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، VCR ها، 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 اینتل 8080 را به عنوان اولین ریزپردازنده موفق عرضه كرد. مدت كوتاهی پس از آن، موتورولا، RCA و سپس MOS Technology و zilog  انواع مشابهی را به ترتیب به نامهای 6800 ، 1801 ، 6502 و Z80 عرضه كردند. گر چه این مدارهای مجتمع      IC) 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 این SBC ها كه بسرعت به آزمایشگاههای طراحی در كالج ها،‌دانشگاهها و شركت های الكترونیك راه پیدا كردند می توان برای نمونه از D2 موتورولا، KIM-1 ساخت MOS Technology و SDK-85 متعلق به شركت اینتل نام برد.

میكروكنترلر قطعه ای شبیه به ریزپردازنده است. در 1976 اینتل 8748 را به عنوان اولین قطعه خانواده میكروكنترلرهای MCS-48TM معرفی كرد. 8748 با 17000 ترانزیستور در یك مدار مجتمع ،‌شامل یك CPU ،‌1 كیلوبایت EPROM ، 27 پایه I/O و یك تایمر 8 بیتی بود. این IC و دیگر اعضای MCS-48TM  كه 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 یك IBM PC دارند 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 ساخت 8051 ، یعنی اولین عضو خانوادة‌میكروكنترلرهای MCS-51TM در 1980 توسط اینتل پیشرفت چشمگیری كرد. در مقایسه با 8048 این قطعه شامل بیش از 60000 ترانزیستور ، K4 بایت ROM، 128 بایت RAM ،‌32 خط I/O ، یك درگاه سریال و دو تایمر 16 بیتی است. كه از لحاظ مدارات داخلی برای یك IC بسیار قابل ملاحظه است، امروزه انواع گوناگونی از این IC وجوددارند كه به صورت مجازی این مشخصات را دوبرابر كرده اند. شركت زیمنس كه دومین تولید كنندة‌قطعات MCS-51TM است SAB80515 را به عنوان یك 8051 توسعه یافته در یك بستة 68 پایه با شش درگاه I/O 8 بیتی، 13 منبع وقفه، و یك مبدل آنالوگ به دیجیتال با 8 كانال ورودی عرضه كرده است. خانواده 8051 به 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 میكروكنترلرهای MCS-51TM نوشته شده است فصل های بعدی معماری سخت افزار و نرم افزار خانواده MCS-51TM را 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.

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 بودن CPU در 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. CPU توانایی 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, AND و 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 از RAM سیستم یكی از اساسی ترین اعمالی است كه توسط CPU انجام می شود و شامل این مراحل است: (الف) محتویات شمارندة برنامه در گذرگاه آدرس قرار می گیرد (ب) یك سیگنال كنترل READ فعال می شود (پ) داده (كد عملیاتی[15] دستورالعمل) از RAM خوانده می شود و روی گذرگاه قرار می گیرد (ت) كد عملیاتی در ثبات داخلی دستورالعمل CPU ذخیره 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 از ALU است. همچنین باید به ALU برای 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 تحلیل CPU سپس برنامه ها CPU را 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: RAM ROM 

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 توسط CPU قابل دستیابی می باشند،‌IC های (مدارهای مجتمع) نیمه رسانایی هستند كه RAM و ROM نامیده می شوند دو ویژگی RAM و ROM را از هم متمایز می سازد: اول آن كه RAM حافظه خواندنی / نوشتنی است در حالیكه ROM حافظه فقط خواندنی است و دوم آن كه RAM فرار است (یعنی محتویات آن هنگام نبود ولتاژ تغذیه پاك می شود) در حالیكه ROM غیر فرار می باشد.

اغلب سیستم های كامپیوتری یك دیسك درایو و مقدار اندكی ROM دارند 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 داخل RAM بار می شوند. با كاهش مداوم در قیمت هر بایت RAM ، سیستم های كامپیوتری كوچك اغلب شامل میلیون ها بایت RAM می 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 اطراف CPU توسط سه گذرگاه فراهم می‌شود: گذرگاه آدرس، گذرگاه داده و گذرگاه كنترل. برای هر عمل خواندن یا نوشتن،‌CPU موقعیت 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. CPU داده را می خواند و در یكی از ثبات های داخلی خود قرار می دهد. برای عمل نوشتن CPU داده 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 داشتن n خط 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 به  مكان، دسترسی داشته باشد و برای یك آدرس 20 بیتی   مكان قابل دستیابی است. علامت اختصاری K (برای كیلو) نماینده  می باشد، بنابراین 16 بیت می تواند  مكان را آدرس دهی كند در حالیكه 20 بیت می تواند  (یا Meg 1) را آدرس دهی نماید.

گذرگاه داده اطلاعات را بین CPU و حافظه یا بین CPU و قطعات I/O منتقل 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 ثبات CPU و RAM یا ROM خارجی 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 و CPU از توان محاسباتی زیادی برخوردار باشد اما دسترسی به داده - جابجایی داغده بین حافظه و CPU از 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 توسط CPU فراهم 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 توسط CPU برای همزمان كردن جابجایی اطلاعات روی گذرگاه آدرس و داده ایجاد می شوند. اگر چه معمولا سه سیگنال مثل WRITE , READ, CLOCK وجوددارد، برای انتقال اساسی داده بین CPU و حافظه ، نام و عملكرد این سیگنال ها بطور كامل بستگی به نوع CPU دارد. برای جزئیات بیشتر در این موارد باید به برگة اطلاعات سازندگان مراجعه كرد.

6-1 ابزارهای ورودی / خروجی

ابزارهای I/O یا “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 ابزارهای I/O عبارتند 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 مثل RAM ها و ROM های 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 در RAM با “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 مثل ROM- CDها[23] یا تكنولوژی WORM [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 ولی VDT ها در واقع از دو وسیله تشكیل شده اند زیرا شامل یك صفحه كلید به عنوان ورودی و یك CRT[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، CRT و 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