Аверянов Основы современной информатики 2007

шестидесяти четырех. Считается, что разработчики электронной техники совершили экономическое чудо: если в начале 60-х годов транзистор стоил около 20 дол., то, если мысленно выделить такой элемент в 80-е годы из интегральной схемы, он уже стоит около

0,0000002 дол.

Можно выделить два направления применения МП:

1)МП используются в комплексе схемных элементов в виде микрокомпьютера, т.е. системы, собранной на одной или нескольких платах и содержащей МП, ОП и блоки (модули) ввода-вывода; имеется возможность применять эту систему самостоятельно совместно с обычными периферийными устройствами;

2)МП представляет семейство больших интегральных схем (БИС), встраиваемых как интегральное целое в создаваемую систему по усмотрению инженера-проектировщика.

До 1978 г. МП в основном применялись в информационноизмерительных и управляющих системах и, хотя интерес к ним был очень велик, тем не менее, они использовались относительно небольшим кругом высококвалифицированных специалистов по электронике и программированию. Однако появление в 1978 г. 16-разрядного МП фирмы Intel-8086 открыло новую эру в использовании МП – эру персональных компьютеров. Это была минимальная разрядность машинного слова для универсальных компьютеров, используемая в самых распространенных по тем временам (из наиболее доступных) мини-компьютерах.

МП можно классифицировать еще по ряду признаков. По конструкции МП подразделяются:

на однокристальные, в которых, как правило, вся логика размещается в одном кристалле, они имеют постоянную разрядность и постоянный набор команд (по разрядности они могут быть 4-, 8-, 16-, 32- и 64-разрядными);

на процессорных элементах (секционированные или с наращиваемой разрядностью), в которых разрядность и система команд может изменяться и определяться в процессе разработки применительно к той прикладной области, где будет использоваться данный МП (ввиду узкой специализации производительность этих систем может быть очень высокой).

Наибольшее распространение в настоящее время получили однокристальные МП.

92

Архитектура МП повторяет те наработки, которые применялись еще в суперкомпьютерах, и о которой по тем временам не было принято говорить в среде пользователей, далеких от этих проблем. Основные направления в развитии архитектуры следующие:

специализация процессоров, многофункциональная, поточная обработка (появление сопроцессоров, графических процессоров и т. п., встроенных в кристалл МП);

расслоение памяти и появление встроенной кэш-памяти; параллельная обработка (как временное, так и пространственное

распараллеливание); конвейерная обработка (на уровне микрокода);

аппаратная реализация наиболее распространенных команд; реализация возможности работы в многопроцессорных систе-

мах.

Можно выделить два основных типа архитектуры (постепенно сближающиеся), на базе которых разрабатываются два типа МП, имеющие различные направления использования: CISC и RISC.

CISC (Complex Instruction Set Computing) – архитектура с пол-

ным набором машинных команд; лидером в разработке таких МП является фирма Intel, хотя основоположником этой архитектуры можно считать фирму IBM с ее базовой архитектурой IBM 360, используемой с 1964 г.

RISC (Reduced Instruction Set Computing), или архитектура с уп-

рощенным набором команд, используется для мощных рабочих станций, серверов и суперсерверов. Эта архитектура уходит корнями к компьютерам фирмы CDC при участии в разработке Сеймура Крэя. Применительно к микропроцессорам эти разработки связывают с научными центрами в Беркли и Стэнфорде, фирмой IBM и с именем Дэвида Паттерсона. Хотя следует отметить, что в разработанном в СССР суперкомпьютере «Эльбрус» использовались идеи RISC-архитектуры намного раньше.

В основе RISC-архитектуры лежит установленное разработчиками правило «80 – 20», которое гласит, что 80 % инструкций процессора (традиционной CISC-архитектуры) используется программами лишь 20 % времени, в то время как на 20 % относительно простых команд приходится львиная доля работы – 80 %. Таким образом, большая часть инструкций, занимая значительную часть кристалла, используется крайне неэффективно.

93

Основные принципы RISC-архитектуры следующие: упрощенный и фиксированный набор команд с аппаратной реа-

лизацией выполнения вместо микропрограммной; представление сложных команд в виде набора простейших, вы-

полнение их (по возможности) за один цикл при использовании конвейерной обработки;

инструкции микропроцессора оперируют с данными, хранящимися только во внутренних регистрах, для загрузки данных из оперативной памяти и выгрузки результатов вычислений из регистров предусмотрены специальные команды, выполняемые отдельными функциональными блоками микропроцессора (т.е. нет потерь времени на поиск и загрузку данных и команд);

состав инструкций микропроцессора оптимизирован для языков высокого уровня (например, С).

Все это создает повышенную надежность, технологичность, экономичность и возможность повышения производительности (в 2 – 4 раза).

За последнее время подавляющее число RISC-процессоров стали суперскалярными, т.е. на нескольких конвейерах в каждом такте обрабатывается несколько инструкций и выдается несколько результатов. Задача распараллеливания решается на системном уровне, не затрагивая работу прикладных программистов. В одном из вариантов это решается на аппаратном уровне (Alpha-процессор фирмы DEC), и удается выполнить до четырех инструкций одновременно. Другой вариант связан с так называемой VLIW-архитектурой (Very Long Instruction Word), где работу по распараллеливанию осуществляет транслятор. При обработке такого типа три или более команды (на уровне трансляции) объединяются в одно слово. Затем выбранные команды обрабатываются одновременно. При этом порядок выполнения команд должен контролироваться самым тщательным образом (за этим следит транслятор). В процессорах такого типа может выполняться до 10 и более команд одновременно. Некоторым усовершенствованием этого подхода является EPIC-архитектура

(Explicitly Parallel Instruction Computing – вычисления с явным па-

раллелизмом команд). Развитие этих двух типов архитектуры (CISC и RISC) привело к их сближению. Все современные CISCпроцессоры имеют внутреннюю RISC-архитектуру. В то же время

94

набор команд в некоторых RISC-процессорах может превышать количество команд в CISC.

МП очень часто классифицируют и по технологии, при этом развитие технологии увязывается с минимальными расстояниями между отдельными схемными элементами внутри кристалла, измеряемыми в долях микрометра (мкм). Уменьшение размеров формируемых на полупроводниковом кристалле элементов приводит к возрастанию производительности (за счет более высоких частот) и достижимой степени интеграции, а также снижению потребляемой мощности (из-за уменьшения напряжения питания) и стоимости (из-за уменьшения размеров кристалла на одной пластине формируется большее количество процессоров). В конце 90-х годов стандартной стала технология с 0,25 мкм, которая обеспечивает тактовые частоты 400 – 600 МГц, переход на технологию 0,18 мкм обеспечивает тактовые частоты от 600 – 800 МГц и выше. В 2001 – 2002 гг. переход на технологию 0,13 мкм обеспечит тактовые частоты выше 1 ГГц.

Лидером в разработке CISC-процессоров считается компания Intel со своей серией процессоров Х 86, являющейся основой самых распространенных в мире ПК. К 2000 г. Intel выпустил шесть поколений процессоров этой серии. Приведем краткие характеристики этой серии без детальных характеристик моделей внутри серии.

C 2000 г. Intel перешел на новую архитектуру – процессоры седьмого поколения – Pentium 4 с начальной тактовой частотой 1,3 – 1,5 ГГц, которая к 2005 г. превысила 3 ГГц с техпроцессом менее 0,1 мкм, степень интеграции 42 млн.

Последние процессоры х86 архитектуры перестали быть CISC, но и RISC в полном понимании не стали (подобный переход не обеспечит сохранения обратной совместимости с существующим программным обеспечением), поэтому их можно классифицировать как псевдо RISC.

При разработке своих МП Intel большое значение придает мультимедийным приложениям. Последние версии процессоров пятого поколения (Р5) обозначались как ММХ (Multi Media Extention) и включали пятьдесят семь инструкций для выполнения операций целочисленной арифметики в режиме SIMD с применением конвейерной обработки на уровне микрокода. Поскольку трехмерная графика требует быстрой арифметики с плавающей точкой в про-

95

цессорах 6-го поколения (Р6) были включены 70 инструкций в режиме SIMD для арифметики с плавающей точкой, а процессоры 7-го поколения Pentium 4 уже имели 144 подобных инструкций. Названия этого направления в разработке МП также изменялись ММХ→ММХ2→KNI→SSE1→SSE2 (SSE-SIMD Stream Eхtention).

Всостав последних процессоров х86 включен генератор истинно случайных чисел, который очень важен в большом количестве приложений.

Всвязи с ростом производительности и внутренней частоты МП нарастает отставание частоты внешней шины процессора FSB (Front Side Bus), к которой подключается ОП и внешний кэш, в процессорах 7-го поколения предусмотрена размещенная в кристалле шина ВSB (Back Side Bus), обеспечивающая работу встроенного в кристалле кэша первого уровня на внутренней частоте процессора. Перспектива развития технологии МП Intel по прогнозу фирмы на 2015 г. следующая:

достичь 0,01 мкм по техпроцессу; достичь производительности процессора 1 трлн оп/с (произво-

дительность МП-Р6 – 2 млрд оп/с); обеспечить степень интеграции 2 млрд транзисторов на кри-

сталл; достичь тактовой частоты 30 ГГц.

Конструктивно процессоры в зависимости от класса компьютера выпускаются в двух вариантах:

Slot – модульной конструкции с дискретными (внешними, не встроенными в кристалл) схемами (печатная плата с краевыми разъемами);

Socket, т.е. с интегрированной в кристалл кэш-памятью второго уровня (процессор, вставленный в соответствующий разъем на печатной плате).

Все последние процессоры фирмы Intel имеют внутреннюю RISC-архитектуру. Что касается других фирм-производителей CISC-процессоров для ПК, то с определенного момента времени они отказались oт собственных оригинальных разработок, не выдержав конкуренции с фирмой Intel. Такие фирмы, как AMD, Cyrix, UMC, Texas Instruments производят аналоги процессоров фирмы Intel, которые иногда превосходят оригиналы по определенным параметрам. RISC-процессоры применяются, главным образом, для

96

мощных рабочих станций, серверов и суперсерверов, а также для производства суперкомпьютеров. Производят эти процессоры фирмы – традиционные производители компьютеров: IBM, HP, Sun и др.

RISC-процессоры этих фирм применяются для серверов среднего и высшего уровней, а также для суперкомпьютеров. Среди особенностей этих МП следует отметить развитую иерархию кэшпамяти. В современных серверных системах количество уровней кэш-памяти может доходить до четырех, хотя наиболее часто используется трехуровневая схема. При этом все три уровня могут располагаться внутри кристалла (МП). Первый уровень кэш часто разделяется на кэш-команд (I-Cach) и кэш-данных (D-Cach). Вторая характерная особенность этих МП – способность работы в многопроцессорных системах различной топологии. Эти системы обеспечивают наиболее эффективное масштабирование по производительности, позволяют минимизировать дублирование вспомогательных систем машины (в отличие от кластеров – контроллеров ввода-вывода, дисковых массивов и т.п.), дают максимальную удельную производительность при пересчете на один ЦП.

Транспьютеры – необычный вид RISC-процессоров. Слово «транспьютер» – синтез двух слов: транзистор + компьютер. Транспьютер рассчитан на работу в мультипроцессорных системах с однотипными процессорами и аппаратной поддержкой вычислительных процессов. Особенностью транспьютеров является наличие коммуникационных, быстрых каналов связи (четырех на каждую схему), при этом каждый канал может одновременно передавать данные по одной магистрали в МП, а по другой – из него.

Однако в связи с разработкой МП RISC, способных работать в многопроцессорных системах, появлением многоядерных МП и кластерных систем актуальность в транспьютерах отпала.

97

3.2. Персональные компьютеры. Краткая история, функциональные возможности, номенклатура

Персональный компьютер (ПК) – небольшой компьютер, основой которого служит МП, т.е. микрокомпьютер. Однако не все микрокомпьютеры являются персональными компьютерами. Микрокомпьютер может быть ориентирован на решение одной задачи, например на управление станком или регулирование подачи топлива в автомобильный двигатель и т.п. Персональный компьютер, действуя как самостоятельная вычислительная машина, предоставляет в распоряжение индивидуального пользователя самые разнообразные возможности. ПК должен обладать низкой стоимостью (доступной для индивидуального пользователя), малыми размерами, малой потребляемой мощностью; иметь стандартную периферию – монитор, клавиатуру, НМД, печать и т.п., операционную систему, облегчающую взаимодействие пользователя с системой; обладать универсальностью, что дает возможность выполнять обширный набор программ для различных приложений и т.п.

Толчком к развитию персональных компьютеров послужило, прежде всего, создание микропроцессора. При этом динамика развития персональных компьютеров связана с развитием микропроцессоров.

Можно выделить три основных этапа в развитии персональных компьютеров.

Первый характеризуется как этап «самодеятельности», неформального любительского стиля работы, когда в 1974 – 75 гг. Эд Робертс, основатель фирмы MITS, разработал первый микрокомпьютер, устройство со столь гибкой конструкцией, что его вполне можно было считать первым серийным ПК. Он получил название Altair 8800 и находил спрос, в основном, у любителей знакомых с электроникой и проявляющих интерес к устройству компьютера. Им самим представлялась возможность собирать сложные машины из отдельных конструктивных узлов. Altair использовал восьмиразрядный МП Intel 8080, а в качестве периферии применялись бытовые магнитофоны, телевизионные мониторы и т.п. Эти устройства имели определенный коммерческий успех и высокий потребительский спрос у энтузиастов вычислительной техники и программирования.

99

Одновременно с этим, Пол Аллен, молодой программист из Бостона, в содружестве со студентом Гарвардского университета Биллом (Уильямом) Гейтсом написали программу, реализующую для Altair популярный язык Бейсик. Таким образом, владельцы компьютера получили очень удобный язык, значительно облегчающий составление программ.

Второй этап обычно связывают с основателями фирмы ЭПЛ (Apple) Стефеном Возняком и Стивеном Джобсом в 1977 г., которая в дальнейшем превратилась в корпорацию, вышедшую в мир большого бизнеса и явилась основателем всей отрасли производства персональных компьютеров. Начался выпуск систем блочномодульной конструкции, которые отличались простотой эксплуатации и были рассчитаны на потребителей, не имеющих никакой подготовки в области вычислительной техники. Таким образом, была предпринята попытка внедрить компьютеры в деловую практику и домашний обиход.

И, наконец, третий этап начался в 1981 г., когда корпорация IBM, крупнейший в мире изготовитель оборудования для обработки данных (доминирующая на рынке больших компьютеров), занялась производством и сбытом персональных компьютеров и быстро преуспела в своем начинании. Благодаря удачному конструктивному решению, персональный компьютер IBM PC очень быстро занял доминирующее положение на рынке персональных компьютеров. В основе конструкции IBM PC заложена концепция «открытой архитектуры» и использования микропроцессоров фирмы Intel.

Достоинство этого решения связано со следующим: возможностью расширения конструкции компьютера и его мо-

дернизации (UPGRADE) без привлечения квалифицированных специалистов и представителей фирмы;

аппаратной и программной совместимостью: все вновь появляющиеся модели и отдельные устройства совместимы сверхувниз;

возможностью изготовления отдельных устройств и сборкой компьютеров различными фирмами-изготовителями и т.п.

Именно благодаря этим достоинствам началось лавинообразное нарастание производства ПК, совместимых с оригинальной моделью IBM, что способствовало снижению их стоимости. Это семейство компьютеров получило название клона IBM.

100