Konspekt_lektsy_MPT
.pdf
сигналов. Уменьшение размеров привело к росту быстродействия функционального блока – сами связи между составными частями функционального блока укоротились, да и электрическая емкость таких линий связи на порядки меньше емкости печатных дорожек или проводов, значит, длительность переходных процессов существенно сократилась.
Рис 1.3. ЭВМ IBM-360
Пример этого можно продемонстрировать переводом «БЭСМ-6» на ИС для создания прототипа ЭВМ «ЭЛЬБРУС». Замена транзисторных блоков на ИС позволила, без изменения архитектуры, увеличить быстродействие втрое!
Рис 1.4. ЭВМ БЭСМ-6
Ко всем достоинствам ЭВМ третьего поколения добавилось еще и то, что их производство оказалось дешевле, чем производство машин второго поколения. Благодаря этому, многие организации смогли приобрести и освоить такие машины. А это, в свою очередь, привело к росту спроса на универсальные ЭВМ, предназначенные для
решения самых различных задач. Большинство созданных до этого
11
ЭВМ являлись специализированными машинами, на которых можно было решать задачи какого-то одного типа.
Четвёртый этап начинается в 70-х годах.
Вначале 70-х годов была предпринята попытка выяснить, можно ли на одном кристалле разместить больше одной интегральной схемы. Целью работы была попытка собрать внутри микросхемы не отдельные функциональные устройства, а целые блоки ЭВМ. В частности – самый сложный из них – процессор.
В1969 году Intel (тогда еще специализировавшаяся на производстве микросхем памяти) получила от японской фирмы Busicom заказ на разработку набора микросхем для семейства программируемых калькуляторов. Задание предполагало использование в калькуляторе не менее двенадцати микросхем. В то время все логические микросхемы разрабатывались специально под продукт заказчика. Такой подход ставил барьер на пути широкого распространения любой логической микросхемы.
Но сотрудникам Intel Тэду Хоффу, Федерико Феджину и Стэну Мэйзору удалось спроектировать единую микросхему – центральный процессор ЭВМ общего назначения. Концепцию процессора общего назначения предложил Хофф. Он же разработал архитектуру универсальной микросхемы, которая пользовалась командами, записанными в ее полупроводниковой памяти. Это устройство, входившее в качестве основного в набор из четырех микросхем, не только соответствовало техническому заданию фирмы Busicom, но и без каких-либо переделок могло быть использовано и в других приборах.
Вноябре 1971 года Intel официально объявила о создании центрального процессора – микросхемы i4004. Но правами на эту микросхему владел заказчик – Busicom. По настоянию Хоффа и его
сотрудников компания Intel выкупила права на микросхему. Она
12
заплатила 60 тысяч долларов, полученные на проведение работ и предложила продавать эту микросхему по более низкой цене.
Рис 1.5. Микропроцессор Intel 4004
15 ноября 1971 г. можно считать началом новой эры в электронике. В этот день компания приступила к поставкам первого в мире микропроцессора Intel 4004. Микропроцессор (МП) - это программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное на одной или нескольких интегральных схемах с высокой степенью интеграции электронных элементов.
Это был настоящий прорыв, ибо МП Intel-4004 размером менее 3 см был производительнее гигантской машины ENIAC. Правда, работал он гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации (процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита одновременно), но и стоил первый МП в десятки тысяч раз дешевле.
Микропроцессор Intel 4004 - 4-разрядный, содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 92,6 кГц и стоил 300 долл. Он располагал весьма ограниченными средствами ввода/вывода, а в системе команд отсутствовали операции логической обработки данных (И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ) - их приходилось реализовывать с помощью специальных подпрограмм. МП i4004 не имел возможности останова (команды HALT) и обработки прерываний.
13
Развивая это направление, 1 апреля 1972 г. фирма Intel начала поставки первого в отрасли 8-разрядного прибора i8008. Кристалл изготавливался по р-канальной МОП-технологии с проектными нормами 10 мкм и содержал 3500 транзисторов. Процессор работал на частоте 500 кГц при длительности машинного цикла 20 мкс (10 периодов задающего генератора).
Рис 1.6. Микропроцессор Intel 8008
В отличие от своих предшественников МП имел единое адресное пространство команд и данных, а в качестве памяти допускал применение комбинации ПЗУ и ОЗУ, система команд насчитывала 65 инструкций. МП мог адресовать память объемом 16 Кбайт. Его производительность по сравнению с четырехразрядными МП возросла в 2,3 раза. В среднем для сопряжения процессора с памятью и устройствами ввода/вывода требовалось около 20 схем средней степени интеграции.
Спустя 2 года, 1 апреля 1974 фирма Intel представила МП I8080. Благодаря использованию технологии с проектными нормами 6 мкм, на кристалле удалось разместить 6 тыс. транзисторов. Тактовая частота процессора была доведена до 2 Мгц, а длительность цикла команд составила уже 2 мкс. Объем памяти, адресуемой процессором, был увеличен до 64 Кбайт. За счет использования 40выводного корпуса удалось разделить шины адреса и данных, общее
14
число микросхем, требовавшихся для построения системы в минимальной конфигурации сократилось до 6.
Новое в архитектуре МП - использование многоуровневой векторной системы прерываний. Это техническое решение позволило довести общее число источников прерываний до 256 (до появления БИС контроллеров прерываний схема формирования векторов прерываний требовала применения до 10 дополнительных ИС средней интеграции). В i8080 появился механизм прямого доступа в память (ПДП) (как ранее в универсальных ЭВМ IBM System 360 и др.).
ПДП открыл зеленую улицу для применения в микроЭВМ таких сложных устройствах, как накопители на магнитных дисках и лентах, дисплеи на ЭЛТ, которые и превратили микроЭВМ в полноценную вычислительную систему.
Традицией компании, начиная с первого кристалла, стал выпуск не отдельного чипа ЦП, а семейства БИС, рассчитанного на совместное использование.
Дальнейшее развитие показало, что создать универсальный МП для всего спектра приложений попросту невозможно. Поэтому, после более адаптированного для работы с внешними устройствами процессора 8085, произошел раздел на МП, предназначавшиеся для вычислительных систем и устройства, предназначенные для управления. Этому поспособствовало появление микропроцессора Z80 фирмы Zilog. На его базе был сделан первый массовый игровой компьютер ZX Spectrum (у нас известны его модификации «Азбука», «Ленинград» и др.).
15
Рис 1.7. Микропроцессор Z80 и первый массовый игровой компьютер ZX Spectrum
К первым можно отнести линейку, начинающуюся с 16разрядного МП 8086, заложившего основы архитектуры всех современных настольных процессоров. Из-за распространённости 8- разрядных модулей памяти параллельно с ним был выпускалась и упрощенная версия 8086 - МП 8088 с 8-разрядной шиной памяти. В следующем МП этой линейки - процессоре 80286 появился защищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 Мб памяти. Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнёс улучшенный защищённый режим, 32-битную адресацию, позволившую использовать до 4 Гб оперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти.
Рис 1.8. Микропроцессор I8086
Параллельно с этой линейкой появились устройства, содержащие в себе не только процессор, но и некоторые устройства ввода/вывода. Такое объединение позволяло строить достаточно простые аппаратно управляющие системы. Эта ветка устройств получила название «однокристальные ЭВМ» - ОЭВМ (англоязычный
16
термин – «микроконтроллер»). Характерная особенность этих устройств – мощная система команд условного перехода, обусловленная задачами управления, при сравнительно слабом наборе арифметических команд.
Линейку открыло 8-разрядное семейство MCS-48. ОЭВМ этого семейства имели 64 байта внутреннего ОЗУ (к которым можно было добавить 2Кб внешнего ОЗУ). Тактовая частота ОЭВМ семейства ограничена 6 Мгц, а длительность цикла команд - 2 мкс. ОЭВМ адресовала 2 Кб памяти программ (при использовании механизма переключения страниц – 4 Кб). Из арифметических команд присутствовали только команды сложения и вычитания. ОЭВМ этого семейства имели 3 байтовых параллельных порта и таймер.
Дальнейшим успешным развитием направления ОЭВМ стало появление семейства MCS-51. ОЭВМ этого семейства имели 128 байт внутреннего ОЗУ (к которым можно было добавить 64 Кб внешнего ОЗУ). Тактовая частота ОЭВМ семейства ограничена 12 Мгц, а длительность цикла команд - 1 мкс. ОЭВМ адресует 64 Кб памяти программ. Расширился список арифметических команд, добавились команды умножения и деления. ОЭВМ этого семейства имеют 3 байтовых параллельных порта, 2 таймера и последовательный приемопередатчик. «Наследник» этого семейства - семейство MCS-52 и его многочисленные клоны других фирм-производителей, кроме всего перечисленного (что является обязательным) имеют ещё более разнообразный набор встроенных периферийных устройств.
Параллельно с этим развивалось и ветвь 16-разрядных ОЭВМ
8096, 80196, 80296 и др.
На настоящий момент в качестве ядра МПУ используются следующие виды МПТ-устройств:
1. Микропроцессоры (МП, MP). Требуют значительного количества дополнительных схем, а также внешней памяти.
17
Применяются там, где габариты устройства не критичны, а внешние модули (память, состав внешних устройств) могут меняться по ходу эксплуатации.
2.Однокристальные ЭВМ (ОЭВМ, МК, MCS). Используются для создания встроенных систем управления устройствами (в том числе – механическими), для которых не требуется значительная вычислительная мощность.
3.Цифровые процессоры обработки сигнала (ЦПОС, ЦСП, DSP). Используются для однотипной цифровой обработки непрерывного потока данных (видеопоток и т.д.).
4.Системы на кристалле (СНК, SoC). Представляют из себя совмещенные в одной микросхеме ОЭВМ и специфическое, адаптированное под единственную конкретную задачу, оборудование (пример – пропуска, карты прохода в метрополитен и т.д.). Применение оправданно в случае очень большого тиража, так как разработка и изготовление специализированной микросхемы обходятся очень дорого.
5.Программируемые системы на кристалле (ПСНК, PSoC).
Представляют из себя совмещенные в одной микросхеме ОЭВМ и большой ассортимент специфического оборудования. Перед использованием ПСНК необходимо конфигурировать, т.е. указать, какие периферийные устройства будут использованы. Остальные устройства отключаются от цепей питания. Рационально применять в том случае, когда требуются возможности ОЭВМ и специфическое периферийное оборудование.
6.Встраиваемый процессор. В микросхеме ПЛИС
(программируемая логическая интегральная схема) создается процессор и необходимое оборудование.
Ядра МПУ по архитектуре разделяются на:
18
Конвейерную архитектуру
Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ, дешифровка команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера.
После освобождения k-й ступени конвейера она сразу приступает к работе над следующей командой. Если предположить, что каждая ступень конвейера тратит единицу времени на свою работу, то выполнение команды на конвейере длиной в n ступеней займёт n единиц времени, однако в самом оптимистичном случае результат выполнения каждой следующей команды будет получаться через каждую единицу времени.
Факторы, снижающие эффективность конвейера:
1.Простой конвейера, когда некоторые ступени не используются (напр., адресация и выборка операнда из ОЗУ не нужны, если команда работает с регистрами).
2.Ожидание: если следующая команда использует результат предыдущей, то последняя не может начать выполняться до выполнения первой (это преодолевается при использовании внеочередного выполнения команд — out-of-order execution).
3.Очистка конвейера при попадании в него команды перехода (эту проблему удаётся сгладить, используя предсказание переходов).
Некоторые современные процессоры имеют более 30 ступеней в конвейере, что увеличивает производительность процессора, однако приводит к большому времени простоя (например, в случае ошибки в предсказании условного перехода). Не существует единого мнения по поводу оптимальной длины конвейера: различные программы могут иметь существенно различные требования.
19
Суперскалярную архитектуру
Суть суперскалярной архитектуры заключается в способности процессора выполнять нескольких машинных инструкций за один такт. Это достигается путем увеличения числа исполнительных устройств. Появление этой технологии позволило в несколько раз увеличить производительность процессора. В то же время существует определенный предел роста числа исполнительных устройств, при превышении которого производительность практически перестает расти, а исполнительные устройства начинают простаивать.
CISC-процессоры
CISC-процессор (Complex instruction set computer) — это процессор с полным (или завершенным) набором команд. Время выполнения таких команд существенно различается. Более того, время выполнения одной и той же команды может различаться в зависимости от использованной в ней адресации.
RISC-процессоры
RISC-процессоры (Reduced instruction set computer) — это процессор с упрощённым набором команд. В литературе слово «reduced» нередко переводят как «сокращённый». Архитектура процессоров, построенная на основе упрощённого набора команд, характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Ещё одна характерная особенность этой архитектуры – большое количество регистров общего назначения.
20