मुख्य निष्कर्ष
1. कंप्यूटर एक स्तरों की पदानुक्रम के रूप में संरचित होते हैं, प्रत्येक का एक विशिष्ट कार्य होता है।
इस पुस्तक के पहले तीन संस्करण इस विचार पर आधारित थे कि एक कंप्यूटर को स्तरों की एक पदानुक्रम के रूप में देखा जा सकता है, जिसमें से प्रत्येक एक अच्छी तरह से परिभाषित कार्य करता है।
स्तरीय अमूर्तता। एक कंप्यूटर प्रणाली एक एकल इकाई नहीं है, बल्कि स्तरों की एक श्रृंखला है, जो नीचे के स्तर पर आधारित होती है। यह स्तरित दृष्टिकोण डिज़ाइन और समझ को सरल बनाता है, जिससे इंजीनियरों को पूरे सिस्टम को एक साथ समझने की आवश्यकता के बिना विशिष्ट स्तरों पर ध्यान केंद्रित करने की अनुमति मिलती है। प्रत्येक स्तर एक आभासी मशीन प्रदान करता है, जो निचले स्तरों की जटिलताओं को छुपाता है।
पदानुक्रम के स्तर। पुस्तक में प्रमुख स्तरों पर जोर दिया गया है:
- डिजिटल लॉजिक स्तर: आधार, जो गेट और सर्किट से संबंधित है।
- माइक्रोआर्किटेक्चर स्तर: ISA को डेटा पथ और नियंत्रण संकेतों का उपयोग करके लागू करता है।
- इंस्ट्रक्शन सेट आर्किटेक्चर (ISA) स्तर: मशीन भाषा को परिभाषित करता है।
- ऑपरेटिंग सिस्टम स्तर: संसाधनों का प्रबंधन करता है और अनुप्रयोगों को सेवाएँ प्रदान करता है।
- असेंबली भाषा स्तर: मशीन कोड का मानव-पठनीय प्रतिनिधित्व।
- समस्या-उन्मुख भाषा स्तर: उच्च-स्तरीय भाषाएँ जैसे Java या C++।
पदानुक्रम मॉडल के लाभ। यह संरचना मॉड्यूलरिटी की अनुमति देती है, जिससे एक स्तर पर घटकों को अपडेट या बदलना आसान हो जाता है बिना अन्य स्तरों को प्रभावित किए। यह श्रम का विभाजन भी सक्षम बनाता है, जिसमें विभिन्न टीमें सिस्टम के विभिन्न पहलुओं पर ध्यान केंद्रित करती हैं। यह अमूर्तता आधुनिक कंप्यूटरों की जटिलता को प्रबंधित करने के लिए महत्वपूर्ण है।
2. कंप्यूटर आर्किटेक्चर ने विभिन्न पीढ़ियों के माध्यम से विकास किया है, प्रत्येक तकनीकी प्रगति द्वारा चिह्नित।
आधुनिक कंप्यूटर इतिहास यहीं से शुरू होता है।
यांत्रिक शुरुआत। गणना के पहले प्रयासों में यांत्रिक उपकरण शामिल थे, जैसे कि बैबेज का एनालिटिकल इंजन (1834), जिसने, हालांकि कभी पूरी तरह से साकार नहीं हुआ, डिजिटल कंप्यूटरों की नींव रखी। इन मशीनों ने गणनाएँ करने के लिए गियर्स और लीवर का उपयोग किया, जो एक महत्वपूर्ण वैचारिक छलांग का प्रतिनिधित्व करता है।
वैक्यूम ट्यूब युग। पहले पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक कंप्यूटर (1945-1955) वैक्यूम ट्यूब पर निर्भर थे। COLOSSUS (1943) और ENIAC (1946) इसके प्रमुख उदाहरण थे, लेकिन ये बड़े, ऊर्जा-खपत करने वाले और विफलता के प्रति संवेदनशील थे। EDSAC (1949) ने स्टोर्ड-प्रोग्राम अवधारणा को लागू करके एक महत्वपूर्ण कदम उठाया।
ट्रांजिस्टर और एकीकृत सर्किट। दूसरी (1955-1965) और तीसरी (1965-1980) पीढ़ियों में क्रमशः ट्रांजिस्टर और एकीकृत सर्किट का परिचय हुआ। इन नवाचारों ने छोटे, अधिक विश्वसनीय और ऊर्जा-कुशल कंप्यूटरों का निर्माण किया। IBM 360 (1964) एक मील का पत्थर था, जिसने एक परिवार के रूप में डिज़ाइन की गई उत्पाद श्रृंखला की अवधारणा स्थापित की।
VLSI और आगे। चौथी पीढ़ी (1980-वर्तमान) को बहुत बड़े पैमाने पर एकीकरण (VLSI) द्वारा चिह्नित किया गया है, जो माइक्रोप्रोसेसर और व्यक्तिगत कंप्यूटरों के निर्माण को सक्षम बनाता है। मूर का नियम चिप पर ट्रांजिस्टर की संख्या में गुणात्मक वृद्धि की भविष्यवाणी करता है, जो कंप्यूटिंग शक्ति में निरंतर प्रगति को प्रेरित करता है।
3. कंप्यूटर "जू" विभिन्न उपकरणों का एक विस्तृत स्पेक्ट्रम है, प्रत्येक विशिष्ट आवश्यकताओं और आर्थिक सीमाओं के अनुसार तैयार किया गया है।
वर्तमान में उपलब्ध कंप्यूटरों का स्पेक्ट्रम। कीमतों को एक चुटकी नमक (या बेहतर, एक मीट्रिक टन) के साथ लेना चाहिए।
विविध परिदृश्य। कंप्यूटर बाजार एक एकल इकाई नहीं है; यह एक विविध पारिस्थितिकी तंत्र है जिसमें डिस्पोजेबल कंप्यूटर से लेकर करोड़ों डॉलर के सुपरकंप्यूटर तक के उपकरण शामिल हैं। प्रत्येक प्रकार विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करता है, प्रदर्शन, लागत और आकार के बीच संतुलन बनाता है।
कंप्यूटर प्रकारों के उदाहरण:
- एम्बेडेड कंप्यूटर: घड़ियों, कारों और उपकरणों में पाए जाते हैं।
- गेम कंप्यूटर: घरेलू वीडियो गेम कंसोल।
- व्यक्तिगत कंप्यूटर: डेस्कटॉप और पोर्टेबल कंप्यूटर।
- सर्वर: व्यवसायों के लिए नेटवर्क सर्वर।
- मेनफ्रेम: बड़े संगठनों में बैच डेटा प्रोसेसिंग के लिए उपयोग किया जाता है।
- सुपरकंप्यूटर: जटिल वैज्ञानिक और इंजीनियरिंग समस्याओं का समाधान करते हैं।
तकनीकी और आर्थिक बल। कंप्यूटर "जू" का विकास तकनीकी प्रगति और आर्थिक विचारों द्वारा संचालित होता है। मूर का नियम, जो ट्रांजिस्टर घनत्व में गुणात्मक वृद्धि की भविष्यवाणी करता है, ने अधिक शक्तिशाली और सस्ती उपकरणों के निर्माण को सक्षम बनाया है। बाजार की मांग और प्रतिस्पर्धात्मक दबाव आगे इस परिदृश्य को आकार देते हैं।
4. प्रोसेसर पाइपलाइनों के माध्यम से निर्देशों को निष्पादित करते हैं, जो समानांतरता के माध्यम से प्रदर्शन को बढ़ाते हैं।
एक सामान्य वॉन न्यूमैन मशीन का डेटा पथ।
निर्देश निष्पादन चक्र। प्रोसेसर निर्देशों को एक चक्र में निष्पादित करते हैं जिसमें लाना, डिकोड करना, ऑपरेन्ड लाना, निष्पादन और लिखना शामिल होता है। आधुनिक प्रोसेसर प्रदर्शन में सुधार के लिए पाइपलाइनिंग और समानांतरता जैसी तकनीकों का उपयोग करते हैं।
पाइपलाइनिंग। पाइपलाइनिंग निर्देश निष्पादन चक्र को चरणों में विभाजित करती है, जिससे कई निर्देशों को एक साथ संसाधित किया जा सकता है। यह थ्रूपुट को बढ़ाता है, लेकिन पाइपलाइन निर्भरता या शाखाओं द्वारा अवरुद्ध हो सकती है।
समानांतरता। आधुनिक प्रोसेसर समानांतरता को प्राप्त करते हैं:
- इंस्ट्रक्शन-लेवल समानांतरता (ILP): एक साथ कई निर्देशों को निष्पादित करना।
- प्रोसेसर-लेवल समानांतरता: विभिन्न कार्यों पर काम करने के लिए कई प्रोसेसरों का उपयोग करना।
RISC बनाम CISC। रिड्यूस्ड इंस्ट्रक्शन सेट कंप्यूटिंग (RISC) आर्किटेक्चर सरल निर्देशों को प्राथमिकता देते हैं जिन्हें तेजी से निष्पादित किया जा सकता है, जबकि कॉम्प्लेक्स इंस्ट्रक्शन सेट कंप्यूटिंग (CISC) आर्किटेक्चर अधिक जटिल निर्देशों का उपयोग करते हैं जो प्रति निर्देश अधिक कार्य कर सकते हैं। आधुनिक प्रोसेसर अक्सर दोनों के पहलुओं को मिलाते हैं।
5. मेमोरी पदानुक्रम में व्यवस्थित होती है, जो गति, लागत और क्षमता के बीच संतुलन बनाती है।
एक पांच-स्तरीय मेमोरी पदानुक्रम।
मेमोरी पदानुक्रम। कंप्यूटर मेमोरी को एक पदानुक्रम के रूप में संरचित किया गया है, जिसमें प्रत्येक स्तर गति, लागत और क्षमता का एक अलग संतुलन प्रदान करता है। यह पदानुक्रम आमतौर पर शामिल होता है:
- रजिस्टर: सबसे तेज, सबसे महंगा, और सबसे छोटा।
- कैश मेमोरी: तेज, अपेक्षाकृत महंगा, और छोटा।
- प्राथमिक मेमोरी (RAM): मध्यम गति, मध्यम महंगा, और मध्यम आकार का।
- द्वितीयक मेमोरी (डिस्क): धीमा, सस्ता, और बड़ा।
- तृतीयक मेमोरी (टेप, ऑप्टिकल डिस्क): बहुत धीमा, बहुत सस्ता, और बहुत बड़ा।
कैश मेमोरी। कैश मेमोरी एक छोटी, तेज मेमोरी है जो अक्सर एक्सेस किए जाने वाले डेटा को संग्रहीत करती है, जिससे धीमी मुख्य मेमोरी तक पहुँचने की आवश्यकता कम हो जाती है। कैश प्रदर्शन कई कारकों पर निर्भर करता है जैसे आकार, संघटन, और प्रतिस्थापन नीति।
मेमोरी पैकेजिंग और प्रकार। मेमोरी विभिन्न रूपों में पैक की जाती है, जैसे SIMMs और DIMMs। RAM के विभिन्न प्रकार, जैसे SRAM और DRAM, विभिन्न प्रदर्शन विशेषताओं की पेशकश करते हैं।
6. इनपुट/आउटपुट (I/O) सिस्टम कंप्यूटर और बाहरी दुनिया के बीच संचार को सुविधाजनक बनाते हैं।
एक व्यक्तिगत कंप्यूटर की भौतिक संरचना।
बसें। I/O उपकरण कंप्यूटर से बसों के माध्यम से जुड़े होते हैं, जो साझा संचार पथ होते हैं। आधुनिक सिस्टम में अक्सर कई बसें होती हैं, जिनमें PCI और USB जैसी उच्च गति की बसें और ISA जैसी धीमी बसें शामिल होती हैं।
नियंत्रक। प्रत्येक I/O उपकरण में एक नियंत्रक होता है जो बस और उपकरण के साथ संचार का प्रबंधन करता है। नियंत्रक डेटा को सीधे मेमोरी में या उससे स्थानांतरित करने के लिए डायरेक्ट मेमोरी एक्सेस (DMA) का उपयोग कर सकते हैं।
सामान्य I/O उपकरण:
- टर्मिनल: उपयोगकर्ता इंटरैक्शन के लिए कीबोर्ड और मॉनिटर।
- माउस: ग्राफिकल यूजर इंटरफेस के लिए पॉइंटिंग उपकरण।
- प्रिंटर: हार्ड कॉपी बनाने के लिए आउटपुट उपकरण।
- मोडेम: टेलीफोन लाइनों के माध्यम से डेटा संचारित करने के लिए उपकरण।
कैरेक्टर कोड। कैरेक्टर कोड जैसे ASCII और Unicode का उपयोग पाठ वर्णों को मानकीकृत प्रारूप में प्रदर्शित करने के लिए किया जाता है।
7. डिजिटल लॉजिक गेट और बूलियन बीजगणित कंप्यूटर हार्डवेयर की नींव बनाते हैं।
एक ट्रांजिस्टर इन्वर्टर।
गेट। डिजिटल सर्किट लॉजिक गेट्स से बने होते हैं, जैसे AND, OR, NOT, NAND, और NOR गेट्स। ये गेट बाइनरी इनपुट पर बुनियादी बूलियन ऑपरेशंस करते हैं।
बूलियन बीजगणित। बूलियन बीजगणित डिजिटल सर्किटों का विश्लेषण और डिज़ाइन करने के लिए एक गणितीय ढांचा प्रदान करता है। यह बाइनरी मानों को संशोधित करने के लिए AND, OR, और NOT जैसे ऑपरेटरों का उपयोग करता है।
बुनियादी डिजिटल लॉजिक सर्किट। संयोजक सर्किट, जैसे एडर्स और मल्टीप्लेक्सर्स, आपस में जुड़े लॉजिक गेट्स से बने होते हैं। अनुक्रमिक सर्किट, जैसे फ्लिप-फ्लॉप और रजिस्टर, स्थिति को संग्रहीत करने के लिए फीडबैक का उपयोग करते हैं।
CPU चिप्स और बसें। CPU चिप्स में जटिल डिजिटल लॉजिक सर्किट होते हैं, जिनमें ALUs, नियंत्रण इकाइयाँ, और रजिस्टर शामिल होते हैं। कंप्यूटर बसें CPU, मेमोरी, और I/O उपकरणों के बीच संचार के लिए संचार पथ प्रदान करती हैं।
8. माइक्रोआर्किटेक्चर इंस्ट्रक्शन सेट आर्किटेक्चर (ISA) को डेटा पथ और नियंत्रण संकेतों का उपयोग करके लागू करता है।
इस अध्याय में उपयोग की गई उदाहरण माइक्रोआर्किटेक्चर का डेटा पथ।
डेटापाथ। माइक्रोआर्किटेक्चर स्तर ISA को डेटा पथ का उपयोग करके लागू करता है, जो डेटा प्रवाह के लिए भौतिक पथ होते हैं। एक सामान्य डेटा पथ में रजिस्टर, एक ALU, और एक शिफ्टर शामिल होता है।
माइक्रोइंस्ट्रक्शंस। माइक्रोइंस्ट्रक्शंस डेटा पथ के संचालन को नियंत्रित करती हैं। प्रत्येक माइक्रोइंस्ट्रक्शन निर्दिष्ट करता है कि कौन से रजिस्टर पढ़ने हैं, कौन सा ALU ऑपरेशन करना है, और परिणाम को किस रजिस्टर में लिखना है।
माइक्रोइंस्ट्रक्शन नियंत्रण। माइक्रोइंस्ट्रक्शन नियंत्रण को माइक्रोप्रोग्रामिंग का उपयोग करके लागू किया जा सकता है, जहां ROM में संग्रहीत एक माइक्रोप्रोग्राम माइक्रोइंस्ट्रक्शंस के निष्पादन को नियंत्रित करता है।
डिज़ाइन ट्रेड-ऑफ। माइक्रोआर्किटेक्चर डिज़ाइन में गति और लागत के बीच ट्रेड-ऑफ शामिल होते हैं। पाइपलाइनिंग और कैशिंग जैसी तकनीकें प्रदर्शन में सुधार कर सकती हैं, लेकिन वे जटिलता और लागत भी बढ़ाती हैं।
9. इंस्ट्रक्शन सेट आर्किटेक्चर (ISA) मशीन भाषा और इसकी विशेषताओं को परिभाषित करता है।
ISA स्तर की विशेषताएँ।
ISA विशेषताएँ। ISA स्तर मशीन भाषा को परिभाषित करता है, जिसमें इंस्ट्रक्शन सेट, मेमोरी मॉडल, रजिस्टर, और डेटा प्रकार शामिल हैं। यह अंतर्निहित हार्डवेयर का एक अमूर्त रूप प्रदान करता है, जिससे प्रोग्रामर्स को कोड लिखने की अनुमति मिलती है बिना माइक्रोआर्किटेक्चर के विवरण को जाने।
मेमोरी मॉडल। ISA मेमोरी मॉडल को परिभाषित करता है, जिसमें यह शामिल है कि मेमोरी को कैसे पता लगाया और व्यवस्थित किया जाता है। सामान्य मेमोरी मॉडल में रैखिक पता लगाना और खंडित पता लगाना शामिल हैं।
रजिस्टर। ISA प्रोग्रामर्स के लिए उपलब्ध रजिस्टरों की संख्या और प्रकारों को निर्दिष्ट करता है। रजिस्टर डेटा और पते को प्रोग्राम निष्पादन के दौरान संग्रहीत करने के लिए उपयोग किए जाते हैं।
निर्देश प्रारूप। ISA मशीन निर्देशों के प्रारूप को परिभाषित करता है, जिसमें ऑपकोड और ऑपरेन्ड शामिल होते हैं। निर्देश प्रारूप निश्चित-लंबाई या परिवर्तनीय-लंबाई हो सकते हैं।
10. ऑपरेटिंग सिस्टम वर्चुअल मेमोरी, I/O, और समानांतर प्रसंस्करण का प्रबंधन करते हैं।
ऑपरेटिंग सिस्टम मशीन स्तर की स्थिति।
वर्चुअल मेमोरी। ऑपरेटिंग सिस्टम वर्चुअल मेमोरी को लागू करते हैं, जो प्रक्रियाओं को भौतिक रूप से उपलब्ध मेमोरी से अधिक मेमोरी तक पहुँचने की अनुमति देता है। वर्चुअल मेमोरी पेजिंग और खंडन जैसी तकनीकों का उपयोग करके वर्चुअल पते को भौतिक पते से मानचित्रित करती है।
वर्चुअल I/O निर्देश। ऑपरेटिंग सिस्टम वर्चुअल I/O निर्देश प्रदान करते हैं जो प्रक्रियाओं को डिवाइस-स्वतंत्र तरीके से I/O उपकरणों तक पहुँचने की अनुमति देते हैं। इसमें फ़ाइलों, निर्देशिकाओं, और डिवाइस ड्राइवरों का प्रबंधन शामिल है।
समानांतर प्रसंस्करण के लिए वर्चुअल निर्देश। ऑपरेटिंग सिस्टम प्रक्रियाओं को बनाने और समन्वयित करने के लिए तंत्र प्रदान करते हैं, जिससे समानांतर प्रसंस्करण संभव होता है। इसमें प्रक्रिया निर्माण, दौड़ की स्थिति से बचाव, और सेमाफोर का उपयोग करके प्रक्रिया समन्वय शामिल है।
उदाहरण ऑपरेटिंग सिस्टम। UNIX और Windows NT दो व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले ऑपरेटिंग सिस्टम हैं जो ये सेवाएँ प्रदान करते हैं।
11. असेंबली भाषा मशीन कोड के लिए एक मानव-पठनीय इंटरफेस प्रदान करती है।
पेंटियम II पूर्णांक निर्देशों का एक चयन।
असेंबली भाषा की बुनियाद। असेंबली भाषा एक निम्न-स्तरीय प्रोग्रामिंग भाषा है जो मशीन कोड का प्रतीकात्मक प्रतिनिधित्व प्रदान करती है। यह निर्देशों का प्रतिनिधित्व करने के लिए म्नेमोनिक्स और मेमोरी पते का प्रतिनिधित्व करने के लिए लेबल का उपयोग करती है।
असेंबली भाषा के कथन। असेंबली भाषा के कथन आमतौर पर एक लेबल, एक ऑपकोड, और ऑपरेन्ड्स से मिलकर बनते हैं। असेंबली प्रक्रिया को नियंत्रित करने के लिए छद्म निर्देशों का उपयोग किया जाता है।
मैक्रोज़। मैक्रोज़ असेंबली भाषा में पुन: प्रयोज्य कोड अनुक्रमों को परिभाषित करने का एक तरीका हैं। इनका उपयोग प्रोग्रामिंग को सरल बनाने और कोड की पठनीयता में सुधार करने के लिए किया जा सकता है।
असेंबली प्रक्रिया। असेंबली प्रक्रिया में दो पास होते हैं: पहला पास, जो प्रतीक तालिका बनाता है, और दूसरा पास, जो मशीन कोड उत्पन्न करता है।
12. समानांतर कंप्यूटर आर्किटेक्चर विभिन्न संचार मॉडलों और इंटरकनेक्शन नेटवर्क के माध्यम से प्रदर्शन को संबोधित करते
अंतिम अपडेट:
समीक्षाएं
संरचित कंप्यूटर संगठन को ज्यादातर सकारात्मक समीक्षाएँ मिलती हैं, जिसमें औसत रेटिंग 4.03/5 है। पाठक इसकी हास्य, स्पष्ट व्याख्याओं और कंप्यूटर आर्किटेक्चर के व्यापक कवरेज की सराहना करते हैं। कई लोग इसे शुरुआती लोगों के लिए एक उत्कृष्ट परिचय मानते हैं, इसकी संगठन और पठनीयता की प्रशंसा करते हैं। कुछ इसे पुराना या कभी-कभी गहरे विषयों पर भ्रमित करने वाला मानते हैं। यह पुस्तक ट्रांजिस्टर से लेकर सॉफ़्टवेयर तक समझ बनाने के अपने दृष्टिकोण के लिए जानी जाती है। जबकि कुछ लोग सामग्री को सूखा पाते हैं, अन्य तानेनबाम की इसे रोचक बनाए रखने की क्षमता की सराहना करते हैं।
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