซลล์หน่วยความจำประกอบด้วยคำสองคำ คำหนึ่งกำหนดตำแหน่งในหน่วยความจำของส่วนที่เกี่ยวข้อง และอีกคำหนึ่ง - ออฟเซ็ตภายในส่วนนี้ ขนาดของเซ็กเมนต์ถูกกำหนดโดยจำนวนข้อมูลที่มีอยู่ แต่ต้องไม่เกิน 64 KB ซึ่งถูกกำหนดโดยค่าออฟเซ็ตสูงสุดที่เป็นไปได้ ที่อยู่เซ็กเมนต์ของเซ็กเมนต์คำสั่งจะถูกจัดเก็บไว้ในการลงทะเบียน CS และออฟเซ็ตของไบต์ที่ระบุจะถูกจัดเก็บไว้ในการลงทะเบียนตัวชี้คำสั่ง IP
รูปที่ 2. การลงทะเบียนโปรเซสเซอร์ 32 บิต
หลังจากโหลดโปรแกรมแล้ว ค่าออฟเซ็ตของคำสั่งแรกของโปรแกรมจะถูกป้อนลงใน IP โปรเซสเซอร์เมื่ออ่านจากหน่วยความจำแล้วจะเพิ่มเนื้อหาของ IP ตามความยาวของคำสั่งนี้ (คำสั่งโปรเซสเซอร์ Intel สามารถมีความยาวได้ 1 ถึง 6 ไบต์) ซึ่งเป็นผลมาจากการที่ IP ชี้ไปที่คำสั่งที่สองของโปรแกรม . เมื่อดำเนินการคำสั่งแรกแล้ว โปรเซสเซอร์จะอ่านคำสั่งที่สองจากหน่วยความจำ และเพิ่มค่า IP อีกครั้ง เป็นผลให้ IP มีออฟเซ็ตของคำสั่งถัดไปเสมอ - คำสั่งที่อยู่ถัดจากคำสั่งที่กำลังดำเนินการ อัลกอริธึมที่อธิบายไว้ถูกละเมิดเฉพาะเมื่อดำเนินการคำสั่งการข้าม การเรียกรูทีนย่อย และการบริการขัดจังหวะเท่านั้น
ที่อยู่เซ็กเมนต์ของเซ็กเมนต์ข้อมูลถูกจัดเก็บไว้ใน DS register ส่วนออฟเซ็ตอาจอยู่ในรีจิสเตอร์วัตถุประสงค์ทั่วไปรายการใดรายการหนึ่ง การลงทะเบียนเซ็กเมนต์ ES เพิ่มเติมใช้เพื่อเข้าถึงฟิลด์ข้อมูลที่ไม่รวมอยู่ในโปรแกรม เช่น บัฟเฟอร์วิดีโอหรือเซลล์ของระบบ อย่างไรก็ตาม หากจำเป็น คุณสามารถกำหนดค่าให้กับส่วนใดส่วนหนึ่งของโปรแกรมได้ ตัวอย่างเช่น หากโปรแกรมทำงานกับข้อมูลจำนวนมาก คุณสามารถจัดเตรียมสองเซ็กเมนต์สำหรับเซ็กเมนต์เหล่านั้น และเข้าถึงเซ็กเมนต์หนึ่งผ่าน DS register และอีกเซ็กเมนต์ผ่าน ES register
SP การลงทะเบียนตัวชี้สแต็กถูกใช้เป็นตัวชี้ไปที่ด้านบนของสแต็ก สแต็กเป็นพื้นที่โปรแกรมสำหรับการจัดเก็บข้อมูลชั่วคราวตามอำเภอใจ ความสะดวกของสแต็กอยู่ที่ว่าพื้นที่นั้นถูกใช้ซ้ำๆ และการจัดเก็บข้อมูลบนสแต็กและดึงข้อมูลจากที่นั่นจะดำเนินการโดยใช้คำสั่ง push และ pop โดยไม่ต้องระบุชื่อ โดยปกติแล้วสแต็กใช้เพื่อจัดเก็บเนื้อหาของรีจิสเตอร์ที่ใช้โดยโปรแกรมก่อนที่จะเรียกใช้รูทีนย่อย ซึ่งในทางกลับกันจะใช้รีจิสเตอร์ตัวประมวลผลเพื่อวัตถุประสงค์ของตัวเอง เนื้อหาดั้งเดิมของรีจิสเตอร์จะถูกดึงออกมาจากสแต็กหลังจากที่รูทีนย่อยส่งคืน เทคนิคทั่วไปอีกประการหนึ่งคือการส่งพารามิเตอร์ที่ต้องการไปยังรูทีนย่อยผ่านสแต็ก รูทีนย่อยเมื่อรู้ว่าพารามิเตอร์ถูกวางบนสแต็กตามลำดับใด สามารถนำพารามิเตอร์เหล่านั้นจากที่นั่นและใช้ในระหว่างดำเนินการได้
คุณลักษณะที่โดดเด่นของสแต็กคือลำดับเฉพาะในการเรียกข้อมูลที่มีอยู่ในสแต็ก ในเวลาใดก็ตาม เฉพาะองค์ประกอบด้านบนเท่านั้นที่จะพร้อมใช้งานบนสแต็ก นั่นคือองค์ประกอบที่ถูกโหลดลงบนสแต็กครั้งล่าสุด การดึงองค์ประกอบด้านบนออกจากสแต็กทำให้องค์ประกอบถัดไปพร้อมใช้งาน องค์ประกอบสแต็กอยู่ในพื้นที่หน่วยความจำที่จัดสรรสำหรับสแต็ก โดยเริ่มจากด้านล่างสุดของสแต็ก (ตามที่อยู่สูงสุด) ที่ที่อยู่ลดลงอย่างต่อเนื่อง ที่อยู่ขององค์ประกอบด้านบนสุดที่สามารถเข้าถึงได้จะถูกจัดเก็บไว้ใน SP ของตัวชี้สแต็กรีจิสเตอร์
รีจิสเตอร์พิเศษใช้ได้เฉพาะในโหมดสิทธิพิเศษเท่านั้น และใช้งานโดยระบบปฏิบัติการ พวกเขาควบคุม บล็อกต่างๆหน่วยความจำแคช หน่วยความจำหลัก อุปกรณ์รับเข้า/ส่งออก และอุปกรณ์ระบบคอมพิวเตอร์อื่นๆ
มีการลงทะเบียนหนึ่งรายการที่สามารถเข้าถึงได้ทั้งในโหมดสิทธิพิเศษและโหมดผู้ใช้ นี่คือการลงทะเบียน PSW (Program State Word) ซึ่งเรียกว่าการลงทะเบียนแฟล็ก รีจิสเตอร์แฟล็กประกอบด้วยบิตต่างๆ ที่โปรเซสเซอร์กลางต้องการ ที่สำคัญที่สุดคือรหัสเงื่อนไขที่ใช้ในการเปรียบเทียบและการข้ามแบบมีเงื่อนไข ซึ่งถูกตั้งค่าในแต่ละรอบของหน่วยทางคณิตศาสตร์-โลจิคัลของโปรเซสเซอร์และสะท้อนถึงสถานะของผลลัพธ์ของครั้งก่อนหน้า การดำเนินการ. เนื้อหาของการลงทะเบียนแฟล็กขึ้นอยู่กับประเภทของระบบคอมพิวเตอร์ และอาจรวมถึงฟิลด์เพิ่มเติมที่ระบุ: โหมดเครื่องจักร (เช่น ผู้ใช้หรือสิทธิพิเศษ) บิตการติดตาม (ซึ่งใช้สำหรับการดีบัก); ระดับความสำคัญของโปรเซสเซอร์ สถานะการเปิดใช้งานขัดจังหวะ โดยปกติการลงทะเบียนแฟล็กจะอ่านในโหมดผู้ใช้ แต่บางฟิลด์สามารถเขียนได้ในโหมดสิทธิพิเศษเท่านั้น (เช่น บิตที่ระบุโหมด)
การลงทะเบียนตัวชี้คำสั่งประกอบด้วยที่อยู่ของคำสั่งถัดไปในคิวสำหรับการดำเนินการ หลังจากเลือกคำสั่งจากหน่วยความจำแล้ว รีจิสเตอร์คำสั่งจะถูกปรับ และตัวชี้จะย้ายไปยังคำสั่งถัดไป ตัวชี้คำสั่งจะติดตามความคืบหน้าของการทำงานของโปรแกรม โดยระบุในแต่ละช่วงเวลาถึงที่อยู่สัมพัทธ์ของคำสั่งที่อยู่ถัดจากคำสั่งที่กำลังดำเนินการ การลงทะเบียนไม่สามารถเข้าถึงได้โดยทางโปรแกรม การเพิ่มที่อยู่นั้นดำเนินการโดยไมโครโปรเซสเซอร์โดยคำนึงถึงความยาวของคำสั่งปัจจุบัน คำสั่งสำหรับการกระโดด การขัดจังหวะ การเรียกรูทีนย่อยและการส่งคืนจากคำสั่งเหล่านั้นจะเปลี่ยนเนื้อหาของพอยน์เตอร์ ดังนั้นจึงเป็นการเปลี่ยนไปยังจุดที่ต้องการในโปรแกรม
การลงทะเบียนตัวสะสมถูกใช้ในคำสั่งส่วนใหญ่ คำสั่งที่ใช้บ่อยโดยใช้รีจิสเตอร์นี้มีรูปแบบที่สั้นลง
ในการประมวลผลข้อมูล ข้อมูลมักจะถูกถ่ายโอนจากเซลล์หน่วยความจำไปยังรีจิสเตอร์ทั่วไป การดำเนินการจะดำเนินการโดยโปรเซสเซอร์กลาง และผลลัพธ์จะถูกถ่ายโอนไปยังหน่วยความจำหลัก โปรแกรมจะถูกจัดเก็บตามลำดับคำสั่งเครื่องที่ต้องดำเนินการโดยโปรเซสเซอร์กลาง แต่ละคำสั่งประกอบด้วยฟิลด์การดำเนินการและฟิลด์ตัวถูกดำเนินการ - ข้อมูลที่ใช้ดำเนินการ ชุดคำสั่งเครื่องเรียกว่าภาษาเครื่อง โปรแกรมจะดำเนินการดังนี้ คำสั่งเครื่องที่ตัวนับโปรแกรมชี้ไปนั้นจะถูกอ่านจากหน่วยความจำและคัดลอกไปยังรีจิสเตอร์คำสั่ง ซึ่งจะถูกถอดรหัสแล้วดำเนินการ หลังจากดำเนินการแล้ว ตัวนับของโปรแกรมจะชี้ไปที่คำสั่งถัดไป ฯลฯ การดำเนินการเหล่านี้เรียกว่าวงจรเครื่องจักร
โปรเซสเซอร์กลางส่วนใหญ่มีโหมดการทำงานสองโหมด: โหมดเคอร์เนลและโหมดผู้ใช้ ซึ่งระบุเป็นบิตในคำสถานะโปรเซสเซอร์ (แฟล็กรีจิสเตอร์) หากโปรเซสเซอร์ทำงานในโหมดเคอร์เนล โปรเซสเซอร์จะสามารถดำเนินการคำสั่งทั้งหมดในชุดคำสั่งและใช้ความสามารถทั้งหมดของฮาร์ดแวร์ได้ ระบบปฏิบัติการทำงานในโหมดเคอร์เนลและให้การเข้าถึงฮาร์ดแวร์ทั้งหมด โปรแกรมผู้ใช้ทำงานในโหมดผู้ใช้ ซึ่งช่วยให้สามารถดำเนินการคำสั่งต่างๆ ได้มากมาย แต่ทำให้พร้อมใช้งานเพียงส่วนหนึ่งของฮาร์ดแวร์เท่านั้น
ในการสื่อสารกับระบบปฏิบัติการ โปรแกรมผู้ใช้จะต้องทำการเรียกระบบเพื่อเข้าสู่โหมดเคอร์เนลและเปิดใช้งานฟังก์ชันของระบบปฏิบัติการ คำสั่ง trap (emulated Interrupt) สลับโหมดการทำงานของโปรเซสเซอร์จากผู้ใช้เป็นโหมดเคอร์เนล และถ่ายโอนการควบคุมไปยังระบบปฏิบัติการ หลังจากเสร็จสิ้นงาน การควบคุมจะกลับสู่โปรแกรมผู้ใช้ สู่คำสั่งตามหลังการเรียกของระบบ
ในคอมพิวเตอร์ นอกเหนือจากคำแนะนำในการดำเนินการเรียกระบบแล้ว ยังมีการขัดจังหวะที่ฮาร์ดแวร์เรียกเพื่อเตือนสถานการณ์ข้อยกเว้น เช่น ความพยายามที่จะหารด้วยศูนย์หรือจุดลอยตัวล้น ในกรณีดังกล่าวทั้งหมด การควบคุมจะส่งผ่านไปยังระบบปฏิบัติการ ซึ่งจะต้องตัดสินใจว่าจะทำอย่างไรต่อไป บางครั้งคุณจำเป็นต้องยุติโปรแกรมด้วยข้อความแสดงข้อผิดพลาด บางครั้งคุณสามารถเพิกเฉยได้ (เช่น หากตัวเลขสูญเสียความสำคัญ ก็สามารถตั้งค่าเป็นศูนย์ได้) หรือถ่ายโอนการควบคุมไปยังโปรแกรมเองเพื่อจัดการกับเงื่อนไขบางประเภท
ขึ้นอยู่กับการจัดเรียงอุปกรณ์ที่สัมพันธ์กับโปรเซสเซอร์กลาง อุปกรณ์ภายในและภายนอกจะมีความโดดเด่น ตามกฎแล้วภายนอกคืออุปกรณ์อินพุต/เอาท์พุตส่วนใหญ่ (หรือที่เรียกว่าอุปกรณ์ต่อพ่วง) และอุปกรณ์บางตัวที่ออกแบบมาเพื่อจัดเก็บข้อมูลระยะยาว
การประสานงานระหว่างแต่ละโหนดและบล็อกจะดำเนินการโดยใช้อุปกรณ์ฮาร์ดแวร์-โลจิคัลแบบเปลี่ยนผ่านที่เรียกว่าอินเทอร์เฟซฮาร์ดแวร์ มาตรฐานสำหรับอินเทอร์เฟซฮาร์ดแวร์ในการคำนวณเรียกว่าโปรโตคอล - ชุดเงื่อนไขทางเทคนิคที่นักพัฒนาอุปกรณ์ต้องจัดเตรียมไว้เพื่อให้สามารถประสานงานการทำงานกับอุปกรณ์อื่น ๆ ได้สำเร็จ
อินเทอร์เฟซจำนวนมากที่มีอยู่ในสถาปัตยกรรมของระบบคอมพิวเตอร์ใด ๆ สามารถแบ่งออกเป็นสองกลุ่มใหญ่: อนุกรมและขนาน ผ่านอินเทอร์เฟซแบบอนุกรม ข้อมูลจะถูกส่งตามลำดับทีละบิต และผ่านอินเทอร์เฟซแบบขนาน - พร้อมกันในกลุ่มบิต จำนวนบิตที่เกี่ยวข้องกับข้อความเดียวถูกกำหนดโดยความกว้างของอินเทอร์เฟซ ตัวอย่างเช่น อินเทอร์เฟซแบบขนาน 8 บิตส่งหนึ่งไบต์ (8 บิต) ต่อรอบ
อินเทอร์เฟซแบบขนานมักจะซับซ้อนกว่าอินเทอร์เฟซแบบอนุกรม แต่ให้ประสิทธิภาพที่สูงกว่า ใช้เมื่อความเร็วการถ่ายโอนข้อมูลเป็นสิ่งสำคัญ: เพื่อเชื่อมต่ออุปกรณ์การพิมพ์ อุปกรณ์อินพุต ข้อมูลกราฟิก, อุปกรณ์สำหรับบันทึกข้อมูลลงสื่อภายนอก ฯลฯ ประสิทธิภาพของอินเทอร์เฟซแบบขนานวัดเป็นไบต์ต่อวินาที (ไบต์/วินาที; KB/s; MB/s)
อุปกรณ์ อินเทอร์เฟซแบบอนุกรมง่ายขึ้น; ตามกฎแล้วพวกเขาไม่จำเป็นต้องซิงโครไนซ์การทำงานของอุปกรณ์ส่งและรับ (ดังนั้นจึงมักเรียกว่าอินเทอร์เฟซแบบอะซิงโครนัส) แต่ปริมาณงานน้อยกว่าและค่าสัมประสิทธิ์ การกระทำที่เป็นประโยชน์ด้านล่าง. เนื่องจากการแลกเปลี่ยนข้อมูลผ่านอุปกรณ์อนุกรมไม่ได้ดำเนินการเป็นไบต์ แต่เป็นบิต ประสิทธิภาพจึงวัดเป็นบิตต่อวินาที (bps, Kbps, Mbps) แม้จะมีความเรียบง่ายที่เห็นได้ชัดในการแปลงหน่วยความเร็วการส่งข้อมูลแบบอนุกรมเป็นหน่วยความเร็วการถ่ายโอนข้อมูลแบบขนานโดยการแบ่งทางกลไกด้วย 8 แต่การแปลงดังกล่าวไม่ได้ดำเนินการเนื่องจากไม่ถูกต้องเนื่องจากมีข้อมูลบริการ ทางเลือกสุดท้ายที่ปรับตามข้อมูลบริการ บางครั้งความเร็วของอุปกรณ์อนุกรมจะแสดงเป็นอักขระต่อวินาทีหรือเป็นอักขระต่อวินาที (s/s) แต่ค่านี้ไม่ใช่ค่าทางเทคนิค แต่เป็นการอ้างอิงลักษณะของผู้บริโภค
อินเทอร์เฟซแบบอนุกรมใช้เพื่อเชื่อมต่ออุปกรณ์ที่ช้า (อุปกรณ์การพิมพ์คุณภาพต่ำที่ง่ายที่สุด: อุปกรณ์สำหรับอินพุตและเอาต์พุตของข้อมูลตัวอักษรและสัญญาณ เซ็นเซอร์ควบคุม อุปกรณ์สื่อสารประสิทธิภาพต่ำ ฯลฯ) รวมถึงในกรณีที่ไม่มี ข้อจำกัดที่สำคัญเกี่ยวกับระยะเวลาการแลกเปลี่ยนข้อมูล (กล้องดิจิตอล)
องค์ประกอบหลักที่สองของคอมพิวเตอร์คือหน่วยความจำ ระบบหน่วยความจำถูกสร้างขึ้นในรูปแบบของลำดับชั้นของเลเยอร์ (รูปที่ 3) ชั้นบนสุดประกอบด้วยรีจิสเตอร์ภายในของโปรเซสเซอร์กลาง รีจิสเตอร์ภายในมีความจุในการจัดเก็บข้อมูล 32 x 32 บิตบนโปรเซสเซอร์ 32 บิต และ 64 x 64 บิตบนโปรเซสเซอร์ 64 บิต ซึ่งน้อยกว่าหนึ่งกิโลไบต์ในทั้งสองกรณี โปรแกรมเองสามารถจัดการรีจิสเตอร์ได้ (นั่นคือ ตัดสินใจว่าจะเก็บอะไรไว้ในนั้น) โดยไม่ต้องมีการแทรกแซงจากฮาร์ดแวร์
รูปที่ 3 โครงสร้างหน่วยความจำแบบลำดับชั้นทั่วไป
เลเยอร์ถัดไปประกอบด้วยหน่วยความจำแคชซึ่งควบคุมโดยฮาร์ดแวร์เป็นหลัก RAM แบ่งออกเป็นบรรทัดแคช โดยปกติคือ 64 ไบต์ โดยมีที่อยู่ตั้งแต่ 0 ถึง 63 ในบรรทัดศูนย์ จาก 64 ถึง 127 ในบรรทัดที่หนึ่ง เป็นต้น เส้นแคชที่ใช้บ่อยที่สุดจะถูกจัดเก็บไว้ในหน่วยความจำแคชความเร็วสูงซึ่งอยู่ภายในหรือใกล้กับ CPU มาก เมื่อโปรแกรมจำเป็นต้องอ่านคำจากหน่วยความจำ ชิปแคชจะตรวจสอบเพื่อดูว่า บรรทัดที่ต้องการในแคช หากเป็นกรณีนี้ การเข้าถึงหน่วยความจำแคชอย่างมีประสิทธิภาพจะเกิดขึ้น การร้องขอได้รับการตอบสนองจากแคชทั้งหมด และการร้องขอหน่วยความจำจะไม่ถูกส่งไปยังบัส การเข้าถึงแคชที่สำเร็จมักจะใช้เวลาประมาณสองรอบสัญญาณนาฬิกา ในขณะที่การเข้าถึงแคชที่ไม่สำเร็จส่งผลให้เข้าถึงหน่วยความจำโดยเสียเวลาอย่างมาก หน่วยความจำแคชมีขนาดจำกัดเนื่องจากมีราคาสูง เครื่องบางเครื่องมีแคชสองหรือสามระดับ โดยแต่ละเครื่องจะช้ากว่าและใหญ่กว่าเครื่องก่อนหน้า
ถัดไปมา RAM (RAM - หน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่ม, RAM อังกฤษ, หน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่ม - หน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่ม) นี่คือพื้นที่ทำงานหลักของอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลของระบบคอมพิวเตอร์ คำขอ CPU ทั้งหมดที่ไม่สามารถตอบสนองได้ด้วยหน่วยความจำแคชจะถูกส่งไปยังหน่วยความจำหลักเพื่อประมวลผล เมื่อรันหลายโปรแกรมบนคอมพิวเตอร์ แนะนำให้วางโปรแกรมที่ซับซ้อนไว้ใน RAM การปกป้องโปรแกรมจากกันและกันและการย้ายโปรแกรมเหล่านั้นไปในหน่วยความจำทำได้โดยการเตรียมคอมพิวเตอร์ด้วยการลงทะเบียนพิเศษสองรายการ: การลงทะเบียนฐานและการลงทะเบียนขีดจำกัด
ในกรณีที่ง่ายที่สุด (รูปที่ 4.a) เมื่อโปรแกรมเริ่มทำงาน การลงทะเบียนฐานจะถูกโหลดพร้อมที่อยู่ของจุดเริ่มต้นของโมดูลโปรแกรมที่ปฏิบัติการได้ และการลงทะเบียนที่จำกัดจะระบุว่าโมดูลโปรแกรมที่ปฏิบัติการได้นั้นใช้ไปเท่าใด ข้อมูล. เมื่อดึงคำสั่งจากหน่วยความจำ ฮาร์ดแวร์จะตรวจสอบตัวนับโปรแกรม และหากน้อยกว่าลิมิตรีจิสเตอร์ ฮาร์ดแวร์จะเพิ่มค่าของรีจิสเตอร์ฐานเข้าไป และโอนผลรวมไปยังหน่วยความจำ เมื่อโปรแกรมต้องการอ่านคำของข้อมูล (เช่น จากที่อยู่ 10,000) ฮาร์ดแวร์จะเพิ่มเนื้อหาของรีจิสเตอร์ฐาน (เช่น 50000) ไปยังที่อยู่นั้นโดยอัตโนมัติ และโอนผลรวม (60000) ไปยังหน่วยความจำ รีจิสเตอร์ฐานอนุญาตให้โปรแกรมอ้างอิงส่วนใด ๆ ของหน่วยความจำตามแอดเดรสที่จัดเก็บไว้ในนั้น นอกจากนี้ ลิมิตรีจิสเตอร์ยังป้องกันไม่ให้โปรแกรมเข้าถึงส่วนใดๆ ของหน่วยความจำหลังจากโปรแกรม ดังนั้นด้วยความช่วยเหลือของโครงการนี้ ปัญหาทั้งสองจึงได้รับการแก้ไข: การป้องกันและการเคลื่อนย้ายโปรแกรม
จากการตรวจสอบและการแปลงข้อมูล ที่อยู่ที่สร้างโดยโปรแกรมและเรียกว่าที่อยู่เสมือนจะถูกแปลเป็นที่อยู่ที่ใช้โดยหน่วยความจำและเรียกว่าที่อยู่จริง อุปกรณ์ที่ทำการตรวจสอบและแปลงเรียกว่าหน่วยจัดการหน่วยความจำหรือตัวจัดการหน่วยความจำ (MMU, หน่วยจัดการหน่วยความจำ) ตัวจัดการหน่วยความจำจะอยู่ในวงจรโปรเซสเซอร์หรือใกล้กับวงจรนั้น แต่จะอยู่ระหว่างโปรเซสเซอร์และหน่วยความจำตามตรรกะ
ตัวจัดการหน่วยความจำที่ซับซ้อนมากขึ้นประกอบด้วยคู่ฐานและลิมิตรีจิสเตอร์สองคู่ คู่หนึ่งสำหรับข้อความโปรแกรม อีกคู่สำหรับข้อมูล คำสั่ง register และการอ้างอิงข้อความโปรแกรมทั้งหมดทำงานกับรีจิสเตอร์คู่แรก ส่วนการอ้างอิงข้อมูลใช้รีจิสเตอร์คู่ที่สอง ด้วยกลไกนี้ทำให้สามารถแชร์โปรแกรมหนึ่งโปรแกรมระหว่างผู้ใช้หลายคนในขณะที่จัดเก็บโปรแกรมเพียงชุดเดียวใน RAM ซึ่งไม่รวมอยู่ในรูปแบบที่เรียบง่าย เมื่อโปรแกรมหมายเลข 1 ทำงาน รีจิสเตอร์ทั้งสี่จะอยู่ดังแสดงในรูปที่ 4 (b) ทางด้านซ้าย เมื่อโปรแกรมหมายเลข 2 ทำงาน - ทางด้านขวา การจัดการตัวจัดการหน่วยความจำเป็นหน้าที่ของระบบปฏิบัติการ
ถัดมาในโครงสร้างหน่วยความจำคือ ดิสก์แม่เหล็ก(ฮาร์ดดิส). หน่วยความจำดิสก์มีขนาดถูกกว่า RAM สองลำดับต่อบิตและมีขนาดใหญ่กว่า แต่การเข้าถึงข้อมูลบนดิสก์จะใช้เวลานานกว่าประมาณสามลำดับ สาเหตุของความเร็วต่ำ ฮาร์ดไดรฟ์คือความจริงที่ว่าดิสก์นั้นเป็นโครงสร้างทางกล ฮาร์ดดิสประกอบด้วยแผ่นโลหะหนึ่งแผ่นขึ้นไปหมุนด้วยความเร็ว 5400, 7200 หรือ 10800 รอบต่อนาที (รูปที่ 5) ข้อมูลจะถูกบันทึกลงบนจานในรูปแบบของวงกลมที่มีศูนย์กลางร่วมกัน หัวอ่าน/เขียนในแต่ละตำแหน่งที่กำหนดสามารถอ่านวงแหวนบนจานที่เรียกว่าแทร็กได้ รางสำหรับตำแหน่งทางแยกที่กำหนดรวมกันจะรวมกันเป็นทรงกระบอก
แต่ละแทร็กจะถูกแบ่งออกเป็นหลายเซกเตอร์ โดยทั่วไปจะมีขนาด 512 ไบต์ต่อเซกเตอร์ ในดิสก์สมัยใหม่ กระบอกสูบด้านนอกจะมีเซกเตอร์มากกว่าทรงกระบอกด้านใน การย้ายส่วนหัวจากกระบอกสูบหนึ่งไปยังอีกกระบอกสูบหนึ่งจะใช้เวลาประมาณ 1 มิลลิวินาที และการย้ายไปยังกระบอกสูบแบบสุ่มจะใช้เวลาประมาณ 5 ถึง 10 มิลลิวินาที ขึ้นอยู่กับไดรฟ์ เมื่อส่วนหัวอยู่เหนือแทร็กที่ต้องการ คุณต้องรอจนกว่ามอเตอร์จะหมุนดิสก์เพื่อให้เซกเตอร์ที่ต้องการอยู่ใต้ศีรษะ ขั้นตอนนี้จะใช้เวลาเพิ่มเติม 5 ถึง 10 ms ขึ้นอยู่กับความเร็วในการหมุนดิสก์ เมื่อเซกเตอร์อยู่ใต้ส่วนหัว กระบวนการอ่านหรือเขียนจะเกิดขึ้นที่ความเร็วตั้งแต่ 5 MB/s (สำหรับไดรฟ์ความเร็วต่ำ) ถึง 160 MB/s (สำหรับไดรฟ์ความเร็วสูง)
ชั้นสุดท้ายถูกครอบครองด้วยเทปแม่เหล็ก สื่อนี้มักใช้ในการสร้าง สำเนาสำรองพื้นที่ว่างในฮาร์ดดิสก์หรือสำหรับจัดเก็บชุดข้อมูลขนาดใหญ่ ในการเข้าถึงข้อมูล เทปถูกวางไว้ในเครื่องอ่านเทปแม่เหล็ก จากนั้นจึงกรอกลับไปยังบล็อกข้อมูลที่ร้องขอ กระบวนการทั้งหมดใช้เวลาไม่กี่นาที ลำดับชั้นของหน่วยความจำที่อธิบายไว้เป็นแบบอย่าง แต่ในบางรูปลักษณ์อาจไม่ใช่ทุกระดับหรือประเภทอื่นๆ ของลำดับชั้นเหล่านั้น (ตัวอย่างเช่น ออปติคัลดิสก์). ไม่ว่าในกรณีใด เมื่อย้ายผ่านลำดับชั้นจากบนลงล่าง เวลาในการเข้าถึงแบบสุ่มจะเพิ่มขึ้นอย่างมากจากอุปกรณ์หนึ่งไปยังอีกอุปกรณ์หนึ่ง และความจุจะเพิ่มขึ้นเทียบเท่ากับเวลาในการเข้าถึง
นอกเหนือจากประเภทที่อธิบายไว้ข้างต้น คอมพิวเตอร์จำนวนมากยังมีหน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่มแบบอ่านอย่างเดียว (ROM, หน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียว) ซึ่งจะไม่สูญเสียเนื้อหาเมื่อระบบคอมพิวเตอร์ปิดอยู่ ROM ได้รับการตั้งโปรแกรมไว้ระหว่างการผลิตและไม่สามารถเปลี่ยนแปลงเนื้อหาได้หลังจากนั้น ในคอมพิวเตอร์บางเครื่อง ROM จะมีโปรแกรมบูตที่ใช้ในการสตาร์ทคอมพิวเตอร์และการ์ด I/O บางตัวสำหรับควบคุมอุปกรณ์ระดับต่ำ
ROM แบบลบข้อมูลด้วยไฟฟ้า (EEPROM, ROM แบบลบข้อมูลด้วยไฟฟ้า) และ Flash RAM (Flash RAM) ก็ไม่ลบเลือนเช่นกัน แต่ ROM ต่างจาก ROM ตรงที่เนื้อหาสามารถลบและเขียนใหม่ได้ อย่างไรก็ตาม การเขียนข้อมูลลงไปจะใช้เวลานานกว่าการเขียนลง RAM มาก ดังนั้นจึงใช้ในลักษณะเดียวกับ ROM
มีหน่วยความจำอีกประเภทหนึ่ง - หน่วยความจำ CMOS ซึ่งมีความผันผวนและใช้เพื่อจัดเก็บวันที่และเวลาปัจจุบัน หน่วยความจำใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ที่ติดตั้งอยู่ในคอมพิวเตอร์ และอาจมีพารามิเตอร์การกำหนดค่า (เช่น ระบุว่าจะใช้ฮาร์ดไดรฟ์ตัวใดในการบู๊ต)
3. อุปกรณ์อินพุต/โอ
อุปกรณ์อื่นๆ ที่มีปฏิสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับระบบปฏิบัติการคืออุปกรณ์อินพุต/เอาท์พุต ซึ่งประกอบด้วยสองส่วน: ตัวควบคุมและอุปกรณ์เอง คอนโทรลเลอร์เป็นไมโครวงจร (ชิปเซ็ต) บนบอร์ดที่เสียบเข้าไปในตัวเชื่อมต่อซึ่งรับและดำเนินการคำสั่งจากระบบปฏิบัติการ
ตัวอย่างเช่น คอนโทรลเลอร์ได้รับคำสั่งให้อ่านเซกเตอร์เฉพาะจากดิสก์ ในการดำเนินการคำสั่ง คอนโทรลเลอร์จะแปลงจำนวนเชิงเส้นของเซกเตอร์ดิสก์ให้เป็นจำนวนกระบอกสูบ เซกเตอร์ และส่วนหัว การดำเนินการแปลงมีความซับซ้อนเนื่องจากกระบอกสูบด้านนอกอาจมีเซกเตอร์มากกว่ากระบอกสูบด้านใน จากนั้นตัวควบคุมจะพิจารณาว่าขณะนี้หัวถังใดอยู่เหนืออยู่ และให้ลำดับของพัลส์เพื่อเคลื่อนหัวตามจำนวนกระบอกสูบที่ต้องการ หลังจากนั้นคอนโทรลเลอร์จะรอให้ดิสก์หมุนโดยวางเซกเตอร์ที่ต้องการไว้ใต้ส่วนหัว จากนั้น กระบวนการอ่านและจัดเก็บบิตเมื่อมาถึงจากดิสก์ กระบวนการลบส่วนหัวและการคำนวณ เช็คซัม. ถัดไป คอนโทรลเลอร์จะรวบรวมบิตที่ได้รับเป็นคำและจัดเก็บไว้ในหน่วยความจำ เพื่อดำเนินงานนี้ คอนโทรลเลอร์จะมีเฟิร์มแวร์ในตัว
ตัวอุปกรณ์ I/O มีอินเทอร์เฟซที่เรียบง่ายซึ่งต้องเป็นไปตามมาตรฐาน IDE แบบรวม (IDE, Integrated Drive Electronics - อินเทอร์เฟซไดรฟ์ในตัว) เนื่องจากอินเทอร์เฟซของอุปกรณ์ถูกซ่อนไว้โดยคอนโทรลเลอร์ ระบบปฏิบัติการจึงเห็นเฉพาะอินเทอร์เฟซคอนโทรลเลอร์ ซึ่งอาจแตกต่างจากอินเทอร์เฟซของอุปกรณ์
เนื่องจากคอนโทรลเลอร์สำหรับอุปกรณ์ I/O ต่างกันจึงต้องการสิ่งที่เหมาะสม ซอฟต์แวร์- ไดรเวอร์ ดังนั้นผู้ผลิตคอนโทรลเลอร์แต่ละรายจะต้องจัดหาไดรเวอร์สำหรับระบบปฏิบัติการที่สนับสนุน มีสามวิธีในการติดตั้งไดรเวอร์ลงในระบบปฏิบัติการ:
สร้างเคอร์เนลใหม่ด้วยไดรเวอร์ใหม่ จากนั้นรีบูตระบบ ซึ่งเป็นจำนวนระบบ UNIX ที่ทำงานได้
สร้างรายการในไฟล์ที่รวมอยู่ในระบบปฏิบัติการที่จำเป็นต้องใช้ไดรเวอร์และรีบูตระบบ ในระหว่างการบู๊ตครั้งแรกระบบปฏิบัติการจะค้นหา ไดรเวอร์ที่จำเป็นและดาวน์โหลด; นี่คือวิธีการทำงานของระบบปฏิบัติการ Windows
ยอมรับไดรเวอร์ใหม่และติดตั้งอย่างรวดเร็วโดยใช้ระบบปฏิบัติการในขณะที่กำลังทำงานอยู่ วิธีการนี้ใช้กับบัสแบบถอดได้ USB และ IEEE 1394 ซึ่งจำเป็นต้องมีไดรเวอร์ที่โหลดแบบไดนามิกเสมอ
มีการลงทะเบียนบางอย่างสำหรับการสื่อสารกับคอนโทรลเลอร์แต่ละตัว ตัวอย่างเช่น ตัวควบคุมดิสก์ขั้นต่ำอาจมีการลงทะเบียนเพื่อระบุที่อยู่ดิสก์ ที่อยู่หน่วยความจำ หมายเลขเซกเตอร์ และทิศทางของการดำเนินการ (อ่านหรือเขียน) เพื่อเปิดใช้งานคอนโทรลเลอร์ ไดรเวอร์จะได้รับคำสั่งจากระบบปฏิบัติการ จากนั้นแปลเป็นค่าที่เหมาะสมสำหรับการเขียนลงรีจิสเตอร์อุปกรณ์
ในคอมพิวเตอร์บางเครื่อง การลงทะเบียนอุปกรณ์ I/O จะถูกแมปกับพื้นที่ที่อยู่ของระบบปฏิบัติการ เพื่อให้สามารถอ่านหรือเขียนได้เหมือนกับคำทั่วไปในหน่วยความจำ ที่อยู่รีจิสเตอร์จะถูกวางไว้ใน RAM นอกเหนือการเข้าถึงของโปรแกรมผู้ใช้ เพื่อปกป้องโปรแกรมผู้ใช้จากฮาร์ดแวร์ (เช่น การใช้รีจิสเตอร์ฐานและลิมิต)
บนคอมพิวเตอร์เครื่องอื่น การลงทะเบียนอุปกรณ์จะอยู่ในพอร์ต I/O พิเศษ และการลงทะเบียนแต่ละรายการจะมีที่อยู่พอร์ตของตัวเอง บนเครื่องดังกล่าว คำสั่ง IN และ OUT จะใช้งานได้ในโหมดสิทธิพิเศษ ซึ่งช่วยให้ไดรเวอร์สามารถอ่านและเขียนรีจิสเตอร์ได้ รูปแบบแรกไม่จำเป็นต้องใช้คำสั่ง I/O พิเศษ แต่ใช้พื้นที่ที่อยู่บางส่วน รูปแบบที่สองไม่ส่งผลต่อพื้นที่ที่อยู่ แต่ต้องใช้คำสั่งพิเศษ ทั้งสองแผนมีการใช้กันอย่างแพร่หลาย การป้อนข้อมูลและการส่งออกข้อมูลทำได้สามวิธี
1. โปรแกรมผู้ใช้ออกคำขอของระบบ ซึ่งเคอร์เนลแปลเป็นการเรียกโพรซีเดอร์สำหรับไดรเวอร์ที่เกี่ยวข้อง จากนั้นไดรเวอร์จะเริ่มกระบวนการ I/O ในช่วงเวลานี้ ไดรเวอร์จะดำเนินการวนรอบโปรแกรมที่สั้นมาก โดยสำรวจความพร้อมของอุปกรณ์ที่กำลังทำงานอยู่อย่างต่อเนื่อง (โดยปกติแล้วจะมีบิตบางอย่างที่บ่งบอกว่าอุปกรณ์ยังคงไม่ว่าง) เมื่อการดำเนินการ I/O เสร็จสิ้น ไดรเวอร์จะวางข้อมูลในตำแหน่งที่จำเป็นและกลับสู่สถานะดั้งเดิม ระบบปฏิบัติการจะส่งคืนการควบคุมไปยังโปรแกรมที่ทำการโทร วิธีการนี้เรียกว่าการรอแบบพร้อมหรือการรอแบบแอคทีฟ และมีข้อเสียประการหนึ่งคือ โปรเซสเซอร์จะต้องสำรวจอุปกรณ์จนกว่าจะทำงานเสร็จ
2. ไดรเวอร์สตาร์ทอุปกรณ์และขอให้ทำการขัดจังหวะเมื่อ I/O เสร็จสมบูรณ์ หลังจากนั้นไดรเวอร์จะส่งคืนข้อมูล ระบบปฏิบัติการจะบล็อกโปรแกรมที่เรียกหากจำเป็น และเริ่มดำเนินการงานอื่น ๆ เมื่อตัวควบคุมตรวจพบการสิ้นสุดของการถ่ายโอนข้อมูล จะมีการขัดจังหวะเพื่อส่งสัญญาณว่าการดำเนินการเสร็จสิ้น กลไกในการใช้งานอินพุต - เอาท์พุตเกิดขึ้นดังนี้ (รูปที่ 6.a):
ขั้นตอนที่ 1: ไดรเวอร์ส่งคำสั่งไปยังคอนโทรลเลอร์ โดยเขียนข้อมูลไปยังรีจิสเตอร์อุปกรณ์ คอนโทรลเลอร์สตาร์ทอุปกรณ์ I/O
ขั้นตอนที่ 2: หลังจากอ่านหรือเขียนเสร็จแล้ว คอนโทรลเลอร์จะส่งสัญญาณไปยังชิปคอนโทรลเลอร์อินเทอร์รัปต์
ขั้นตอนที่ 3: หากตัวควบคุมอินเทอร์รัปต์พร้อมที่จะรับอินเทอร์รัปต์ ก็จะส่งสัญญาณไปยังพินเฉพาะของ CPU
ขั้นตอนที่ 4: ตัวควบคุมอินเทอร์รัปต์จะวางหมายเลขอุปกรณ์ I/O ไว้บนบัสเพื่อให้ CPU สามารถอ่านและรู้ว่าอุปกรณ์ใดทำงานได้เสร็จสิ้นแล้ว เมื่อ CPU ได้รับการขัดจังหวะ เนื้อหาของตัวนับโปรแกรม (PC) และคำสถานะโปรเซสเซอร์ (PSW) จะถูกผลักไปยังสแต็กปัจจุบัน และโปรเซสเซอร์จะสลับไปที่โหมดสิทธิพิเศษ (โหมดเคอร์เนลของระบบปฏิบัติการ) หมายเลขอุปกรณ์ I/O สามารถใช้เป็นดัชนีของส่วนหนึ่งของหน่วยความจำที่ใช้ค้นหาที่อยู่ของตัวจัดการการขัดจังหวะ ของอุปกรณ์นี้. หน่วยความจำส่วนนี้เรียกว่าเวกเตอร์ขัดจังหวะ เมื่อตัวจัดการการขัดจังหวะ (ส่วนหนึ่งของไดรเวอร์อุปกรณ์ที่ส่งการขัดจังหวะ) เริ่มทำงาน มันจะลบตัวนับโปรแกรมและคำสถานะตัวประมวลผลที่อยู่บนสแต็ก จัดเก็บไว้ และสอบถามอุปกรณ์เพื่อดูข้อมูลเกี่ยวกับสถานะ หลังจากการประมวลผลอินเทอร์รัปต์เสร็จสิ้น การควบคุมจะกลับไปยังโปรแกรมผู้ใช้ที่เคยรันก่อนหน้านี้ ไปยังคำสั่งที่การดำเนินการยังไม่เสร็จสิ้น (รูปที่ 6 b)
3.สำหรับการป้อนข้อมูลและการส่งออกข้อมูล จะใช้ตัวควบคุมการเข้าถึงหน่วยความจำโดยตรง (DMA, การเข้าถึงหน่วยความจำโดยตรง) ซึ่งควบคุมการไหลของบิตระหว่าง RAM และตัวควบคุมบางตัวโดยไม่มีการแทรกแซงอย่างต่อเนื่องจากโปรเซสเซอร์กลาง โปรเซสเซอร์เรียกชิป DMA บอกจำนวนไบต์ที่จะถ่ายโอน ระบุที่อยู่ของอุปกรณ์และหน่วยความจำ และทิศทางของการถ่ายโอนข้อมูล และปล่อยให้ชิปทำหน้าที่ของตัวเอง เมื่อเสร็จสิ้น DMA จะทำการขัดจังหวะ ซึ่งได้รับการจัดการตามนั้น
การขัดจังหวะอาจเกิดขึ้นในเวลาที่ไม่เหมาะสม เช่น ในขณะที่กำลังประมวลผลการขัดจังหวะอื่น ด้วยเหตุนี้ CPU จึงมีความสามารถในการปิดใช้งานการขัดจังหวะและเปิดใช้งานในภายหลัง ในขณะที่ปิดใช้งานการขัดจังหวะ อุปกรณ์ทั้งหมดที่ทำงานเสร็จแล้วจะยังคงส่งสัญญาณต่อไป แต่โปรเซสเซอร์จะไม่ถูกขัดจังหวะจนกว่าจะเปิดใช้งานการขัดจังหวะ หากอุปกรณ์หลายเครื่องออกพร้อมกันในขณะที่ปิดใช้งานการขัดจังหวะ ตัวควบคุมการขัดจังหวะจะตัดสินใจว่าควรประมวลผลอุปกรณ์ใดก่อน โดยปกติจะขึ้นอยู่กับลำดับความสำคัญคงที่ที่กำหนดให้กับแต่ละอุปกรณ์
ระบบคอมพิวเตอร์ Pentium มีบัสแปดตัว (แคชบัส, โลคัลบัส, บัสหน่วยความจำ, PCI, SCSI, USB, IDE และ ISA) บัสแต่ละตัวมีความเร็วและฟังก์ชันการถ่ายโอนข้อมูลของตัวเอง ระบบปฏิบัติการจะต้องมีข้อมูลเกี่ยวกับบัสทั้งหมดเพื่อจัดการคอมพิวเตอร์และกำหนดค่า
บัส ISA (Industry Standard Architecture) - ปรากฏตัวครั้งแรกบนคอมพิวเตอร์ IBM PC/AT ทำงานที่ความถี่ 8.33 MHz และสามารถถ่ายโอนข้อมูลได้ 2 ไบต์ต่อรอบสัญญาณนาฬิกาด้วย ความเร็วสูงสุด 16.67 เมกะไบต์/วินาที; รวมอยู่ในระบบสำหรับความเข้ากันได้แบบย้อนหลังกับการ์ด I/O ที่ช้ารุ่นเก่า
บัส PCI (การเชื่อมต่อส่วนประกอบต่อพ่วง, อินเทอร์เฟซ อุปกรณ์ต่อพ่วง) - สร้างโดย Intel ในฐานะผู้สืบทอดต่อบัส ISA สามารถทำงานที่ความถี่ 66 MHz และถ่ายโอน 8 ไบต์ต่อนาฬิกาที่ความเร็ว 528 MB/s ตอนนี้ บัส PCIใช้อุปกรณ์ I/O ความเร็วสูงส่วนใหญ่ เช่นเดียวกับคอมพิวเตอร์ที่ใช้โปรเซสเซอร์ที่ไม่ใช่ของ Intel เนื่องจากการ์ด I/O จำนวนมากสามารถใช้งานร่วมกันได้
CPU ภายในเครื่องบนระบบ Pentium ใช้เพื่อถ่ายโอนข้อมูลไปยังชิปบริดจ์ PCI ซึ่งเข้าถึงหน่วยความจำบนบัสหน่วยความจำเฉพาะ ซึ่งมักจะทำงานที่ความถี่ 100 MHz
แคชบัสใช้เพื่อเชื่อมต่อแคชภายนอก เนื่องจากระบบ Pentium มีแคชระดับแรก (แคช L1) ติดตั้งอยู่ในโปรเซสเซอร์และมีแคชระดับที่สองภายนอกขนาดใหญ่ (แคช L2)
บัส IDE ใช้สำหรับเชื่อมต่ออุปกรณ์ต่อพ่วง: ดิสก์และเครื่องอ่านซีดีรอม บัสเป็นรุ่นต่อจากอินเทอร์เฟซตัวควบคุมดิสก์ PC/AT และปัจจุบันเป็นมาตรฐานบนทุกระบบที่ใช้โปรเซสเซอร์ Pentium
บัส USB (Universal Serial Bus, universal บัสอนุกรม) มีไว้สำหรับการเชื่อมต่ออุปกรณ์อินพุต/เอาท์พุตที่ช้า (แป้นพิมพ์ เมาส์) เข้ากับคอมพิวเตอร์ ใช้ขั้วต่อสี่สายขนาดเล็กที่มีสายไฟสองเส้นจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ USB
บัส USB เป็นบัสส่วนกลางซึ่งอุปกรณ์โฮสต์สำรวจอุปกรณ์ I/O ทุกมิลลิวินาทีเพื่อดูว่ามีข้อมูลหรือไม่ สามารถจัดการการดาวน์โหลดข้อมูลด้วยความเร็ว 1.5 MB/s อุปกรณ์ USB ทั้งหมดใช้ไดร์เวอร์ตัวเดียวกัน จึงสามารถเชื่อมต่อกับระบบได้โดยไม่ต้องรีบูตเครื่อง
บัส SCSI (อินเทอร์เฟซระบบคอมพิวเตอร์ขนาดเล็ก) เป็นบัสประสิทธิภาพสูงที่ใช้สำหรับดิสก์ เครื่องสแกน และอุปกรณ์อื่นๆ ที่รวดเร็วซึ่งต้องการแบนด์วิธจำนวนมาก ประสิทธิภาพสูงถึง 160 MB/s บัส SCSI ใช้กับระบบ Macintosh และได้รับความนิยมในระบบ UNIX และระบบอื่นๆ ที่ใช้โปรเซสเซอร์ Intel
บัส IEEE 1394 (FireWire) เป็นบัสบิตอนุกรมและรองรับการถ่ายโอนข้อมูลแพ็คเก็ตที่ความเร็วสูงถึง 50 MB/s คุณสมบัตินี้ช่วยให้คุณสามารถเชื่อมต่อกล้องวิดีโอดิจิทัลแบบพกพาและอุปกรณ์มัลติมีเดียอื่นๆ เข้ากับคอมพิวเตอร์ของคุณได้ บัส IEEE 1394 ต่างจากบัส USB ตรงที่ไม่มีตัวควบคุมส่วนกลาง
ระบบปฏิบัติการจะต้องสามารถจดจำส่วนประกอบฮาร์ดแวร์และสามารถกำหนดค่าได้ ข้อกำหนดนี้นำไปสู่ อินเทลและ Microsoft เพื่อพัฒนาระบบคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลที่เรียกว่า Plug and Play ก่อนระบบนี้ บอร์ด I/O แต่ละตัวได้แก้ไขที่อยู่การลงทะเบียน I/O และระดับคำขอขัดจังหวะ ตัวอย่างเช่น แป้นพิมพ์ใช้อินเทอร์รัปต์ 1 และที่อยู่ในช่วง 0x60 ถึง 0x64 ตัวควบคุมฟล็อปปี้ดิสก์ใช้อินเตอร์รัปต์ 6 และระบุที่อยู่ 0x3F0 ถึง 0x3F7; เครื่องพิมพ์ใช้อินเทอร์รัปต์ 7 และที่อยู่ตั้งแต่ 0x378 ถึง 0x37A
หากผู้ใช้ซื้อ การ์ดเสียงและโมเด็มก็บังเอิญว่าอุปกรณ์เหล่านี้ใช้การขัดจังหวะเดียวกันโดยไม่ได้ตั้งใจ มีข้อขัดแย้งทำให้อุปกรณ์ไม่สามารถทำงานร่วมกันได้ วิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้คือการสร้างชุดสวิตช์ DIP (จัมเปอร์) ลงในแต่ละบอร์ด และกำหนดค่าแต่ละบอร์ดเพื่อให้ที่อยู่พอร์ตและหมายเลขขัดจังหวะของอุปกรณ์ต่างๆ ไม่ขัดแย้งกัน
Plug and play ช่วยให้ระบบปฏิบัติการรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับอุปกรณ์ I/O โดยอัตโนมัติ กำหนดระดับการขัดจังหวะและที่อยู่ I/O จากส่วนกลาง จากนั้นสื่อสารข้อมูลนี้กับแต่ละบอร์ด ระบบนี้ทำงานบนคอมพิวเตอร์ Pentium คอมพิวเตอร์ทุกเครื่องที่ใช้โปรเซสเซอร์ Pentium จะมีมาเธอร์บอร์ดซึ่งมีโปรแกรมอยู่ - ระบบไบออส(ระบบอินพุตเอาต์พุตพื้นฐาน - ระบบพื้นฐานฉัน/โอ) BIOS ประกอบด้วยโปรแกรม I/O ระดับต่ำ รวมถึงขั้นตอนการอ่านจากแป้นพิมพ์ การแสดงข้อมูลบนหน้าจอ ข้อมูล I/O จากดิสก์ ฯลฯ
เมื่อคอมพิวเตอร์บู๊ต ระบบ BIOS จะเริ่มทำงาน ซึ่งจะตรวจสอบจำนวน RAM ที่ติดตั้งในระบบ การเชื่อมต่อ และการทำงานที่ถูกต้องของแป้นพิมพ์และอุปกรณ์หลักอื่นๆ จากนั้น BIOS จะตรวจสอบบัส ISA และ PCI และอุปกรณ์ทั้งหมดที่เชื่อมต่ออยู่ อุปกรณ์เหล่านี้บางส่วนเป็นอุปกรณ์แบบดั้งเดิม (ปลั๊กแอนด์เพลย์ล่วงหน้า) มีระดับการขัดจังหวะและที่อยู่พอร์ต I/O คงที่ (เช่น ตั้งค่าโดยใช้สวิตช์หรือจัมเปอร์บนบอร์ด I/O และระบบปฏิบัติการไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้) อุปกรณ์เหล่านี้ได้รับการลงทะเบียนแล้ว จากนั้นอุปกรณ์ Plug and Play จะได้รับการลงทะเบียน หากอุปกรณ์ที่มีอยู่แตกต่างจากที่มีอยู่ในระหว่างการบู๊ตครั้งล่าสุด แสดงว่าอุปกรณ์ใหม่ได้รับการกำหนดค่า
จากนั้น BIOS จะกำหนดว่าอุปกรณ์ใดที่จะบู๊ตโดยลองแต่ละรายการที่จัดเก็บไว้ในหน่วยความจำ CMOS ตามลำดับ ผู้ใช้สามารถเปลี่ยนรายการนี้ได้โดยเข้าสู่โปรแกรมกำหนดค่า BIOS ทันทีหลังจากบูต โดยทั่วไปจะพยายามบูตจากฟล็อปปี้ดิสก์ก่อน หากไม่สำเร็จ แสดงว่าได้ลองซีดีแล้ว หากคอมพิวเตอร์ของคุณไม่มีทั้งฟล็อปปี้ดิสก์และซีดี ระบบจะบู๊ตจากฮาร์ดดิสก์ เซกเตอร์แรกจะถูกอ่านลงในหน่วยความจำจากอุปกรณ์บู๊ตและดำเนินการ เซกเตอร์นี้มีโปรแกรมที่ตรวจสอบตารางพาร์ติชั่นที่ส่วนท้ายของเซกเตอร์สำหรับเริ่มระบบเพื่อพิจารณาว่าพาร์ติชั่นใดที่ทำงานอยู่ bootloader รองจะถูกอ่านจากพาร์ติชันเดียวกัน มันอ่านจาก. พาร์ติชันที่ใช้งานอยู่ระบบปฏิบัติการและเริ่มทำงาน
จากนั้นระบบปฏิบัติการจะสำรวจ BIOS เพื่อรับข้อมูลเกี่ยวกับการกำหนดค่าของคอมพิวเตอร์และตรวจสอบว่ามีไดรเวอร์สำหรับอุปกรณ์แต่ละเครื่องหรือไม่ หากไดรเวอร์หายไป ระบบปฏิบัติการจะขอให้ผู้ใช้ใส่ฟล็อปปี้ดิสก์หรือซีดีที่มีไดรเวอร์ (ผู้ผลิตอุปกรณ์เป็นผู้จัดหาดิสก์เหล่านี้) หากติดตั้งไดรเวอร์ทั้งหมดแล้ว ระบบปฏิบัติการจะโหลดไดรเวอร์เหล่านั้นลงในเคอร์เนล จากนั้นจะเริ่มต้นตารางไดรเวอร์ สร้างกระบวนการพื้นหลังที่จำเป็น และรันโปรแกรมป้อนรหัสผ่านหรือ กุยที่แต่ละเทอร์มินัล
5. ประวัติความเป็นมาของการพัฒนาเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์
คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลที่เข้ากันได้กับ IBM ทั้งหมดมีการติดตั้งโปรเซสเซอร์ที่เข้ากันได้กับ Intel ประวัติความเป็นมาของการพัฒนาไมโครโปรเซสเซอร์ตระกูล Intel มีดังต่อไปนี้โดยย่อ ไมโครโปรเซสเซอร์สากลตัวแรกของ Intel ปรากฏในปี 1970 เรียกว่า Intel 4004 เป็นแบบสี่บิตและมีความสามารถในการอินพุต/เอาท์พุตและประมวลผลคำสี่บิต ความเร็วของมันคือ 8,000 การดำเนินการต่อวินาที ไมโครโปรเซสเซอร์ Intel 4004 ได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้ในเครื่องคิดเลขแบบตั้งโปรแกรมได้ซึ่งมีขนาดหน่วยความจำ 4 KB
สามปีต่อมา Intel เปิดตัวโปรเซสเซอร์ 8080 ซึ่งสามารถดำเนินการทางคณิตศาสตร์ 16 บิตได้แล้ว มีบัสแอดเดรส 16 บิต ดังนั้นจึงสามารถรองรับหน่วยความจำได้สูงสุด 64 KB (2,516 0 = 65536) ปี 1978 โดดเด่นด้วยการเปิดตัวโปรเซสเซอร์ 8086 ที่มีขนาดเวิร์ด 16 บิต (สองไบต์) บัส 20 บิต และสามารถทำงานด้วยหน่วยความจำ 1 MB (2 520 0 = 1048576 หรือ 1024 KB) แบ่งออกเป็นบล็อก (เซ็กเมนต์) ขนาด 64 KB ทุกๆ โปรเซสเซอร์ 8086 รวมอยู่ในคอมพิวเตอร์ที่เข้ากันได้กับ IBM PC และ IBM PC/XT ขั้นตอนสำคัญต่อไปในการพัฒนาไมโครโปรเซสเซอร์ใหม่คือโปรเซสเซอร์ 8028b ซึ่งปรากฏในปี 1982 มีแอดเดรสบัส 24 บิต สามารถจัดการพื้นที่แอดเดรสได้ 16 เมกะไบต์ และติดตั้งบนคอมพิวเตอร์ที่เข้ากันได้กับ IBM PC/AT ในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2528 80386DX เปิดตัวพร้อมแอดเดรสบัส 32 บิต (พื้นที่แอดเดรสสูงสุด 4 GB) และในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2531 80386SX เปิดตัวซึ่งมีราคาถูกกว่า 80386DX และมีแอดเดรสบัส 24 บิต จากนั้นในเดือนเมษายน พ.ศ. 2532 ไมโครโปรเซสเซอร์ 80486DX ก็ปรากฏตัวขึ้น และในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2536 เวอร์ชันแรกของโปรเซสเซอร์ Pentium ก็ปรากฏขึ้น (ทั้งคู่มีบัสแอดเดรสแบบ 32 บิต)
ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2538 ที่กรุงมอสโกในงานนิทรรศการระดับนานาชาติ Comtec-95 บริษัท Intel ได้นำเสนอ โปรเซสเซอร์ใหม่- ป6.
เป้าหมายที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งที่ตั้งไว้ระหว่างการพัฒนา P6 คือการเพิ่มประสิทธิภาพของโปรเซสเซอร์ Pentium เป็นสองเท่า ในเวลาเดียวกันการผลิต P6 เวอร์ชันแรกจะดำเนินการตาม "Intel" ที่ได้รับการดีบั๊กแล้วและใช้ในการผลิต เวอร์ชันล่าสุดเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ Pentium (O.6 ไมครอน, 3.3 V)
การใช้กระบวนการผลิตเดียวกันทำให้มั่นใจได้ว่า P6 สามารถผลิตได้เป็นจำนวนมากโดยไม่มีปัญหาใหญ่ๆ อย่างไรก็ตาม นี่หมายความว่าประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าจะเกิดขึ้นได้จากการปรับปรุงที่ครอบคลุมในสถาปัตยกรรมไมโครโปรเซสเซอร์เท่านั้น สถาปัตยกรรมไมโคร P6 ได้รับการออกแบบโดยใช้การผสมผสานเทคนิคสถาปัตยกรรมต่างๆ ที่คิดอย่างรอบคอบและปรับแต่งมาอย่างดี บางส่วนเคยผ่านการทดสอบในโปรเซสเซอร์ของคอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่ บางส่วนเสนอโดยสถาบันการศึกษา และส่วนที่เหลือได้รับการพัฒนาโดยวิศวกรของ Intel การผสมผสานคุณลักษณะทางสถาปัตยกรรมที่เป็นเอกลักษณ์นี้ ซึ่ง Intel เรียกว่า "การประมวลผลแบบไดนามิก" ทำให้ P6 ตัวแรกมีประสิทธิภาพเกินระดับประสิทธิภาพที่วางแผนไว้เดิม
เมื่อเปรียบเทียบกับโปรเซสเซอร์ Intel ทางเลือกในตระกูล x86 ปรากฎว่าสถาปัตยกรรมไมโคร P6 มีความเหมือนกันมากกับสถาปัตยกรรมไมโครของโปรเซสเซอร์ Nx586 ของ NexGen และโปรเซสเซอร์ K5 ของ AMD และแม้ว่าจะมีขอบเขตน้อยกว่าก็ตามกับ M1 ของ Cyrix ความคล้ายคลึงกันนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าวิศวกรจากสี่บริษัทกำลังแก้ไขปัญหาเดียวกัน นั่นคือ การแนะนำองค์ประกอบของเทคโนโลยี RISC ในขณะที่ยังคงความเข้ากันได้กับสถาปัตยกรรม Intel x86 CISC
คริสตัลสองอันในแพ็คเกจเดียว
ข้อได้เปรียบหลักและคุณสมบัติเฉพาะของ P6 คือตำแหน่งในแพ็คเกจเดียวกันกับโปรเซสเซอร์จะมีหน่วยความจำแคชสำรองแบบคงที่ขนาด 256 KB ซึ่งเชื่อมต่อกับโปรเซสเซอร์โดยบัสเฉพาะพิเศษ การออกแบบนี้ควรทำให้การออกแบบระบบที่ใช้ P6 ง่ายขึ้นอย่างมาก P6 เป็นไมโครโปรเซสเซอร์ตัวแรกที่ออกแบบมาเพื่อการผลิตจำนวนมากโดยมีชิปสองตัวในแพ็คเกจเดียว
CPU ที่ตายใน P6 มีทรานซิสเตอร์ 5.5 ล้านตัว คริสตัลแคช L2 - 15.5 ล้าน เพื่อการเปรียบเทียบ รุ่นใหม่ล่าสุด Pentium มีทรานซิสเตอร์ประมาณ 3.3 ล้านตัว และแคช L2 ถูกนำมาใช้โดยใช้ชุดหน่วยความจำภายนอก
ดังนั้น จำนวนมากทรานซิสเตอร์ในแคชอธิบายได้จากลักษณะคงที่ของมัน หน่วยความจำแบบคงที่ของ P6 ใช้ทรานซิสเตอร์หกตัวเพื่อจัดเก็บหนึ่งบิต ในขณะที่หน่วยความจำแบบไดนามิกต้องการเพียงหนึ่งทรานซิสเตอร์ต่อบิต หน่วยความจำแบบคงที่เร็วกว่า แต่มีราคาแพงกว่า แม้ว่าจำนวนทรานซิสเตอร์บนชิปที่มีแคชรองจะมากกว่าชิปโปรเซสเซอร์ถึงสามเท่า แต่ขนาดทางกายภาพของแคชนั้นเล็กกว่า: 202 ตารางมิลลิเมตร เทียบกับ 306 สำหรับโปรเซสเซอร์ คริสตัลทั้งสองถูกปิดเข้าด้วยกันในแพ็คเกจเซรามิกที่มีหน้าสัมผัส 387 หน้า ("อาร์เรย์ pin-drid แบบช่องคู่") แม่พิมพ์ทั้งสองผลิตขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีเดียวกัน (0.6 µm, โลหะ 4 ชั้น-BiCMOS, 2.9 V) การใช้พลังงานสูงสุดโดยประมาณ: 20 W ที่ 133 MHz
เหตุผลแรกในการรวมโปรเซสเซอร์และแคชรองไว้ในแพ็คเกจเดียวคือเพื่ออำนวยความสะดวกในการออกแบบและการผลิตระบบที่ใช้ P6 ประสิทธิภาพสูง ประสิทธิภาพของระบบคอมพิวเตอร์ที่สร้างขึ้นจากโปรเซสเซอร์ที่รวดเร็วนั้นขึ้นอยู่กับอย่างมาก การปรับแต่งอย่างละเอียดชิปสภาพแวดล้อมของโปรเซสเซอร์ โดยเฉพาะแคชรอง บริษัทผู้ผลิตคอมพิวเตอร์บางแห่งไม่สามารถทำการวิจัยที่เหมาะสมได้ ใน P6 แคชรองได้รับการกำหนดค่าอย่างเหมาะสมที่สุดสำหรับโปรเซสเซอร์แล้ว ซึ่งทำให้การออกแบบเมนบอร์ดง่ายขึ้น
เหตุผลที่สองของการควบรวมกิจการคือเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิต CPU ระดับที่สองเชื่อมต่อกับโปรเซสเซอร์โดยบัสแบบกว้าง 64 บิตโดยเฉพาะ และทำงานที่ความถี่สัญญาณนาฬิกาเดียวกันกับโปรเซสเซอร์
โปรเซสเซอร์ Pentium ตัวแรกที่ความเร็ว 60 และ 66 MHz เข้าถึงแคชรองผ่านบัส 64 บิตที่ความเร็วสัญญาณนาฬิกาเท่ากัน อย่างไรก็ตาม เมื่อความเร็วสัญญาณนาฬิกาของ Pentium เพิ่มขึ้น มันก็กลายเป็นเรื่องยากและมีราคาแพงเกินไปสำหรับนักออกแบบที่จะรักษาความถี่นั้นไว้ตลอดเวลา เมนบอร์ด. ดังนั้นจึงเริ่มใช้ตัวแบ่งความถี่ ตัวอย่างเช่น สำหรับ Pentium 100 MHz บัสภายนอกจะทำงานที่ความถี่ 66 MHz (สำหรับ Pentium 90 MHz จะเป็น 60 MHz ตามลำดับ) Pentium ใช้บัสนี้ทั้งสำหรับการเข้าถึงแคชรองและสำหรับการเข้าถึงหน่วยความจำหลักและอุปกรณ์อื่นๆ เช่น ชิปเซ็ต PCI
การใช้บัสเฉพาะเพื่อเข้าถึงแคชรองช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบ ประการแรก สิ่งนี้บรรลุการซิงโครไนซ์ความเร็วโปรเซสเซอร์และบัสอย่างสมบูรณ์ ประการที่สอง การแข่งขันกับการดำเนินการ I/O อื่นๆ และความล่าช้าที่เกี่ยวข้องจะหมดไป แคชบัส L2 แยกจากบัสภายนอกโดยสิ้นเชิง ซึ่งเป็นช่องทางในการเข้าถึงหน่วยความจำและอุปกรณ์ภายนอก บัสภายนอก 64 บิตสามารถทำงานได้ที่ความเร็วครึ่งหนึ่ง หนึ่งในสาม หรือหนึ่งในสี่ของโปรเซสเซอร์ ในขณะที่แคชบัสรองทำงานอย่างอิสระที่ความเร็วเต็ม
การรวมโปรเซสเซอร์และแคชรองไว้ในแพ็คเกจเดียวและการสื่อสารผ่านบัสเฉพาะถือเป็นก้าวสำคัญสู่เทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพที่ใช้ในโปรเซสเซอร์ RISC ที่ทรงพลังที่สุด ดังนั้นในโปรเซสเซอร์ Alpha 21164 จาก Digital แคชระดับที่สองขนาด 96 kB จึงอยู่ในคอร์โปรเซสเซอร์เช่นเดียวกับแคชหลัก ซึ่งให้ประสิทธิภาพแคชที่สูงมากโดยการเพิ่มจำนวนทรานซิสเตอร์บนชิปเป็น 9.3 ล้าน ประสิทธิภาพของ Alpha 21164 คือ 330 SPECint92 ที่ 300 MHz ประสิทธิภาพของ P6 นั้นต่ำกว่า (Intel ประมาณ 200 SPECint92 ที่ 133 MHz) แต่ P6 ให้ อัตราส่วนที่ดีที่สุดต้นทุน/ประสิทธิภาพสำหรับตลาดที่มีศักยภาพ
เมื่อประเมินอัตราส่วนต้นทุน/ประสิทธิภาพ ควรพิจารณาว่าแม้ว่า P6 อาจมีราคาแพงกว่าคู่แข่ง แต่โปรเซสเซอร์อื่นๆ ส่วนใหญ่จะต้องมีชิปหน่วยความจำและตัวควบคุมแคชเพิ่มเติมล้อมรอบ นอกจากนี้ เพื่อให้บรรลุประสิทธิภาพแคชที่เทียบเคียงได้ โปรเซสเซอร์อื่นๆ จะต้องใช้แคชที่มีขนาดใหญ่กว่า 256 KB
โดยทั่วไปแล้ว Intel จะนำเสนอโปรเซสเซอร์หลายรูปแบบ สิ่งนี้ทำเพื่อตอบสนองความต้องการที่หลากหลายของผู้ออกแบบระบบ และเหลือพื้นที่น้อยลงสำหรับโมเดลคู่แข่ง ดังนั้นเราจึงสรุปได้ว่าไม่นานหลังจากเริ่มการผลิต P6 ทั้งการปรับเปลี่ยนด้วยปริมาณหน่วยความจำแคชรองที่เพิ่มขึ้นและการดัดแปลงที่ถูกกว่าด้วย ตำแหน่งภายนอกแคชรอง แต่ยังคงรักษาบัสเฉพาะระหว่างแคชรองและโปรเซสเซอร์
Pentium เป็นจุดเริ่มต้น
โปรเซสเซอร์ Pentium พร้อมไปป์ไลน์และซูเปอร์สเกลาร์สถาปัตยกรรมได้รับประสิทธิภาพในระดับที่น่าประทับใจ Pentium ประกอบด้วยไปป์ไลน์ 5 ขั้นตอนสองตัวที่สามารถทำงานแบบขนานและดำเนินการคำสั่งจำนวนเต็มสองตัวต่อรอบสัญญาณนาฬิกาของเครื่อง ในกรณีนี้ มีเพียงคำสั่งคู่เดียวเท่านั้นที่สามารถดำเนินการแบบขนาน โดยติดตามกันในโปรแกรมและเป็นไปตามกฎบางอย่าง เช่น ไม่มีการขึ้นต่อกันของการลงทะเบียนประเภท "เขียนหลังจากอ่าน"
ใน P6 เพื่อเพิ่มปริมาณงาน การเปลี่ยนไปใช้ไปป์ไลน์ 12 ขั้นตอนเดียว การเพิ่มจำนวนขั้นตอนจะทำให้งานที่ทำในแต่ละขั้นตอนลดลง และเป็นผลให้ทีมใช้เวลาในแต่ละขั้นตอนลดลง 33 เปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับ Pentium ซึ่งหมายความว่าการใช้เทคโนโลยีเดียวกับที่ใช้ในการผลิต P6 เป็น Pentium 100 MHz จะส่งผลให้ P6 โอเวอร์คล็อกที่ 133 MHz
พลังของสถาปัตยกรรมซูเปอร์สเกลาร์ของ Pentium พร้อมด้วยความสามารถในการดำเนินการสองคำสั่งต่อหนึ่งนาฬิกา คงเป็นเรื่องยากที่จะเอาชนะได้หากไม่มีแนวทางใหม่ทั้งหมด นำไปใช้ใน P6 แนวทางใหม่ขจัดความสัมพันธ์ที่เข้มงวดระหว่างเฟส "ดึงข้อมูล" และ "ดำเนินการ" แบบเดิม โดยที่ลำดับของคำสั่งผ่านสองเฟสนี้สอดคล้องกับลำดับของคำสั่งในโปรแกรม
วิธีการใหม่เกี่ยวข้องกับการใช้กลุ่มคำสั่งที่เรียกว่าและใหม่ วิธีการที่มีประสิทธิภาพทำนายพฤติกรรมในอนาคตของโปรแกรม ในกรณีนี้ ขั้นตอน "การดำเนินการ" แบบดั้งเดิมจะถูกแทนที่ด้วยสองขั้นตอน: "การจัดส่ง/การดำเนินการ" และ "การย้อนกลับ" เป็นผลให้คำสั่งอาจเริ่มดำเนินการในลำดับใดก็ได้ แต่จะดำเนินการให้เสร็จสิ้นตามลำดับเดิมในโปรแกรมเสมอ แกน P6 ถูกนำมาใช้เป็นอุปกรณ์อิสระสามตัวที่โต้ตอบผ่านกลุ่มคำสั่ง (รูปที่ 1)
ปัญหาหลักในการปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิต
การตัดสินใจจัดระเบียบ P6 เป็นอุปกรณ์อิสระสามเครื่องที่โต้ตอบผ่านกลุ่มคำสั่งเกิดขึ้นหลังจากการวิเคราะห์ปัจจัยที่จำกัดประสิทธิภาพของไมโครโปรเซสเซอร์สมัยใหม่อย่างละเอียดถี่ถ้วน ข้อเท็จจริงพื้นฐานซึ่งเป็นเรื่องจริงของ Pentium และโปรเซสเซอร์อื่นๆ ก็คือ พลังของโปรเซสเซอร์ไม่ได้ใช้จนเต็มประสิทธิภาพเมื่อรันโปรแกรมในโลกแห่งความเป็นจริง
แม้ว่าความเร็วของโปรเซสเซอร์จะเพิ่มขึ้นอย่างน้อย 10 เท่าในช่วง 10 ปีที่ผ่านมา แต่เวลาในการเข้าถึงหน่วยความจำหลักลดลงเพียง 60 เปอร์เซ็นต์เท่านั้น ความเร็วหน่วยความจำล่าช้าที่เพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับความเร็วโปรเซสเซอร์คือปัญหาพื้นฐานที่ต้องแก้ไขเมื่อออกแบบ P6
แนวทางหนึ่งที่เป็นไปได้ในการแก้ปัญหานี้คือการเปลี่ยนจุดเน้นไปที่การพัฒนาส่วนประกอบประสิทธิภาพสูงที่อยู่รอบๆ โปรเซสเซอร์ อย่างไรก็ตาม การผลิตจำนวนมากของระบบที่มีทั้งโปรเซสเซอร์ประสิทธิภาพสูงและชิปสภาพแวดล้อมเฉพาะทางความเร็วสูงจะมีราคาแพงเกินไป
คุณสามารถลองแก้ไขปัญหาโดยใช้ กำลังดุร้ายกล่าวคือ เพิ่มขนาดของแคชระดับที่สองเพื่อลดเปอร์เซ็นต์ของกรณีที่ข้อมูลที่จำเป็นหายไปจากแคช
โซลูชันนี้มีประสิทธิภาพแต่ก็มีราคาแพงมากเช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพิจารณาถึงข้อกำหนดด้านความเร็วในปัจจุบันสำหรับส่วนประกอบแคช L2 P6 ได้รับการออกแบบจากมุมมองของการใช้งานระบบคอมพิวเตอร์ที่สมบูรณ์อย่างมีประสิทธิภาพ และจำเป็นต้องบรรลุประสิทธิภาพสูงของทั้งระบบโดยใช้ระบบย่อยหน่วยความจำราคาประหยัด
ดังนั้น,การผสมผสานเทคนิคทางสถาปัตยกรรมของ P6 เช่น การทำนายสาขาที่ได้รับการปรับปรุง (ลำดับคำสั่งถัดไปจะถูกกำหนดอย่างถูกต้องเกือบทุกครั้ง) การวิเคราะห์การไหลของข้อมูล (ลำดับที่เหมาะสมที่สุดของการดำเนินการคำสั่งจะถูกกำหนด) และการดำเนินการแบบ lookahead (ลำดับคำสั่งที่คาดการณ์ไว้จะดำเนินการโดยไม่ต้องหยุดทำงาน ในลำดับที่เหมาะสมที่สุด) ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นสองเท่าเมื่อเทียบกับ Pentium โดยใช้เทคโนโลยีการผลิตเดียวกัน การรวมกันของวิธีการนี้เรียกว่าการดำเนินการแบบไดนามิก
ปัจจุบัน Intel กำลังพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตใหม่ขนาด 0.35 ไมครอน ซึ่งจะทำให้สามารถผลิตโปรเซสเซอร์ P6 ที่มีความเร็วสัญญาณนาฬิกาคอร์มากกว่า 200 MHz ได้
P6 เป็นแพลตฟอร์มสำหรับการสร้างเซิร์ฟเวอร์ที่ทรงพลัง
ในบรรดาสิ่งที่สำคัญที่สุดแนวโน้มในการพัฒนาคอมพิวเตอร์ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาสามารถระบุได้จากการใช้ระบบที่ใช้โปรเซสเซอร์ตระกูล x86 เป็นแอพพลิเคชั่นเซิร์ฟเวอร์ที่เพิ่มขึ้น และบทบาทที่เพิ่มขึ้นของ Intel ในฐานะซัพพลายเออร์เทคโนโลยีที่ไม่ใช่โปรเซสเซอร์ เช่น บัส เทคโนโลยีเครือข่าย การบีบอัดวิดีโอ แฟลช หน่วยความจำและการบริหารระบบ
การเปิดตัวโปรเซสเซอร์ P6 ยังคงเป็นนโยบายของ Intel ที่จะนำความสามารถที่ก่อนหน้านี้พบเฉพาะในคอมพิวเตอร์ราคาแพงออกสู่ตลาดมวลชน มีการควบคุมพาริตีสำหรับรีจิสเตอร์ P6 ภายใน และบัส 64 บิตที่เชื่อมต่อคอร์โปรเซสเซอร์และแคชระดับที่สองมาพร้อมกับเครื่องมือตรวจจับและแก้ไขข้อผิดพลาด ความสามารถในการวินิจฉัยใหม่ที่มีอยู่ใน P6 ช่วยให้ผู้ผลิตสามารถออกแบบระบบที่เชื่อถือได้มากขึ้น P6 จัดให้มีความสามารถในการรับข้อมูลผ่านทางหน้าสัมผัสตัวประมวลผลหรือการใช้ซอฟต์แวร์เกี่ยวกับตัวแปรหรือเหตุการณ์ตัวประมวลผลมากกว่า 100 ตัวที่เกิดขึ้นในนั้น เช่น การไม่มีข้อมูลในแคช เนื้อหาของรีจิสเตอร์ ลักษณะที่ปรากฏของโค้ดที่แก้ไขตัวเอง และ เร็วๆ นี้. ระบบปฏิบัติการและโปรแกรมอื่นๆ สามารถอ่านข้อมูลนี้เพื่อกำหนดสถานะของโปรเซสเซอร์ได้ P6 ยังมีการรองรับจุดตรวจที่ได้รับการปรับปรุง ซึ่งหมายความว่าคอมพิวเตอร์สามารถย้อนกลับไปสู่สถานะที่บันทึกไว้ก่อนหน้านี้ได้หากเกิดข้อผิดพลาด
เอกสารที่คล้ายกัน
เทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ปรากฏขึ้นเมื่อนานมาแล้วเนื่องจากความต้องการการคำนวณประเภทต่าง ๆ มีอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนาอารยธรรม การพัฒนาเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์อย่างรวดเร็ว กำเนิดพีซี มินิคอมพิวเตอร์เครื่องแรกตั้งแต่ช่วงทศวรรษที่ 80 ของศตวรรษที่ 20
บทคัดย่อเพิ่มเมื่อ 25/09/2551
ลักษณะเฉพาะของระบบบำรุงรักษาทางเทคนิคและเชิงป้องกันสำหรับอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ โปรแกรมวินิจฉัยระบบปฏิบัติการ ความสัมพันธ์ระหว่างระบบควบคุมอัตโนมัติ การปกป้องคอมพิวเตอร์ของคุณจากอิทธิพลด้านลบภายนอก
บทคัดย่อเพิ่มเมื่อ 25/03/2558
การพัฒนาระบบข้อมูลและการวิเคราะห์เพื่อการวิเคราะห์และปรับแต่งการกำหนดค่าอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ให้เหมาะสม โครงสร้าง การควบคุมอัตโนมัติโดยอาศัยเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ ซอฟต์แวร์ เหตุผลของประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจของโครงการ
วิทยานิพนธ์เพิ่มเมื่อ 20/05/2013
ขั้นตอนการพัฒนาเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ด้วยตนเอง ระบบตัวเลขตำแหน่ง พัฒนาการของกลศาสตร์ในศตวรรษที่ 17 ขั้นตอนการพัฒนาเทคโนโลยีเครื่องกลไฟฟ้าของคอมพิวเตอร์ คอมพิวเตอร์รุ่นที่ห้า พารามิเตอร์และคุณสมบัติเด่นของซูเปอร์คอมพิวเตอร์
งานหลักสูตรเพิ่มเมื่อ 18/04/2555
โครงสร้างและหลักการทำงานของคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล (PC) การวินิจฉัยประสิทธิภาพของพีซีและการระบุข้อผิดพลาด งาน การซ่อมบำรุงสิ่งอำนวยความสะดวกด้านคอมพิวเตอร์ การพัฒนาวิธีการดูแลรักษาอุปกรณ์ให้อยู่ในสภาพการทำงาน
งานหลักสูตร เพิ่มเมื่อ 13/07/2554
ศึกษาแนวทางปฏิบัติในการพัฒนาเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ทั้งในประเทศและต่างประเทศ ตลอดจนแนวโน้มการพัฒนาคอมพิวเตอร์ในอนาคตอันใกล้นี้ เทคโนโลยีสำหรับการใช้คอมพิวเตอร์ ขั้นตอนของการพัฒนาอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์ในประเทศของเรา การรวมพีซีและการสื่อสารเข้าด้วยกัน
งานหลักสูตรเพิ่มเมื่อ 27/04/2556
การจำแนกขั้นตอนการออกแบบ ประวัติความเป็นมาของการสังเคราะห์เทคโนโลยีคอมพิวเตอร์และการออกแบบทางวิศวกรรม หน้าที่ของระบบการออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย ซอฟต์แวร์ คุณสมบัติของการใช้เครื่องสแกนสามมิติ เครื่องมือจัดการ และเครื่องพิมพ์
บทคัดย่อ เพิ่มเมื่อ 25/12/2555
ระบบอัตโนมัติของการประมวลผลข้อมูล วิทยาการคอมพิวเตอร์และผลในทางปฏิบัติ ประวัติความเป็นมาของการสร้างสรรค์เทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ดิจิทัล คอมพิวเตอร์เครื่องกลไฟฟ้า การใช้หลอดสุญญากาศและคอมพิวเตอร์รุ่นแรก สาม และสี่
วิทยานิพนธ์เพิ่มเมื่อ 23/06/2552
แนวคิดและคุณลักษณะของคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล ส่วนหลัก และวัตถุประสงค์ เครื่องมือการสอนวิทยาการคอมพิวเตอร์และลักษณะการทำงานในห้องเรียนวิทยาการคอมพิวเตอร์ อุปกรณ์สถานที่ทำงานและการประยุกต์ใช้ซอฟต์แวร์
บทคัดย่อเพิ่มเมื่อ 07/09/2012
องค์ประกอบของระบบคอมพิวเตอร์คือการกำหนดค่าของคอมพิวเตอร์ ฮาร์ดแวร์ และซอฟต์แวร์ อุปกรณ์และเครื่องมือที่สร้างการกำหนดค่าฮาร์ดแวร์ของคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล หน่วยความจำหลัก, พอร์ต I/O, อแดปเตอร์ต่อพ่วง