12.4 Особенности современных графических процессоров
Несмотря на достаточно большое количество компаний, присутствующих на рынке видеокарт, их продукция различается совсем незначительно по своей производительности и функциональности. Это объясняется тем, что видеокарты построены на одних и тех же графических процессорах, которые выпускаются кампанией NVIDIA (процессоры GeForce и Quadro) и объединённой кампанией AMD/ATI (процессор Radeon).
Современные графические процессоры содержат до 1400 млн. транзисторов и работают на частотах свыше половины гигагерца. В их состав входят десятки текстурных модулей, сотни универсальных блоков (ALU), имеющих разрядность FP64. Современные GPU поддерживают на аппаратном уровне технологию высококачественной обработки HD-видео, что позволяет разгрузить центральный процессор при работе с дисками HD DVD/Blu-ray. Также они имеют программируемый модуль тесселяции. Тесселяция – способ динамического преобразования простых объектов в более сложные и обратно путём рекурсивного выполнения операций на сетке полигонов. Другими словами тесселяция – это способ изменения детализации объекта. По мере удаления объекта следует уменьшать количество полигонов, описывающих объект путём их укрупнения, так как на больших расстояниях мелкие детали не видны и для их прорисовки ресурсы GPU будут израсходованы впустую. По мере приближения объекта наоборот – надо увеличивать число полигонов, описывающих его, и уменьшения их размеров. В каком то смысле тесселяция напоминает MIP-уровни для текстур.
Вопросы для самопроверки
Какие основные характеристики графических процессоров?
Перечислите основные понятия, используемые при построении качественного трёхмерного изображения.
Что такое vertex?
Что такое текстурирование трёхмерных поверхностей?
Что такое рендеринг?
Какова роль Z-буфера?
Для чего применяется метод двойной буферизации?
Для чего применяется технология сглаживания?
Какова роль технологии MIP mapping?
Какие существуют типы фильтрации, поддерживаемые видеокартами?
Что такое шейдер?
Каковы функции шейдерного процессора?
Что такой тексель?
Что вычисляет геометрический шейдер?
Где располагается аппаратура современных графических процессоров в компьютерах с многоядерными процессорами?
Глава 13. Однокристальные микроконтроллеры
13.1 Общая характеристика микроконтроллеров
В настоящее время выпускается целый ряд однокристальных микроконтроллеров (ОМК). Их можно условно классифицировать:
по разрядности: на 4, 8, 16, 32-разрядные;
по типу архитектуры: на фон-неймановскую и гарвардскую архитектуры;
по назначению: на управляющие, сигнальные (в системах связи для реализации протоколов физического и канального уровня, осуществляют цифровую обработку сигналов (ЦОС) – фильтрацию, свёртку, корреляцию, автокорреляцию, быстрое преобразование Фурье БПФ), коммуникационные (в системах связи для реализации протоколов сетевого и транспортного уровня) и медийные (аппаратная реализация операций с новыми типами данных, характерными для видео и звуковой информации).
Росту популярности ОМК способствует постоянное расширение номенклатуры изделий, выпускаемых такими известными фирмами, как Intel (MCS), Atmel (AVR), Microchip (PIC), Motorola, Zilog и многими другими. Современные микроконтроллеры обладают, как правило, рядом отличительных признаков. Перечислим основные из них:
модульная организация, при которой на базе одного процессорного ядра (центрального процессора) проектируется ряд (линейка) ОМК, различающихся объемом и типом памяти программ, объемом памяти данных, набором периферийных модулей, частотой синхронизации;
использование закрытой архитектуры МК, которая характеризуется отсутствием магистралей адреса и данных на выводах корпуса ОМК. Таким образом, ОМК представляет собой законченную систему обработки данных, наращивание возможностей которой с использованием параллельных магистралей адреса и данных не предполагается;
использование типовых функциональных периферийных модулей (таймеры, процессоры событий, контроллеры последовательных интерфейсов, АЦП и др.), имеющих незначительные отличия в алгоритмах работы в ОМК различных производителей;
система команд ориентирована на выполнение задач управления и регулирования;
данные малой разрядности;
малая стоимость.
Микроконтроллеры являются ядром всех встраиваемых систем управления разнообразных устройств, приборов и механизмов. Самой главной особенностью ОМК с точки зрения конструктора-проектировщика является то, что с их помощью легче и зачастую гораздо дешевле реализовать различные схемы управления. На рис. 13.1 изображены периферийные устройства, подключаемые к модулям ОМК.
При модульном принципе построения все МК одного семейства содержат процессорное ядро, одинаковое для всех МК данного семейства, и изменяемый функциональный блок, который отличает МК разных моделей. Структура модульного МК приведена на рис.13.2. Процессорное ядро включает в себя:
центральный процессор;
внутреннюю контроллерную магистраль (ВКМ) в составе шин адреса, данных и управления;
схему синхронизации МК;
схему управления режимами работы МК, включая поддержку режимов пониженного энергопотребления, начального запуска (сброса) и т.д.
Однокристальный микроконтроллер (ОМК) представляет собой устройство, выполненное конструктивно в одном корпусе БИС, содержащем все компоненты микропроцессорной системы: процессор, память данных, память программ, программируемые интерфейсы. Однокристальным микроконтроллерам присущи следующие особенности:
система команд ориентирована на выполнение задач управления и регулирования;
алгоритмы, которые реализуются на ОМК, могут иметь много разветвлений в зависимости от внешних сигналов;
данные, с которыми оперируют ОМК, не должны иметь большую разрядность;
схемная реализация систем управления на базе ОМК является несложной и имеет невысокую стоимость;
универсальность и возможность расширения функций управления значительно ниже, чем в системах с однокристальными микропроцессорами (МП).
Однокристальные микроконтроллеры представляют собой удобный инструмент для создания современных встроенных устройств управления разнообразным оборудованием, автомобильной электроникой, бытовой техникой, мобильными телефонами и т.п.
CISC-контроллеры характеризуются довольно развитой системой команд, например, микроконтроллеры серии intel 80x51 имеют 111 команд. Анализ программ показал, что всего лишь 20% команд используются в 80% случаев. Выполненный на кристалле дешифратор команд, таким образом, используется не в полной мере, а занимает более 70% площади кристалла. Поэтому разработчики ОМК сократили количество команд, придали им единый формат и уменьшили площадь кристалла, т. е. реализовали RISC архитектуру.
Особенностью контроллеров, выполненных по RISC-архитектуре, является то, что все команды выполняются за один-три такта, тогда как в CISC-контроллерах – за один-три машинных цикла, каждый из которых состоит из нескольких тактов (например, для i 80x51 из 12 тактов). Поэтому RISC-контроллеры имеют значительно большее быстродействие. Но более полная система команд CISC-контроллеров в некоторых случаях приводит к экономии времени выполнения отдельных фрагментов программы и к экономии памяти программ.