سخت افزار کامپیوتر

سخت افزار;کامپیوتر;سخت افزار کامپیوتر;پروژه;پژوهش;مقاله;جزوه;تحقیق;دانلود پروژه;دانلود پژوهش;دانلود مقاله;دانلود جزوه; دانلود تحقیق

سخت افزار کامپیوتر

مقدمه

گر چه كامپیوترها تنها چند دهه ای است كه با ما همراهند، با این حال تأثیر عمیق آنها بر زندگی ما با تأثیر تلفن ، اتومبیل و تلویزیون رقابت می كند. همگی ما حضور آنها را احساس می كنیم، چه برنامه نویسان كامپیوتر و چه دریافت كنندگان صورت حساب های ماهیانه كه توسط سیستم های كامپیوتری بزرگ چاپ شده و توسط پست تحویل داده می شود. تصور ما از كامپیوتر معمولا داده پردازی است كه محاسبات عددی را بطور خستگی ناپذیری انجام می دهد.

ما با انواع گوناگونی از كامپیوترها برخورد می كنیم كه وظایفشان را زیركانه و بطرزی آرام، كارا و حتی فروتنانه انجام می دهند و حتی حضور آنها اغلب احساس نمی شود. ما كامپیوترها را به عنوان جزء مركزی بسیاری از فرآورده های صنعتی و مصرفی از جمله،‌در سوپرماركت ها داخل صندوق های پول و ترازوها؛ در خانه، در اجاق ها، ماشین های لباسشویی، ساعت های دارای سیستم خبردهنده و ترموستات ها؛ در وسایل سرگرمی همچون اسباب بازی ها،VCRها، تجهیزات استریو و وسایل صوتی؛ در محل كار در ماشین های تایپ و فتوكپی؛ و در تجهیزات صنعتی مثل مته های فشاری و دستگاههای حروفچینی نوری می یابیم. در این مجموعه ها كامپیوترها وظیفه «كنترل» را در ارتباط با “دنیای واقعی” ، برای روشن و خاموش كردن وسایل و نظارت بر وضعیت آنها انجام می هند. میكروكنترلرها (برخلاف میكروكامپیوترها و ریزپردازنده ها ) اغلب در چنین كاربردهایی یافت می شوند.

با وجود این كه بیش از بیست سال از تولد ریزپردازنده نمی گذرد، تصور وسایل الكترونیكی و اسباب بازیهای امروزی بدون آن كار مشكلی است. در 1971 شركت اینتل8080را به عنوان اولین ریزپردازنده موفق عرضه كرد. مدت كوتاهی پس از آن، موتورولا،RCAو سپسMOS Technologyوzilog انواع مشابهی را به ترتیب به نامهای6800،1801،6502وZ80عرضه كردند. گر چه این مدارهای مجتمعIC)ها ) به خودی خود فایده چندانی نداشتند اما به عنوان بخشی از یك كامپیوتر تك بورد[1](SBC)، به جزء مركزی فرآورده های مفیدی برای آموزش طراحی با ریزپردازنده ها تبدیل شدند.

از اینSBCها كه بسرعت به آزمایشگاههای طراحی در كالج ها،‌دانشگاهها و شركت های الكترونیك راه پیدا كردند می توان برای نمونه ازD2موتورولا،KIM-1ساختMOS TechnologyوSDK-85متعلق به شركت اینتل نام برد.

میكروكنترلر قطعه ای شبیه به ریزپردازنده است. در 1976 اینتل8748را به عنوان اولین قطعه خانواده میكروكنترلرهایMCS-48^TMمعرفی كرد.8748با 17000 ترانزیستور در یك مدار مجتمع ،‌شامل یكCPU،‌1 كیلوبایتEPROM، 27 پایهI/Oو یك تایمر 8 بیتی بود. اینICو دیگر اعضایMCS-48^TMكه پس از آن آمدند، خیلی زود به یك استاندارد صنعتی در كاربردهای كنترل گرا تبدیل شدند. جایگزین كردن اجزاء الكترومكانیكی در فرآورده هایی مثل ماشین های لباسشویی و چراغ های راهنمایی از ابتدای كار، یك كاربرد مورد توجه برای این میكروكنترلرها بودند و همین طور باقی ماندند. دیگر فرآورده هایی كه در آنها می توان میكروكنترلر را یافت عبارتند از اتومبیل ها،‌تجهیزات صنعتی، وسایل سرگرمی و ابزارهای جانبی كامپیوتر(افرادی كه یكIBM PCدارند كافی است به داخل صفحه كلید نگاه كنند تا مثالی از یك میكروكنترلر را در یك طراحی با كمترین اجزاء ممكن ببینند).

توان، ابعاد و پیچیدگی میكروكنترلرها با اعلام ساخت8051، یعنی اولین عضو خانوادة‌میكروكنترلرهایMCS-51^TMدر 1980 توسط اینتل پیشرفت چشمگیری كرد. در مقایسه با8048این قطعه شامل بیش از 60000 ترانزیستور ،K4 بایتROM، 128 بایتRAM،‌32 خطI/O، یك درگاه سریال و دو تایمر 16 بیتی است. كه از لحاظ مدارات داخلی برای یكICبسیار قابل ملاحظه است، امروزه انواع گوناگونی از اینICوجوددارند كه به صورت مجازی این مشخصات را دوبرابر كرده اند. شركت زیمنس كه دومین تولید كنندة‌قطعاتMCS-51^TMاستSAB80515را به عنوان یك8051توسعه یافته در یك بستة 68 پایه با شش درگاهI/O8 بیتی، 13 منبع وقفه، و یك مبدل آنالوگ به دیجیتال با 8 كانال ورودی عرضه كرده است. خانواده8051به عنوان یكی از جامعترین و قدرتمندترین میكروكنترلرهای 8 بیتی شناخته شده و جایگاهش را به عنوان یك میكروكنترلر مهم برای سالهای آینده یافته است.

این كتاب درباره خانواده میكروكنترلرهایMCS-51^TMنوشته شده است فصل های بعدی معماری سخت افزار و نرم افزار خانوادهMCS-51^TMرا معرفی می كنند و از طریق مثالهای طراحی متعدد نشان می دهند كه چگونه اعضای این خانواده می توانند در طراحی های الكترونیكی با كمترین اجزاء اضافی ممكن شركت داشته باشند.

در بخش های بعدی از طریق یك آشنایی مختصر با معماری كامپیوتر، یك واژگان كاری از اختصارات و كلمات فنی كه در این زمینه متداولند (و اغلب با هم اشتباه می شوند) را ایجاد خواهیم كرد. از آنجا كه بسیاری اصطلاحات در نتیجة تعصب شركت های بزرگ و سلیقه مؤلفان مختلف دچار ابهام شده اند،‌روش كار ما در این زمینه بیشتر عملی خواهد بود تا آكادمیك. هر اصطلاح در متداولترین حالت با یك توضیح ساده معرفی شده است.

فصل اول

2-1 اصطلاحات فنی

یك كامپیوتر توسط دو ویژگی كلیدی تعریف می شود: (1) داشتن قابلیت برنامه ریزی برای كاركردن روی داده بدون مداخله انسان و (2) توانایی ذخیره و بازیابی داده . عموماً یك سیستم كامپیوتری شامل ابزارهای جانبی[2]برای ارتباط با انسان ها به علاوه برنامه هایی برای پردازش داده نیز می باشد. تجهیزات كامپیوتر و سخت افزار،‌و برنامه های آن نرم افزار نام دارند. در آغاز اجازه بدهید كار خود را با سخت افزار كامپیوتر آغاز می كنیم.

نبود جزئیات در شكل عمدی است و باعث شده تا شكل نشان دهنده كامپیوترهایی در تمامی اندازه‌ها باشد. همانطور كه نشان داده شده است،یك سیستم كامپیوتری شامل یك واحد پردازش مركزی[3](CPU)است كه ازطریق گذرگاه آدرس[4]، ‌گذرگاه داده[5]و گذرگاه كنترل[6]به حافظه قابل دستیابی تصادفی[7]RAM)وحافظه فقط خواندنی[8](ROM)متصل می باشد. مدارهای واسطه[9]گذرگاههای سیستم را به وسایل جانبی متصل می كنند.

3-1 واحد پردازش مركزی

CPU، به عنوان “مغز” سیستم كامپیوتری، تمامی فعالیت های سیستم را اداره كرده و همه عملیات روی داده را انجام می دهد. اندیشة اسرار آمیز بودنCPUدر اغلب موارد نادرست است زیرا این تراشه فقط مجموعه ای از مدارهای منطقی است كه بطور مداوم دو عمل را انجام می دهند. واكشی[10]دستورالعمل ها، و اجرای آنها.CPUتوانایی درك و اجرای دستورالعمل ها را براساس مجموعه ای از كدهای دودویی دارد كه هر یك از این كدها نشان دهنده یك عمل ساده است. این دستورالعمل ها معمولا حسابی (جمع، تفریق، ضرب و تقسیم)، منطقی (NOT OR ANDو غیره) انتقال داده یا عملیات انشعاب هستند و یا مجموعه ای از كدهای دودویی با نام مجموعه دستورالعمل ها[11]نشان داده می شوند.

مجموعه ای از ثباتها[12]را برای ذخیره سازی موقت اطلاعات، یك واحد عملیات حسابی و منطقی[13](ALU)برای انجام عملیات روی این اطلاعات،‌یك واحد كنترل و رمزگشایی دستورالعمل[14](كه عملیاتی را كه باید انجام شود تعیین می كند و اعمال لازم را برای انجام آنها شروع می نماید) و دو ثبات اضافی را هم دارد.

ثبات دستور العمل(IR)كد دودویی هر دستورالعمل را در حال اجرا نگه می دارد و شمارنده برنامه(PC)آدرس حافظه دستورالعمل بعدی را كه باید اجرا شود نشان می‌دهد.

1- واكشی یك دستورالعمل ازRAMسیستم یكی از اساسی ترین اعمالی است كه توسطCPUانجام می شود و شامل این مراحل است: (الف) محتویات شمارندة برنامه در گذرگاه آدرس قرار می گیرد (ب) یك سیگنال كنترلREADفعال می شود (پ) داده (كد عملیاتی[15]دستورالعمل) ازRAMخوانده می شود و روی گذرگاه قرار می گیرد (ت) كد عملیاتی در ثبات داخلی دستورالعملCPUذخیره می شود و (ث) شمارنده برنامه یك واحد افزایش
می­یابد تا برای واكشی بعدی از حافظه آماده شود.

2- مرحلة‌ اجرا مستلزم رمزگشایی كد عملیاتی و ایجاد سیگنال های كنترلی برای گشودن ثبات های درونی به داخل و خارج ازALUاست. همچنین باید بهALUبرای انجام عملیات مشخص شده فرمان داده شود. به علت تنوع زیاد عملیات ممكن، این توضیحات تا حدی سطحی می باشند و در یك عملیات ساده مثل افزایش یك واحدی ثبات[16]مصداق دارند. دستورالعمل های پیچیده تر نیاز به مراحل بیشتری مثل خواندن بایت دوم و سوم به عنوان داده برای عملیات دارند.

یك سری از دستورالعمل ها كه برای انجام یك وظیفه معنادار تركیب شوند برنامه یا نرم افزار نامیده می شود، و نكته واقعاً‌اسرارآمیز در همین جا نهفته است. معیار اندازه گیری برای انجام درست وظایف، بیشتر كیفیت نرم افزار است تا توانایی تحلیلCPUسپس برنامه هاCPUرا راه اندازی می كنند و هنگام این كار آنها گهگاه به تقلید از نقطه ضعف های نویسندگان خود، اشتباه هم می كنند. عباراتی نظیر “كامپیوتر اشتباه كرد “ گمراه كننده هستند. اگر چه خرابی تجهیزات غیر قابل اجتناب است اما اشتباه در نتایج معمولا نشانی از برنامه های ضعیف یا خطای كاربر می باشد.

4-1 حافظه نیمه رسانا:RAMROM

برنامه ها و داده در حافظه ذخیره می شوند. حافظه های كامپیوتر بسیار متنوعند و اجرای همراه آنها بسیار، و تكنولوژی بطور دائم و پی در پی موانع را برطرف میكند، بگونه ای كه اطلاع از جدیدترین پیشرفت ها نیاز به مطالعه جامع و مداوم دارد. حافظه هایی كه به طور مستقیم توسطCPUقابل دستیابی می باشند،‌ICهای (مدارهای مجتمع) نیمه رسانایی هستند كهRAMوROMنامیده می شوند دو ویژگیRAMوROMرا از هم متمایز می سازد: اول آن كهRAMحافظه خواندنی / نوشتنی است در حالیكهROMحافظه فقط خواندنی است و دوم آن كهRAMفرار است (یعنی محتویات آن هنگام نبود ولتاژ تغذیه پاك می شود) در حالیكهROMغیر فرار می باشد.

اغلب سیستم های كامپیوتری یك دیسك درایو و مقدار اندكیROMدارند كه برای نگهداری روال های نرم افزاری كوتاه كه دائم مورد استفاده قرار می گیرند و عملیات ورودی / خروجی را انجام می دهند كافی است. برنامه های كاربران و داده، روی دیسك ذخیره می گردند و برای اجرا به داخلRAMبار می شوند. با كاهش مداوم در قیمت هر بایتRAM، سیستم های كامپیوتری كوچك اغلب شامل میلیون ها بایتRAMمی باشند.

5-1 گذرگاهها : آدرس،‌ داده و كنترل

یك گذرگاه عبارت است از مجموعه ای از سیم ها كه اطلاعات را با یك هدف مشترك حمل می كنند. امكان دستیابی به مدارات اطرافCPUتوسط سه گذرگاه فراهم می‌شود: گذرگاه آدرس، گذرگاه داده و گذرگاه كنترل. برای هر عمل خواندن یا نوشتن،‌CPUموقعیت داده (یا دستورالعمل) را با قراردادن یك آدرس روی گذرگاه آدرس مشخص می كند و سپس سیگنالی را روی گذرگاه كنترل فعال می نماید تا نشان دهد كه عمل مورد نظر خواندن است یا نوشتن. عمل خواندن، یك بایت داده را از مكان مشخص شده در حافظه بر می دارد و روی گذرگاه داده قرار می دهد.CPUداده را می خواند و در یكی از ثبات های داخلی خود قرار می دهد. برای عمل نوشتنCPUداده را روی گذرگاه داده می گذارد. حافظه، تحت تأثیر سیگنال كنترل، عملیات را به عنوان یك سیكل نوشتن، تشخیص می دهد و داده را در مكان مشخص شده ذخیره می كند.

اغلب، كامپیوترهای كوچك 16 یا 20 خط آدرس دارند. با داشتنnخط آدرس كه هر یك می توانند در وضعیت بالا(1)یا پایین(0)باشند،مكان دستیابی است. بنابراین یك گذرگاه آدرس 16 بیتی می تواند بهمكان، دسترسی داشته باشد و برای یك آدرس 20 بیتیمكان قابل دستیابی است. علامت اختصاریK(برای كیلو) نمایندهمی باشد، بنابراین 16 بیت می تواندمكان را آدرس دهی كند در حالیكه 20 بیت می تواند(یاMeg1) را آدرس دهی نماید.

گذرگاه داده اطلاعات را بینCPUو حافظه یا بینCPUو قطعاتI/Oمنتقل می كند. تحقیقات دامنه داری كه برای تعیین نوع فعالیت هایی كه زمان ارزشمند اجرای دستورالعمل ها را در یك كامپیوتر صرف می كنند، انجام شده است نشان می دهد كه كامپیوترها دوسوم وقتشان را خیلی ساده صرف جابجایی داده می كنند. از آن جا كه عمدة عملیات جابجایی بین یك ثباتCPUوRAMیاROMخارجی انجام می شود تعداد خط های (یا پهنای) گذرگاه داده در كاركرد كلی كامپیوتر اهمیت شایانی دارد. این محدودیت پهنا، یك تنگنا به شمار می رود: ممكن است مقادیر فراوانی حافظه در سیستم وجود داشته باشد وCPUاز توان محاسباتی زیادی برخوردار باشد اما دسترسی به داده – جابجایی داغده بین حافظه وCPUاز طریق گذرگاه داده – توسط پهنای گذرگاه داده محدود می شود.

به علت اهمیت این ویژگی ، معمول است كه یك پیشوند را كه نشان دهنده اندازه این محدودیت است اضافه می كنند. عبارت “كامپیوتر 16 بیتی” به كامپیوتری با 16 خط در گذرگاه داده اشاره می كند. اغلب كامپیوترها در طبقه بندی 4 بیت، 8 بیت ، 16 بیت یا 32 بیت قرار می گیرند و توان محاسباتی كلی آنها با افزایش پهنای گذرگاه داده، افزایش می یابد.

توجه داشته باشید كه گذرگاه داده یك گذرگاه دو طرفه و گذرگاه آدرس، یك گذرگاه یك طرفه می باشد. اطلاعات آدرس همیشه توسطCPUفراهم می شود حالیكه داده ممكن است در هر جهت،‌بسته به اینكه عملیات خواندن مورد نظر باشد یا نوشتن، جابجا شود[17]. همچنین توجه داشته باشید كه عبارت “داده” در مفهوم كلی بكار رفته است یعنی اصطلاعاتی كه روی گذرگاه داده جابجا می شود و ممكن است دستورالعمل های یك برنامه، آدرس ضمیمه شده به یك دستورالعمل یا داده مورد استفاده توسط برنامه باشد.

گذرگاه كنترل تركیب درهمی از سیگنال ها است،‌كه هر یك نقش خاصی در كنترل منظم فعالیت های سیستم دارند. به عنوان یك قاعده كلی،‌سیگنال های كنترل سیگنال های زمان بندی هستند كه توسطCPUبرای همزمان كردن جابجایی اطلاعات روی گذرگاه آدرس و داده ایجاد می شوند. اگر چه معمولا سه سیگنال مثلWRITE READ CLOCKوجوددارد، برای انتقال اساسی داده بینCPUو حافظه ، نام و عملكرد این سیگنال ها بطور كامل بستگی به نوعCPUدارد. برای جزئیات بیشتر در این موارد باید به برگة اطلاعات سازندگان مراجعه كرد.

6-1 ابزارهای ورودی / خروجی

ابزارهایI/Oیا “ابزارهای جانبی كامپیوتر” مسیری برای ارتباط بین سیستم كامپیوتری و “دنیای واقعی” فراهم می كنند. بدون ابزارهای جانبی، سیستم های كامپیوتری به ماشین های درون گرایی تبدیل می شوند كه استفاده ای برای كاربران خود ندارند. سه دسته از ابزارهایI/Oعبارتند از ابزارهای ذخیره سازی انبوه،[18]ابزارهای رابط با انسان[19]و ابزارهای كنترل / نظارت[20].

1-6-1 ابزارهای ذخیره سازی انبوه

ابزارهای ذخیره سازی انبوه نیز مثلRAMها وROMهای نیمه رسانا جزو نقش آفرینان عرصه تكنولوژی حافظه هستند كه بطور دائم در حال رشد و بهبود است. آنچنان كه از نام آنها بر می آید این ابزارها مقادیر متنابهی اطلاعات (برنامه یا داده) را نگهداری می كنند و این حجم از اطلاعات به هیچ وجه درRAMبا “حافظه اصلی” نسبتاً كوچك كامپیوتر جا نمی گیرد. این اطلاعات پیش از اینكه در دسترس قرار بگیرد باید به داخل حافظه اصلی باز شود. دسته بندی ابزارهای ذخیره سازی انبوه برطبق سادگی دستیابی به اطلاعات،‌آنها را به دو دسته تقسیم می كند ابزارهای آماده كار[21]و ابزارهای بایگانی[22]در روش ذخیره سازی آماده كار كه معمولا روی نوارهای مغناطیسی یا دیسك های مغناطیسی انجام می شود. اگر چه دیسك های نوری مثلROM-CDها[23]یا تكنولوژیWORM[24]كه بتازگی ظهور كرده اند، ممكن است سمت گیری روش ذخیره سازی بایگانی را به علت قابلیت اطمینان، ظرفیت بالا و قیمت پایین خود تغییر دهند.[25]

2-6-1 ابزارهای رابط با انسان

یگانگی انسان و ماشین توسط مجموعه ای از ابزارهای رابط با انسان تحقق می یابد كه متداول ترین آنها عبارتند از پایانه های نمایش تصویر(VDT)و چاپگرها. اگر چه چاپگرها ابزارهای صرفاً خروجی هستند كه برای چاپ كردن اطلاعات به كار می روند ولیVDTها در واقع از دو وسیله تشكیل شده اند زیرا شامل یك صفحه كلید به عنوان ورودی و یكCRT[26]به عنوان خروجی می باشند. یك رشتة‌ خاص در مهندسی به نام “ارگونومیك” یا “مهندسی فاكتورهای انسانی” به خاطر ضرورتی كه در طراحی این ابزارهای جابنی با توجه به طبیعت انسان احساس می شد،‌به وجود آمده است و هدف آن وفق دادن مشخصات انسان با ماشین های مورد استفاده او به شكلی مطمئن ، راحت و كارا می باشد. در حقیقت تعداد شركت هایی كه این دسته از ابزارهای جانبی را تولید می كنند بیشتر از شركت های تولید كننده كامپیوتر است. در هر سیستم كامپیوتری دست كم سه تا از این ابزارها وجود دارد: صفحه كلید،CRTو چاپگر. از دیگر ابزارهای رابط با انسان می توان دستگیرة بازی[27]، قلم نوری،‌ماوس، میكروفن و بلندگو را نام برد.

---

[1] – Single Board Computer

[2] – peripheral devices

[3] – central processing unit

[4] – address bus

[5] – data bus

[6] – control bus

[7] – random access memory

[8] – read-only memory

[9] – interface circuits

[10] – fetching

[11] – instruction set

[12] – registers

[13] – arithmetic and logic unit

[14] – instruction decode and control unit

[15] – OPCODE

[16] – register increment

[17] – اطلاعات آدرس علاوه بر CPU گاهی توسط مدارات دستیابی مستقیم به حافظه (DMA) نیز فراهم می شود.

[18] – mass storage devices

[19] – human interface devices

[20] – control/ monitor devices

[21] – online

[22] – archival

[23] – Compact disk Read only Memory

[24] – Write Once Read Mostly

[25] – یك ROM – CD كه توان ذخیره سازی 550 مگابایت را دارد برای ذخیره كردن 32 جلد كتاب از دایره المعارف بریتانیكا كافی است.

[26] – cathode-ray tube

[27] – joystick

لینک دانلود و توضیحات فایل”سخت افزار کامپیوتر”