Специализированные процессоры

Тип обрабатываемых данных и специализированные процессоры

Тип обрабатываемых данных — это единица информации, которой манипулируют команды процессора.

По размеру это могут быть бит, полубайт (тетрада), байт, слово, двойное слово, учетверенное слово, двойное учетверенное слово (double quadword) и др. Здесь под словом подразумевается информационная единица длиной шестнадцать бит. Однако существует и другие его определения, в соответствии с которыми длина слова определяется разрядностью внешней шины данных или размером той самой базовой информационной единицы, которую и называют типом обрабатываемых данных.

По формату (способу кодирования) данные могут представлять собой целые числа в дополнительном коде, вещественные числа с плавающей точкой и т. д.

По типу обрабатываемых данных, а также совокупности других архитектурных признаков выделяются универсальные и специализированные процессоры. Специализированные процессоры часто являются основным элементом соответствующей подсистемы ЭВМ, но могут выступать и в качестве центрального процессора, например, сетевой процессор является центральным процессором в маршрутизаторах. Все специализированные процессоры также имеют свою систему команд, выполняют программы, только команды их ориентированы на определенную область.

Основные типы специализированных процессоров:

• математический процессор (устройство с плавающей точкой — Floating Point Unit, FPU);

• физический процессор (Physics Processing Unit, PPU);

• сигнальный процессор (Digital Signal Processor, DSP);

• медийный процессор;

• графический процессор (Graphics Processing Unit, GPU);

• сетевой процессор (Network Processor, NP);

• криптографический процессор.

Математический процессор

Математический процессор выполняет операции над числами с плавающей точкой. Раньше они выпускались в виде отдельных устройств, а сейчас входят в состав большинства универсальных процессоров.

Физический процессор

Физический процессор выполняет операции, связанные с различными физическими процессами: движением твердых тел и жидкостей, столкновением частиц и т. п. Первый физический процессор PhysX компании AGEIA Technology (www.ageia.com) был выпущен в 2005 году.

Сигнальный процессор

Сигнальные процессоры предназначены для выполнения следующих функций цифровой обработки сигналов:

• фильтрации сигнала;

• свертки (смешения) двух сигналов;

• вычисления корреляционных функций сигналов;

• усиления, ограничения, трансформации сигналов;

• прямого и обратного преобразования Фурье сигнала.

Для их выполнения они на аппаратном уровне поддерживают базовые операции цифровой обработки сигналов, к которым относятся:

• умножение с накоплением (C=AxB+C);

• модульная адресная арифметика;

• нормировка результатов арифметических операций.

Для выполнения этих операций, в свою очередь, сигнальные процессоры имеют аппаратный умножитель, позволяющий выполнять умножение двух чисел за один такт. Также в них реализована аппаратная поддержка программных циклов и кольцевых буферов.

Пример сигнального процессора — Zilog Z89373.

Сигналы существуют самых разных типов. Соответственно сигнальные процессоры могут иметь ту или иную специализацию. Наиболее известными типами сигнальных процессоров являются медийные, звуковые и графические процессоры.

Медийный процессор

Медийные процессоры предназначены для обработки мультимедийной информации: аудиосигналов, графики — а также для выполнения коммуникационных функций. Сюда относится кодирование-декодирование аудио и видео в формате MPEG, табличный синтез звука, ускорение трехмерной графики. Примером медийного процессора является процессор Philips TriMedia.

Звуковой процессор

Звуковые процессоры также называются звуковыми контроллерами (пример — Yamaha YMF724F). В составе звуковой подсистемы персонального компьютера они используются вместе со звуковыми кодеками (пример — Analog Devices AD1888).

Графический процессор

Графический процессор выполняет операции по обработке и построению изображений. Современные графические процессоры могут превосходить по вычислительной мощности центральные (универсальные) процессоры. Поэтому они часто используются и для общих научно-технических расчетов.

Сетевой процессор

Сетевой процессор — это процессор, предназначенный для использования в сетевых устройствах. Его основной задачей является обработка пакетов (packet processing). В состав NP входит ядро, исполняющее программы, процессоры обработки пакетов (пакетные процессоры — packet processor, PP), аппаратные ускорители и интерфейсные блоки с ОЗУ и шинами (их может быть несколько для поддержки сетей различных типов).

Ядро выполняется на базе универсального процессора. На нем исполняется все ПО, в том числе ОС и средства разработки.

PP выполняет следующие функции:

1. Получает с сетевого интерфейса пакеты, ячейки или кадры и записывает их в ОЗУ.

2. Определяет порядок обработки пакетов.

3. Обрабатывает пакеты — осуществляет определение типа пакета, проверку политики, маршрутизацию, модификацию, присвоение QoS (качества обслуживания).

4. Управляет перенаправлением пакетов. На основании QoS пакет может быть задержан.

5. Отправляет пакет.

Функция 3 в PP реализуется программно, остальные — аппаратно. PP в целом реализуется как RISC-процессор или как макроячейка DSP-процессора.

Примеры сетевых процессоров: Intel IPX1200, Intel IPX465.

Основу IPX1200 составляет ядро 32-разрядного RISC-процессора StrongARM. Он содержит шесть пакетных RISC-процессоров, поддерживает до 256 Мбайт ОЗУ типа SDRAM, включает интерфейсы с системной шиной PCI и 64-разрядной шиной IX Bus, поддерживающей набор сетевых интерфейсов ATM, T1/E1, 10, 100 и 1024 Мбит/с Ethernet и др.

Каждый PP имеет управляющую память в 1 Кслово и поддерживает четыре потока. Таким образом, IPX1200 одновременно может обрабатывать до 24 пакетов. Его пропускная способность — 1,2 Гб/с или 2,4 млн. пакетов/с.

Как правило, NP используют ОСРВ типа OS-9.

Криптографический процессор

Криптографический процессор выполняет функции защиты информации. Примеры: SLD 9630 TT компании Infineon, AT97SC3201 и AT97SC3202 Atmel (код 38L3S13), PC8374T National Semiconductor, ST19WP18 STMicroelectronics.

Микроконтроллер

Необходимо упомянуть здесь также о микроконтроллерах (однокристальных микро-ЭВМ). Один из первых микроконтроллеров Intel 8051 назывался "microcomputer". Отсюда наше название этого типа процессоров — "микро-ЭВМ".

Микроконтроллер, помимо всех необходимых частей микропроцессора, имеет в своем составе память (оперативную и постоянную), порты ввода-вывода, аналого-цифровые преобразователи для приема аналоговых сигналов, несущих информацию об объекте управления, и цифро-аналоговые преобразователи для выдачи управляющих воздействий. Конечно, различные модели микроконтроллеров имеют различную архитектуру и, соответственно, различное множество и характеристики перечисленных устройств.

В настоящее время в связи с тем, что в управлении все более широкое применение находят методы нечеткой логики, разработаны микроконтроллеры, имеющие команды, реализующие нечеткие операции. Они называются фази-контроллерами (fuzzy — неясный, неопределенный, размытый, нечеткий). Это, например, кристаллы Motorola 68HC12 (развитие широко используемого 68HC11) и STMicroelectronics ST52x301.

Сочетания процессоров в ЭВМ. Транспьютер

Процессоры в ЭВМ могут использоваться как поодиночке, так и группами в различных сочетаниях. Например, в большинстве современных персональных компьютеров имеются универсальный микропроцессор, используемый в качестве центрального, математический сопроцессор, входящий в состав универсального микропроцессора, микропроцессор клавиатуры (однокристальная микроЭВМ), графический процессор видеоадаптера и др. Микропроцессоры используются и в современных мониторах для установки различных характеристик экрана (размера экрана, позиции и т. п.), являющихся оптимальными для различных разрешений, что позволяет ускорить процесс настройки экрана при смене разрешения.

Многие универсальные микропроцессоры допускают совместное использование с другими такими же процессорами в качестве центральных в одной системе. Однако существует специальный тип процессоров для построения многопроцессорных систем — транспьютер. Транспьютер — это микрокомпьютер с собственной памятью и каналами для соединения с другими транспьютерами. Он относится к классу RISC-процессоров. Первый транспьютер — T414 — был создан фирмой Inmos (Великобритания) в 1983 г.

ПАМЯТЬ ЭВМ

Классификация запоминающих устройств

Внутренняя и внешняя память

Запоминающие устройства ЭВМ делятся на внутренние и внешние.

К типу внутренних запоминающих устройств относятся оперативное запоминающее устройство (ОЗУ — RAM, Random Access Memory) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ — ROM, Read Only Memory). Запоминающее устройство в архитектуре фон Неймана является именно внутренним запоминающим устройством.

К типу внешних запоминающих устройств относятся:

• накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД или HDD, Hard Disk Drive) или просто жесткий диск, в просторечье винчестер;

• накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД или FDD, Floppy Disk Drive);

• привод компакт дисков (CD-ROM, DVD-ROM);

• USB Flash и т. п.

Внешние запоминающие устройства относятся к устройствам ввода-вывода и имеют соответствующий контроллер.

Классификация внутренней памяти. ОЗУ и ПЗУ

По разным признакам можно выделять различные типы памяти ЭВМ. Главный признак классификации — возможность изменения информации в памяти в составе самой ЭВМ. По этому признаку выделяются:

1. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, RAM — Random Access Memory).

2. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, ROM — Read Only Memory).

ОЗУ является энергозависимой, а ПЗУ — энергонезависимой памятью. При выключении питания компьютера информация в оперативной памяти теряется. Информация в ПЗУ не меняется в процессе работы компьютера и сохраняется при выключении питания. Однако это не значит, что ее нельзя изменить в принципе. Многие ПЗУ допускают такую возможность. Однако изменение информации в большинстве типов ПЗУ осуществляется не в составе ЭВМ, а в специальном устройстве — программаторе ПЗУ. Процесс изменения информации в ПЗУ называется перепрограммированием.

ОЗУ персональных компьютеров содержит выполняющиеся в настоящий момент программы, в том числе операционную систему, загружаемые с устройств внешней памяти, и необходимые для их выполнения данные.

ПЗУ ЭВМ, специализированных для выполнения определенных задач, могут содержать управляющую программу, являющуюся по сути простой операционной системой. Например, в ПЗУ учебной ЭВМ УМК-80 записана программа "Монитор".

ПЗУ персональных компьютеров содержит BIOS (Basic Input-Output System, базовую систему ввода-вывода). Поэтому оно называется ROM BIOS.

В составе персональных компьютеров есть также т. н. CMOS RAM — оперативная память, в которой хранятся настройки BIOS, которые можно поменять с помощью программы Setup BIOS. CMOS RAM питается от батарейки и поэтому сохраняет содержимое при выключении питания.

Обратно, содержимое ROM BIOS современных компьютеров может быть перезаписано новой версией BIOS, причем в составе самого компьютера. Такая возможность имеется у ПЗУ, изготовленных по технологии Flash. Никакого программатора для перепрограммирования Flash-ROM не требуется. Однако это делается, конечно, не в процессе обычной работы компьютера, а в особом режиме с помощью специальных программных средств.

Существуют и смешанные типы. Так, современные модули оперативной памяти DIMM SDRAM содержат в своем составе постоянную память SPD EEPROM (Serial Presence Detect), которая идентифицирует тип модуля, различные параметры организации, временные параметры.

Классификация ПЗУ

Классификация ПЗУ такова:

1. Однократно программируемые:

   1. Масочные ПЗУ — программируемые в процессе изготовления путем наложения маски.

   2. Электрически программируемые ПЗУ (ЭППЗУ) — программируемые после изготовления пережиганием перемычек электрическим путем в программаторе.

2. Многократно программируемые (перепрограммируемые):

   1. Электрически стираемое программируемое ПЗУ (ЭСППЗУ, EEPROM, electrically erasable programmable read-only memory):

   2. Со стиранием ультрафиолетовым светом и электрической записью — УФППЗУ.

Классификация ОЗУ

Основные качественные признаки классификации и выделяемые по ним классы ОЗУ персональных компьютеров таковы:

1. Архитектура: FPM (Fast Page Mode), EDO (Extended Data OUT) и др.

2. Запоминающий элемент: конденсатор — динамическая память (DRAM, Dynamic RAM), триггер — статическая память (SRAM, Static RAM).

3. Конструктивное исполнение: SIMM (Single Inline Memory Module, модуль памяти с однорядным расположением контактов), DIMM (Dual Inline Memory Module, модуль памяти с двухрядным расположением контактов).

4. Наличие синхронизации тактовыми импульсами: асинхронная память, синхронная память (SDRAM, Synchronous DRAM).

5. Умножение скорости передачи по сравнению с частотой тактовых импульсов: RDRAM (Rambus DRAM, выпускается в конструктивах под названием RIMM (Rambus Inline Memory Module)) и DDR (Double Data Rate, память с удвоенной скоростью передачи данных, конструктив DIMM);

6. Многоканальность: двухканальная и трехканальная DDR (DDR II и DDR III).

Основные количественные признаки классификации ОЗУ таковы:

1. Емкость.

2. Размер ячейки: бит, тетрада, байт.

3. Время доступа.

4. Для синхронной памяти — тактовая частота и количество тактов, требующихся для доступа.