سخت افزار کامپیوتر

دانلود سخت افزار کامپیوتر

 

سخت افزار کامپیوتر

دسته بندی	کامپیوتر و IT
فرمت فایل	doc
حجم فایل	125 کیلو بایت
تعداد صفحات	77

برای دانلود فایل روی دکمه زیر کلیک کنید
دریافت فایل

سخت افزار کامپیوتر

مقدمه

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

ما با انواع گوناگونی از کامپیوترها برخورد می کنیم که وظایفشان را زیرکانه و بطرزی آرام، کارا و حتی فروتنانه انجام می دهند و حتی حضور آنها اغلب احساس نمی شود. ما کامپیوترها را به عنوان جزء مرکزی بسیاری از فرآورده های صنعتی و مصرفی از جمله،‌در سوپرمارکت 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 کار در ماشین های تایپ و فتوکپی؛ و در تجهیزات صنعتی مثل مته های فشاری و دستگاههای حروفچینی نوری می یابیم. در این مجموعه ها کامپیوترها وظیفه «کنترل» را در ارتباط با “دنیای واقعی” ، برای روشن و خاموش کردن وسایل و نظارت بر وضعیت آنها انجام می هند. میکروکنترلرها (برخلاف میکروکامپیوترها و ریزپردازنده ها ) اغلب در چنین کاربردهایی یافت می شوند.

با وجود این که بیش از بیست سال از تولد ریزپردازنده نمی گذرد، تصور وسایل الکترونیکی و اسباب بازیهای امروزی بدون آن کار مشکلی است. در 1971 شرکت اینتل8080را به عنوان اولین ریزپردازنده موفق عرضه کرد. مدت کوتاهی پس از آن، موتورولا،RCAو سپسMOS Technologyوzilog انواع مشابهی را به ترتیب به نامهای6800،1801،6502وZ80عرضه کردند. گر چه این مدارهای مجتمعIC)ها ) به خودی خود فایده چندانی نداشتند اما به عنوان بخشی از یک کامپیوتر تک بورد[1](SBC)، به جزء مرکزی فرآورده های مفیدی برای آموزش طراحی با ریزپردازنده ها تبدیل شدند.

از اینSBCها که بسرعت به آزمایشگاههای طراحی در کالج ها،‌دانشگاهها و شرکت های الکترونیک راه پیدا کردند می توان برای نمونه ازD2موتورولا،KIM-1ساختMOS TechnologyوSDK-85متعلق به شرکت اینتل نام برد.

میکروکنترلر قطعه ای شبیه به ریزپردازنده است. در 1976 اینتل8748را به عنوان اولین قطعه خانواده میکروکنترلرهایMCS-48^TMمعرفی کرد.8748با 17000 ترانزیستور در یک مدار مجتمع ،‌شامل یکCPU،‌1 کیلوبایتEPROM، 27 پایهI/Oو یک تایمر 8 بیتی بود. اینICو دیگر اعضایMCS-48^TMکه پس از آن آمدند، خیلی زود به یک استاندارد صنعتی در کاربردهای کنترل گرا تبدیل شدند. جایگزین کردن اجزاء الکترومکانیکی در فرآورده هایی مثل ماشین های لباسشویی و چراغ های راهنمایی از ابتدای کار، یک کاربرد مورد توجه برای این میکروکنترلرها بودند و همین طور باقی ماندند. دیگر فرآورده هایی که در آنها می توان میکروکنترلر را یافت عبارتند از اتومبیل ها،‌تجهیزات صنعتی، وسایل سرگرمی و ابزارهای جانبی کامپیوتر(افرادی که یکIBM PCدارند کافی است به داخل صفحه کلید نگاه کنند تا مثالی از یک میکروکنترلر را در یک طراحی با کمترین اجزاء ممکن ببینند).

توان، ابعاد و پیچیدگی میکروکنترلرها با اعلام ساخت8051، یعنی اولین عضو خانوادة‌میکروکنترلرهایMCS-51^TMدر 1980 توسط اینتل پیشرفت چشمگیری کرد. در مقایسه با8048این قطعه شامل بیش از 60000 ترانزیستور ،K4 بایتROM، 128 بایتRAM،‌32 خطI/O، یک درگاه سریال و دو تایمر 16 بیتی است. که از لحاظ مدارات داخلی برای یکICبسیار قابل ملاحظه است، امروزه انواع گوناگونی از اینICوجوددارند که به صورت مجازی این مشخصات را دوبرابر کرده اند. شرکت زیمنس که دومین تولید کنندة‌قطعاتMCS-51^TMاستSAB80515را به عنوان یک8051توسعه یافته در یک بستة 68 پایه با شش درگاهI/O8 بیتی، 13 منبع وقفه، و یک مبدل آنالوگ به دیجیتال با 8 کانال ورودی عرضه کرده است. خانواده8051به عنوان یکی از جامعترین و قدرتمندترین میکروکنترلرهای 8 بیتی شناخته شده و جایگاهش را به عنوان یک میکروکنترلر مهم برای سالهای آینده یافته است.

این کتاب درباره خانواده میکروکنترلرهایMCS-51^TMنوشته شده است فصل های بعدی معماری سخت افزار و نرم افزار خانوادهMCS-51^TMرا معرفی می کنند و از طریق مثالهای طراحی متعدد نشان می دهند که چگونه اعضای این خانواده می توانند در طراحی های الکترونیکی با کمترین اجزاء اضافی ممکن شرکت داشته باشند.

در بخش های بعدی از طریق یک آشنایی مختصر با معماری کامپیوتر، یک واژگان کاری از اختصارات و کلمات فنی که در این زمینه متداولند (و اغلب با هم اشتباه می شوند) را ایجاد خواهیم کرد. از آنجا که بسیاری اصطلاحات در نتیجة تعصب شرکت های بزرگ و سلیقه مؤلفان مختلف دچار ابهام شده اند،‌روش کار ما در این زمینه بیشتر عملی خواهد بود تا آکادمیک. هر اصطلاح در متداولترین حالت با یک توضیح ساده معرفی شده است.

فصل اول

2-1 اصطلاحات فنی

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

نبود جزئیات در شکل عمدی است و باعث شده تا شکل نشان دهنده کامپیوترهایی در تمامی اندازه‌ها باشد. همانطور که نشان داده شده است،یک سیستم کامپیوتری شامل یک واحد پردازش مرکزی[3](CPU)است که ازطریق گذرگاه آدرس[4]، ‌گذرگاه داده[5]و گذرگاه کنترل[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 کنند.

3-1 واحد پردازش مرکزی

CPU، به عنوان “مغز” سیستم کامپیوتری، تمامی فعالیت های سیستم را اداره کرده 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 که بطور مداوم دو عمل را انجام می دهند. واکشی[10]دستورالعمل ها، و اجرای آنها.CPUتوانایی درک و اجرای دستورالعمل ها را براساس مجموعه ای از کدهای دودویی دارد که هر یک از این کدها نشان دهنده یک 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 کدهای دودویی با نام مجموعه دستورالعمل ها[11]نشان داده می شوند.

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

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

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

2- مرحلة‌ اجرا مستلزم رمزگشایی کد عملیاتی و ایجاد سیگنال های کنترلی 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 ممکن، این توضیحات تا حدی سطحی می باشند و در یک عملیات ساده مثل افزایش یک 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.

یک سری از دستورالعمل ها که برای انجام یک وظیفه معنادار ترکیب شوند برنامه یا نرم افزار نامیده می شود، و نکته واقعاً‌اسرارآمیز در همین جا نهفته است. معیار اندازه گیری برای انجام درست وظایف، بیشتر کیفیت نرم افزار است تا توانایی تحلیلCPUسپس برنامه هاCPUرا راه اندازی می کنند و هنگام این کار آنها گهگاه به تقلید از نقطه ضعف های نویسندگان خود، اشتباه هم می کنند. عباراتی نظیر “کامپیوتر اشتباه کرد “ گمراه کننده هستند. اگر چه خرابی تجهیزات غیر قابل اجتناب است اما اشتباه در نتایج معمولا نشانی از برنامه های ضعیف یا خطای کاربر می باشد.

4-1 حافظه نیمه رسانا:RAMROM

برنامه ها و داده در حافظه ذخیره می شوند. حافظه های کامپیوتر بسیار متنوعند و اجرای همراه آنها بسیار، و تکنولوژی بطور دائم و پی در پی موانع را برطرف میکند، بگونه ای که اطلاع از جدیدترین پیشرفت ها نیاز به مطالعه جامع و مداوم دارد. حافظه هایی که به طور مستقیم توسطCPUقابل دستیابی می باشند،‌ICهای (مدارهای مجتمع) نیمه رسانایی هستند کهRAMوROMنامیده می شوند دو ویژگیRAMوROMرا از هم متمایز می سازد: اول آن کهRAMحافظه خواندنی / نوشتنی است در حالیکهROMحافظه فقط خواندنی است و دوم آن کهRAMفرار است (یعنی محتویات آن هنگام نبود ولتاژ تغذیه پاک می شود) در حالیکهROMغیر فرار می باشد.

اغلب سیستم های کامپیوتری یک دیسک درایو و مقدار اندکیROMدارند که برای نگهداری روال های نرم افزاری کوتاه که دائم مورد استفاده قرار می گیرند و عملیات ورودی / خروجی را انجام می دهند کافی است. برنامه های کاربران و داده، روی دیسک ذخیره می گردند و برای اجرا به داخلRAMبار می شوند. با کاهش مداوم در قیمت هر بایتRAM، سیستم های کامپیوتری کوچک اغلب شامل میلیون ها بایتRAMمی باشند.

5-1 گذرگاهها : آدرس،‌ داده و کنترل

یک گذرگاه عبارت است از مجموعه ای از سیم ها که اطلاعات را با یک هدف مشترک حمل می کنند. امکان دستیابی به مدارات اطرافCPUتوسط سه گذرگاه فراهم می‌شود: گذرگاه آدرس، گذرگاه داده و گذرگاه کنترل. برای هر عمل خواندن یا نوشتن،‌CPUموقعیت داده (یا دستورالعمل) را با قراردادن یک آدرس روی گذرگاه آدرس مشخص می کند و سپس سیگنالی را روی گذرگاه کنترل فعال می نماید تا نشان دهد که عمل مورد نظر خواندن است یا نوشتن. عمل خواندن، یک بایت داده را از مکان مشخص شده در حافظه بر می دارد و روی گذرگاه داده قرار می دهد.CPUداده را می خواند و در یکی از ثبات های داخلی خود قرار می دهد. برای عمل نوشتنCPUداده را روی گذرگاه داده می گذارد. حافظه، تحت تأثیر سیگنال کنترل، عملیات را به عنوان یک سیکل نوشتن، تشخیص می دهد و داده را در مکان مشخص شده ذخیره می کند.

اغلب، کامپیوترهای کوچک 16 یا 20 خط آدرس دارند. با داشتنnخط آدرس که هر یک می توانند در وضعیت بالا(1)یا پایین(0)باشند،مکان دستیابی است. بنابراین یک گذرگاه آدرس 16 بیتی می تواند بهمکان، دسترسی داشته باشد و برای یک آدرس 20 بیتیمکان قابل دستیابی است. علامت اختصاریK(برای کیلو) نمایندهمی باشد، بنابراین 16 بیت می تواندمکان را آدرس دهی کند در حالیکه 20 بیت می تواند(یاMeg1) را آدرس دهی نماید.

گذرگاه داده اطلاعات را بینCPUو حافظه یا بینCPUو قطعاتI/Oمنتقل می کند. تحقیقات دامنه داری که برای تعیین نوع فعالیت هایی که زمان ارزشمند اجرای دستورالعمل ها را در یک کامپیوتر صرف می کنند، انجام شده است نشان می دهد که کامپیوترها دوسوم وقتشان را خیلی ساده صرف جابجایی داده می کنند. از آن جا که عمدة عملیات جابجایی بین یک ثباتCPUوRAMیاROMخارجی انجام می شود تعداد خط های (یا پهنای) گذرگاه داده در کارکرد کلی کامپیوتر اهمیت شایانی دارد. این محدودیت پهنا، یک تنگنا به شمار می رود: ممکن 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 که یک پیشوند را که نشان دهنده اندازه این محدودیت است اضافه می کنند. عبارت “کامپیوتر 16 بیتی” به کامپیوتری با 16 خط در گذرگاه داده اشاره می کند. اغلب کامپیوترها در طبقه بندی 4 بیت، 8 بیت ، 16 بیت یا 32 بیت قرار می گیرند و توان محاسباتی کلی آنها با افزایش پهنای گذرگاه داده، افزایش می یابد.

توجه داشته باشید که گذرگاه داده یک گذرگاه دو طرفه و گذرگاه آدرس، یک گذرگاه یک طرفه می باشد. اطلاعات آدرس همیشه توسطCPUفراهم می شود حالیکه داده ممکن است در هر جهت،‌بسته به اینکه عملیات خواندن مورد نظر باشد یا نوشتن، جابجا شود[17]. همچنین توجه داشته باشید که عبارت “داده” در مفهوم کلی بکار رفته است یعنی اصطلاعاتی که روی گذرگاه داده جابجا می شود و ممکن است دستورالعمل های یک برنامه، آدرس ضمیمه شده به یک دستورالعمل یا داده مورد استفاده توسط برنامه باشد.

گذرگاه کنترل ترکیب درهمی از سیگنال ها است،‌که هر یک نقش خاصی در کنترل منظم فعالیت های سیستم دارند. به عنوان یک قاعده کلی،‌سیگنال های کنترل سیگنال های زمان بندی هستند که توسطCPUبرای همزمان کردن 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 عملکرد این سیگنال ها بطور کامل بستگی به نوعCPUدارد. برای جزئیات بیشتر در این موارد باید به برگة اطلاعات سازندگان مراجعه کرد.

6-1 ابزارهای ورودی / خروجی

ابزارهایI/Oیا “ابزارهای جانبی کامپیوتر” مسیری برای ارتباط بین سیستم کامپیوتری و “دنیای واقعی” فراهم می کنند. بدون ابزارهای جانبی، سیستم های کامپیوتری به ماشین های درون گرایی تبدیل می شوند که استفاده ای برای کاربران خود ندارند. سه دسته از ابزارهایI/Oعبارتند از ابزارهای ذخیره سازی انبوه،[18]ابزارهای رابط با انسان[19]و ابزارهای کنترل / نظارت[20].

1-6-1 ابزارهای ذخیره سازی انبوه

ابزارهای ذخیره سازی انبوه نیز مثلRAMها وROMهای نیمه رسانا جزو نقش آفرینان عرصه تکنولوژی حافظه هستند که بطور دائم در حال رشد و بهبود است. آنچنان که از نام آنها بر می آید این ابزارها مقادیر متنابهی اطلاعات (برنامه یا داده) را نگهداری می کنند و این حجم از اطلاعات به هیچ وجه درRAMبا “حافظه اصلی” نسبتاً کوچک کامپیوتر جا نمی گیرد. این اطلاعات پیش از اینکه 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 کند ابزارهای آماده کار[21]و ابزارهای بایگانی[22]در روش ذخیره سازی آماده کار که معمولا روی نوارهای مغناطیسی یا دیسک های مغناطیسی انجام می شود. اگر چه دیسک های نوری مثلROM-CDها[23]یا تکنولوژیWORM[24]که بتازگی ظهور کرده اند، ممکن 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 که متداول ترین آنها عبارتند از پایانه های نمایش تصویر(VDT)و چاپگرها. اگر چه چاپگرها ابزارهای صرفاً خروجی هستند که برای چاپ کردن اطلاعات به کار می روند ولیVDTها در واقع از دو وسیله تشکیل شده اند زیرا شامل یک صفحه کلید به عنوان ورودی و یکCRT[26]به عنوان خروجی می باشند. یک رشتة‌ خاص در مهندسی به نام “ارگونومیک” یا “مهندسی فاکتورهای انسانی” به خاطر ضرورتی که 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 شکلی مطمئن ، راحت و کارا می باشد. در حقیقت تعداد شرکت هایی که این دسته از ابزارهای جانبی را تولید می کنند بیشتر از شرکت های تولید کننده کامپیوتر است. در هر سیستم کامپیوتری دست کم سه تا از این ابزارها وجود دارد: صفحه کلید،CRTو چاپگر. از دیگر ابزارهای رابط با انسان می توان دستگیرة بازی[27]، قلم نوری،‌ماوس، میکروفن 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] - یک ROM - CD که توان ذخیره سازی 550 مگابایت را دارد برای ذخیره کردن 32 جلد کتاب از دایره المعارف بریتانیکا کافی است.

[26] - cathode-ray tube

[27] - joystick

سخت افزار کامپیوتر

  دارای پشتیبانی 24 ساعته تلفنی و پیامکی و ایمیلی و تلگرامی 09214087336   بهترین کیفیت در بین فروشگاه های فایل   دانلود سریع و مستقیم   دارای توضیحات مختصر قبل از خرید در صفحه محصول