Konyukhova_arhitektura

схемы будут перегреваться и выходить из строя. Таким образом, создание СБИС и ультра-СБИС связано со снижением тактовой частоты работы схемы.

Дальнейший прогресс в повышении производительности может быть обеспечен либо за счёт архитектурных решений, либо за счёт новых принципов построения и работы микросхем. Поскольку микросхемы СБИС не могут работать с высокой тактовой частотой, то в вычислительных машинах будущих поколений их целесообразно объединять в системы. Несколько СБИС должны работать параллельно, а координацию работ в системе должны обеспечивать сверхскоростные интегральные схемы (ССИС), которые не могут иметь высокой степени интеграции.

Примечание. Рассеиваемая мощность кристалла является величиной постоянной. Увеличение числа элементов на кристалле приводит к уменьшению мощности каждого из них и, как следствие, снижению быстродействия. Для его увеличения необходимо уменьшать степень интеграции элементов на кристалле. Таким образом, СБИС не могут обладать высоким быстродействием, а ССИС – высокой степенью интеграции.

Масштабные исследования проводятся также в области явления сверхпроводимости и туннельного эффекта [9].

Согласно [11], помимо архитектурных изменений, для повышения производительности ВМ используются новые алгоритмы их работы. Например, для повышения скорости вычислений всё больше применяются процессоры видеокарт. Используя специальное программное обеспечение, можно перенаправить основную вычислительную нагрузку с центрального процессора на графический.

Следует отметить, что главную роль в работе традиционных ВМ играют электроны. Именно они формируют информацию, с которой работает пользователь. Но скорость электронов конечна и не очень велика (в радиоаппаратуре скорость электронов колеблется от долей миллиметра до нескольких десятков тысяч километров в секунду). И время, которое необходимо электрону для прохождения по системе, становится решающей преградой в дальнейшем повышении производительности ВМ [11].

Таким образом, даже с учётом перечисленных направлений повышения производительности, традиционные кремниевые компьютеры, в конечном итоге, не смогут справляться с постоянно усложняющимися задачами. Это требует поиска принципиально новых техно-

30

логий построения ВМ. В соответствии с [11, 12], на сегодняшний день активно ведутся исследования и эксперименты по разработке оптических квантовых компьютеров, а также компьютеров на основе молекул ДНК.

1.В основе оптических ВМ лежит оптический процессор, операции в котором выполняются за счёт манипуляции потоков света. Основное преимущество таких компьютеров заключается в том, что более высокая скорость (по сравнению с электронами) и способность световых потоков параллельно распространяться в пространстве даёт широкие возможности в организации связей и создании параллельных архитектур. Это позволяет ускорить быстродействие ВМ. Ведутся работы по использованию световых элементов в качестве средств связи между узлами компьютеров, между ядрами традиционных многоядерных процессоров. Также световые элементы применяются для создания оптических ядер процессоров, в которых входная и выходная информация представляется в электронном виде, а вычисления производятся с помощью потоков света. На сегодняшний день существуют прототипы оптических процессоров. Отсутствие полноценных оптических компьютеров объясняется очень высокой стоимостью их создания и низкой интегрируемостью их компонентов. Наработанный опыт позволяет говорить о том, что в будущем оптические технологии займут достойное место в производстве ВМ.

2.Работа квантовой ВМ основана на законах квантовой механики, согласно которым, энергия атома может принимать определённый (дискретный) ряд значений – уровней энергии. Излучение и поглощение атомом электромагнитной энергии происходит порциями – квантами или фотонами. Переход электрона с нижнего энергетического уровня на более высокий осуществляется при поглощении фотона. При излучении фотона выполняется обратный переход вниз. Этими переходами можно управлять путём воздействия электромагнитного поля от атомного молекулярного генератора. Основным блоком квантового компьютера является кубит (квантовый бит) – квантовый объект, который, в отличие от классического бита, может иметь большое число состояний. Упрощённая схема вычисления на квантовом компьютере выглядит следующим образом: берётся система кубитов, на которую записывается начальное состояние; затем состояние системы изменяется посредством квантовых операций; в конце измеряется значение, которое и является результатом работы ВМ. Одна операция над группой кубитов затрагивает все значения, кото-

31

рые она может принимать, что обеспечивает беспрецедентный уровень параллелизма вычислений, а, следовательно, высокую производительность. Основные проблемы, связанные с созданием и производством квантовых компьютеров, сводятся к следующему:

-необходимо обеспечить высокую точность измерений состояний кубитов (вследствие принципа неопределённости, значение кубита может быть измерено только с определённой вероятностью);

-внешние воздействия могут разрушить квантовую систему или внести в неё искажения.

В настоящее время идеи квантовой механики применяются в области криптографии. В Швейцарии действует квантовая сеть протяжённостью 100 км (связывает Женеву и Цюрих). В ноябре 2009 г.

вНациональном институте стандартов и технологий США удалось создать программируемый квантовый компьютер, состоящий из двух кубитов. Таким образом, несмотря на имеющиеся проблемы, квантовые ВМ представляют огромный интерес для разработчиков и многих учёных.

3. В основе молекулярных ВМ лежат бистабильные молекулы, которые могут находиться в двух устойчивых термодинамических состояниях. Каждое состояние характеризуется своими физическими и химическими свойствами. Переводить молекулы из одного состояния в другое можно с помощью света, тепла, химических реагентов, электрических и магнитных полей. Фактически, такие молекулы представляют собой транзисторы размером в несколько нанометров. Это даёт возможность значительно увеличить число элементов на единице площади кристалла, а, следовательно, производительность

компьютеров. Другим достоинством молекул является малое время отклика (порядка фемтосекунд, 10-15 секунд). В результате, эффективность молекулярного компьютера может оказаться в 100 миллиардов раз выше, чем кремниевого. Основная проблема молекулярных ВМ заключается в обеспечении устойчивости сложных структур молекул. Сейчас создаются различные варианты основных составляющих молекулярного компьютера: переключателей, памяти, соединительных проводов. По оценкам учёных, полностью молекулярные компьютеры появятся к 2020 – 2030 годам.

4. ДНК-компьютеры также основаны на молекулах – молекулах ДНК. В этих ВМ роль логических вентилей играют группы цепочек

32

ДНК, которые образуют друг с другом прочные соединения. Возможность размещения в небольшом объёме огромного числа вычислительных модулей позволяет получить скорость вычислений порядка миллиарда операций в секунду. Ещё одним достоинством ДНКкомпьютеров является работоспособность внутри человека. Также они позволяют моментально производить идентификацию заболеваний в организме. Существующие на сегодняшний день варианты моделей ДНК-компьютеров позволяют решать пока самые простые задачи. Основным недостатком таких компьютеров является неопределённость, насколько полезными или вредными окажутся они для человечества. По мнению учёных, создание полноценных ДНКкомпьютеров возможно в далёкой перспективе.

Таким образом, в соответствии с [9, 11, 12], можно сделать вывод, что в настоящее время возможности микроэлектроники ещё не исчерпаны, но давление пределов уже ощутимо. Основой для ВМ в ближайшей перспективе будут СБИС совместно с ССИС.

Вопросы для самопроверки

1.Назовите базовые типовые элементы ВМ. На какие классы делятся элементы по своему назначению?

2.Дайте определение следующим логическим элементам: «И», «ИЛИ», «НЕ», «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ», «Исключающее ИЛИ-НЕ», «Исключающее ИЛИ». Приведите их условные обозначения и законы функционирования.

3.Что представляет собой автомат с памятью? Какой цифровой автомат называется элементарным?

4.В чём заключаются различия между автоматами Мили и автоматами Мура? Откуда взялись названия этих автоматов?

5.Дайте определение триггеру. На какие группы делятся триггеры по функциональному назначению и способу записи информации?

6.Приведите условное обозначение RS-триггера. Объясните закон функционирования RS-триггера на базе элементов «ИЛИ-НЕ». Поясните принципы работы RS-триггера на элементах «И-НЕ».

7.Какие существуют проблемы в развитии элементной базы ВМ? Каковы перспективы полупроводниковой технологии?

8.В чём заключаются особенности оптических, квантовых, молекулярных и ДНК-компьютеров?

33

3.ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ КОМБИНАЦИОННОГО И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ТИПОВ

Функциональные узлы ВМ выполняют различную обработку групп сигналов (информационных слов). Принципы работы таких узлов задают базовые элементы, из которых узлы состоят. Поэтому функциональные узлы компьютеров также можно разбить на две группы: комбинационного типа и последовательного типа. Из все-

го многообразия функциональных узлов рассмотрим некоторые из них, наиболее характерные для своих групп. Для удобства начнём изучение с функциональных узлов последовательного типа.

3.1. Функциональные узлы последовательного типа

Такие узлы позволяют накапливать или хранить двоичные данные. Типичными представителями этой группы являются регистры и счётчики, краткие сведения о которых приведены ниже.

3.1.1. Регистры

Регистр – функциональный узел для запоминания многоразрядных слов. Регистры состоят из разрядных схем, в которых имеются триггеры, а также логических элементов. Регистры выполняют над словами ряд микроопераций [5, 10].

- Первая группа операций связана с приёмом слова в регистр (установка в нулевое или единичное значение, приём слова в прямом и обратном коде). Принятые данные хранятся в регистре, пока не появится команда на их смену.

-Вторая группа операций связана с выдачей слов из регистра

впрямом и обратном коде.

-Третья группа операций связана с выполнением поразрядных логических операций над несколькими словами.

-Четвёртая группа операций связана со сдвигом слов в разрядной сетке (влево или вправо на определённое число разрядов), а также с преобразованием последовательного кода в параллельный и, наоборот.

По способу приёма и выдачи данных регистры делятся на три ви-

да [5]:

1. Параллельные (статические). Приём и выдача слов произво-

дится по всем разрядам одновременно. В таких регистрах хранятся слова, которые могут быть подвергнуты поразрядным логическим операциям.

34

2.Последовательные (сдвигающие). Слова принимаются и вы-

даются последовательно, разряд за разрядом. Такие регистры могут быть нереверсивными (с однонаправленным сдвигом) или реверсивными (с возможностью сдвига в обоих направлениях).

3.Последовательно-параллельные регистры имеют входы и вы-

ходы одновременно последовательного и параллельного типа и могут выполнять взаимные преобразования кодов.

Условное обозначение регистра (на примере статического регистра) приведено на рис. 16 [5]. В настоящее время большинство регистров строятся на базе D- триггеров.

Рис. 16. Условное обозначение статического регистра:

Di – информационные входы; C1 – сигнал загрузки; Qi – выходы триггеров; R – входы сброса;

EZ – управляющий сигнал

После сигнала загрузки (вход C1) в регистре формируется слово (входы Di). Для чтения из регистра оно передаётся на выходы Qi. Все операции над словами в регистрах выполняются под управлением специальных сигналов (вход EZ).

Статические регистры состоят из разрядных схем, не связанных между собой и, соответственно, не обменивающихся данными. Общими для разрядов обычно являются цепи управления (тактирования, сброса/ установки и т.д.). Последовательные регистры представляют между собой цепочку взаимосвязанных разрядных схем.

Из статических регистров составляются блоки регистровой памяти. Дешифрация адреса записи и адреса чтения слов производится независимыми элементами, поэтому возможны одновременно чтение из одного регистра и запись слова в другой регистр. Такие регистры используются также и для образования сверхоперативной памяти. Если имеется один комплекс адресных входов и один дешифратор адреса, которые используются и при записи, и при чтении слов, то созданная на основе таких регистров память представляет собой память с произвольным доступом.

35

По способу тактирования различают однотактные (схемы ре-

гистров управляются одной последовательностью синхроимпульсов)

имноготактные (схемы регистров управляются несколькими последовательностями синхроимпульсов) регистры.

По количеству каналов передачи данных различают однофазные

(данные передаются по одной цепи либо в прямом, либо в инверсном коде) и парафазные (каждый разряд передаётся и в виде прямого,

ив виде инверсного значений по двум цепям) регистры.

Более подробную информацию о регистрах можно получить из учебного пособия [5].

3.1.2. Счётчики

Счётчик – это автомат, который под действием входных импульсов переходит из одного состояния в другое, фиксируя тем самым число поступивших на его вход импульсов [5, 10].

Максимальное количество импульсов, которое может зарегистрировать счётчик, называется ёмкостью счётчика. После поступления на счётчик максимального числа входных сигналов начинается новый цикл, повторяющий предыдущий, т.е., счётчик перезапускается. Счётчики, как правило, строятся на основе каскадного включения триггеров, каждый из которых выполняет операцию деления на 2. Ёмкость счётчика, состоящего из m триггеров, будет равна 2m, поскольку возможно 2m различных дискретных состояний.

Специфической для счётчиков операцией является изменение их содержимого на единицу. Прибавление единицы соответствует операции инкрементации, вычитание единицы – операции декрементации. Кроме того, счётчики могут выполнять дополнительные операции: сброс, установку, хранение, выдачу слов и т.д.

Основными режимами работы счётчиков является регистрация поступивших входных сигналов и деление частоты. В первом режиме в счётчике фиксируется его содержимое (цифровой код), а во втором выходными сигналами являются импульсы переполнения счётчика.

Условное графическое изображение двоичного счётчика представлено на рис. 17.

Каждый поступающий на вход C импульс перебрасывает первый триггер в противоположное состояние. Сигнал с инверсного выхода предыдущего триггера R является входным сигналом для последующего. Таким образом, комбинация Q0, Q1, ..., Qn-1 будет соответствовать числу поступивших на вход счётчика импульсов, представленному в двоичном коде.

36

По направлению счёта счётчики делятся на суммирующие (прямого счёта), вычитающие (обратного счёта) и реверсивные (с изменением направления счёта).

CT Q

C0

1

... ...

Рис. 17. Условное обозначение двоичного счётчика:

C – информационный вход для импульсов; R – сигнал с предыдущего триггера; Qi – выходы счётчика

Счётчики строятся из разрядных схем, имеющих межразрядные связи. По способу организации этих связей различают:

1)счётчики с последовательным переносом – в них каждый триггер переключается выходным сигналом предыдущего;

2)счётчики с параллельным переносом – содержат разрядные триггеры с конъюкторами и при поступлении входного сигнала переключаются только те триггеры, для которых все предыдущие были

вединичном состоянии (для сложения) или нулевом (для вычитания). Схема работы счётчика (на примере суммирующего счётчика)

представлена в табл. 9.

37

После регистрации 16-ти импульсов следующий импульс вызовет переполнение счётчика.

Более полные сведения о счётчиках можно найти в учебном посо-

бии [5].

3.2. Функциональные узлы комбинационного типа

Как уже отмечалось, комбинационные схемы не содержат памяти и их выходные сигналы зависят только от совокупности входных значений. Рассмотрим некоторые функциональные узлы, построенные на основе комбинационных схем, в частности, шифраторы и дешифра-

торы, компараторы, сумматоры [5, 10].

3.2.1. Шифраторы и дешифраторы

Шифраторы и дешифраторы относятся к преобразователям кодов. Шифратор преобразует код «1 из N» в двоичный, а дешифратор выполняет обратную операцию, преобразует двоичный код в код «1

из N».

Шифратор – это логическая схема, вырабатывающая на выходе определённое двоичное значение длиной n бит в зависимости от того, на каком из её 2n входов присутствует логическая 1. Полный шифратор имеет 2n входов и n выходов.

Условное графическое изображение шифратора приведено на рис. 18, а табл. 10 отражает функционирование шифратора на примере шифратора 10 4 (10 входов, 4 выхода). Выходы шифратора принято обозначать их двоичными весами.

Рис. 18. Условное обозначение шифратора:

F0 ... F9 – входы шифратора; a0 ... a3 – выходы шифратора;

EI – сигнал разрешения работы шифратора (разрешено при EI = 1); EO – сигнал разрешения для разрешения работы следующего шифратора (при наращивании шифраторов)

38

Если логическая единица может присутствовать на нескольких входах, то применяется приоритетный шифратор, реагирующий на самый старший разряд входного слова. Такие шифраторы часто применяются для определения приоритетного претендента на использование какого-либо ресурса. Каждому устройству назначается фиксированный приоритет на запрос ресурса. При одновременном наличии нескольких запросов обслуживается запрос с наибольшим приоритетом.

Дешифратор – это логическая схема, которая при подаче на её вход n- разрядного двоичного числа переводит один из своих 2n выходов в активное состояние (состояние логической 1) [4]. Таким образом, полный дешифратор имеет n входов и 2n выходов. Входы дешифратора принято обозначать их двоичными весами.

Условное обозначение дешифратора представлено на рис. 19. Таблицу, отражающую функционирование дешифратора (на примере дешифратора 4 10 приводить не будем в силу её очевидности, поскольку она будет представлять собой результат транспонирования табл. 3.2, приведённой выше).

Рис. 19. Условное обозначение дешифратора:

x0 ... x3 – входы дешифратора; F0 ... F9 – выходы дешифратора; EN – сигнал разрешения работы дешифратора (разрешено при EN = 1)

39