Поколения цифровых устройств обработки информации

В период развития цифровых технологий были разработаны ком­пьютеры самых разных типов. Многие из них давно забыты, но дру­гие оказали сильное влияние на развитие современных вычислительных систем. Здесь мы дадим краткий обзор некоторых этапов развития вычислительных машин, чтобы показать, как человеческая мысль пришла к современному пониманию компьютерных техно­логий.

Устройства, облегчающие счет или запоминание его результатов, известны давно, но нас будут интересовать только устройства для вы­числений, которые автоматически выполняют заложенные в них про­граммы. Поэтому мы не рассматриваем здесь такие устройства, как счеты, механические арифмометры и электронные калькуляторы.

Первая счетная машина с хранимой программой была построена французским ученым Блезом Паскалем в 1642 г. Она была механичес­кой с ручным приводом.и могла выполнять операции сложения и вычитания. Немецкий математик Готфрид Лейбниц в 1672 г. построил механическую машину, которая могла делать также операции умноже­ния и деления. Впервые машину, работающую по программе, разра­ботал в 1834 г. английский ученый Чарльз Бэббидж. Она содержала запоминающее устройство, вычислительное устройство, устройство ввода с перфокарт и печатающее устройство. Команды считывались с перфокарты и выполняли считывание данных из памяти в вычисли­тельное устройство и запись в память результатов вычислений. Все устройства машины Бэббиджа, включая память, были механически­ми и содержали тысячи шестеренок, при изготовлении которых тре­бовалась точность, недоступная в XIX в. Машина реализовала любые программы, записанные на перфокарте, поэтому впервые для напи­сания таких программ потребовался программист. Первым програм­мистом была англичанка Ада Ловлейс, в честь которой уже в наше время был назван язык программирования Ада.

В XX в. начала развиваться электроника и ее возможности немедленно взяли на вооружение разработчики вычислительных ма­шин. С построения вычислительных машин, базовая система элемен­тов которых была построена на электронных компонентах, начина­ется отсчет поколений цифровых вычислительных машин. Отметим, что деление периода развития цифровой техники на этапы связано, в основном, с переводом базовой системы элементов на новые тех­нологии производства электронных компонентов.

Первое поколение -

электронные лампы (1945-1955 гг.)

В основе базовой системы элементов этого поколения компью­теров лежали электронные лампы. Их использование определяло и достоинства и недостатки цифровых устройств, Электронные лампы обеспечивали высокую скорость переключения логических элемен­тов, что увеличивало скорость вычисления по сравнению с попыт­ками создать вычислительную машину, базовый элемент которой был построен на основе электромеханического реле. Электронные лам­пы были достаточно долговечны и обеспечивали надежную работу компьютера. К сожалению, недостатков у ламповых компьютеров тоже было достаточно. Электронные лампы работали с напряжени­ями в десятки вольт и расходовали много энергии, кроме того, раз­мер электронных ламп, по современным понятиям микроэлектрони­ки, был огромным - несколько десятков кубических сантиметров. Для построения вычислительной машины нужны были тысячи ло­гических элементов, поэтому размер ламповых вычислительных ма­шин по занимаемой площади составлял десятки квадратных метров, а потребляемая мощность колебалась в пределах от единиц до десят­ков и даже сотен киловатт. Такая мощность приводила к перегрева­нию ламп, которые были размешены довольно компактно, и стави­ла задачу эффективного охлаждения электронных компонентов машины. Скорость обработки информации в ламповых машинах колебалась от нескольких сотен до нескольких тысяч операций в секунду.

Второе поколение -транзисторы (1955-1965 гг.)

Полупроводниковые приборы - транзисторы были изобретены в 1948 г. Они отличались от электронных ламп малыми размерами, низким напряжением питания и малой потребляемой мощностью. Все эти достоинства полупроводниковых приборов произвели рево­люцию в радиоэлектронной промышленности. Стали появляться ми­ниатюрные приемо-передающие радио- и телеустройства, появилась возможность встраивать управляющие устройства непосредственно в объекты управления и т.д. Новая элементная база для компьютеров на основе транзисторов произвела революцию и в производстве ком­пьютеров. Значительное уменьшение габаритов, снижение потребля­емой мощности и стоимости позволило создавать архитектуры ком­пьютера с большими функциональными возможностями, резко повысить быстродействие компьютеров до сотен тысяч и даже мил­лионов операций в секунду. Увеличение производительности обеспе­чивалось как за счет более высокой скорости работы транзисторов по сравнению с электронными лампами, так и путем введения в со­став вычислительной машины нескольких обрабатывающих уст­ройств, работающих параллельно. Площадь, требуемая для размеще­ния компьютера, снизилась до_ нескольких квадратных метров, предпринимались попытки изготавливать и настольные варианты. Снижение стоимости увеличило число потенциальных пользователей компьютеров. Появились крупные фирмы по производству компью­теров широкого назначения: International Business Machines(IBM), Control Data Corporation (CDC) Digital Equipment Corporation (DEC) и др. Следует отметить компьютер РDР-8 фирмы DЕС - первого мини-компьютера с общей шиной, оказавшего большое влияние на раз­витие архитектур персональных компьютеров.

Третье поколение -интегральные схемы (1965-1980 гг.)

Полупроводниковые элементы и другие электронные компоненты выпускались электронной промышленностью в виде отдельных элементов. Так, полупроводниковый кристалл, на котором размещал­ся транзистор, заключался в специальный металлический или плас­тмассовый корпус. Требование уменьшения габаритов электронных

устройств привело к тому, что сначала полупроводниковые приборы стали производиться в бескорпусном исполнении, а затем в 1958 г. была предпринята попытка разместить в одном полупроводниковом кристалле все компоненты одного функционального узла. Так появи­лись интегральные схемы (ИС), которые позволили резко уменьшить размеры полупроводниковых схем и снизить потребляемую мощ­ность. На основе ИС строились мини-ЭВМ, которые выполнялись в виде одной стойки и периферийных устройств. Мощность, потреб­ляемая компьютером на ИС, уменьшилась до сотен ватт. Увеличение быстродействия узлов, построенных на ИС, позволило довести быс­тродействие компьютеров до десятков миллионов операций в секун­ду. Электронная промышленность приступила к массовому производ­ству электронных компонентов на ИС, что позволило снизить их стоимость и резко уменьшить стоимость аппаратной составляющей компьютеров. Уменьшение стоимости привело к разработке и прак­тической реализации мощных вычислительных систем, использую­щих параллельную обработку: многопроцессорные и конвейерные вычислители.

Четвертое поколение –сверхбольшие интегральные схемы (с 1980 гг.)

Микроминиатюризация электронных устройств привела к по­явлению новой отрасли промышленности - микроэлектроники, ко­торая относится к области высоких технологий. Используя последние научно-технические достижения физики, химии, кристаллографии, материаловедения и даже космонавтики (в невесомости можно по­лучить полупроводниковые кристаллы очень высокой чистоты), до­бились размещения на одном кристалле размером несколько квад­ратных миллиметров сначала сотен, затем тысяч и, наконец, миллионов транзисторов и других электронных компонентов. Теперь полупроводниковая схема содержала уже не набор нескольких логи­ческих элементов, из которых строились затем функциональные узлы компьютера, а целиком функциональные узлы и, в первую очередь процессор, который, учитывая его размеры, получил название микро­процессор, устройства управления внешними устройствами — контрол­леры внешних устройств. Такие интегральные схемы получили назва­ние сначала больших интегральных схем (БИС), а затем и сверхбольших интегральных схем (СБИС).

Итогом такого бурного развития микроэлектроники стало появ­ление одноплатных ЭВМ, где на одной плате, размером несколько десятков квадратных сантиметров, размещались несколько СБИС, содержащих все функциональные блоки компьютера. Одноплатные компьютеры встраивались в различные промышленные, медицинские и бытовые приборы для оперативной обработки информации и управ­ления. Стоимость одноплатных компьютеров так упала, что появилась возможность их приобретения отдельными людьми, Такой возможно­стью воспользовались английские инженеры Стив Джобе и Стив Возняк. Используя выпускаемые промышленностью функциональные узлы: плата микро-ЭВМ с процессором и памятью, клавиатура, дис­плей, они собрали дешевую настольную вычислительную машину - микрокомпьютер. Его привлекательность для непрофессиональных пользователей заключалась в том, что это было готовое к употребле­нию устройство, содержащее все необходимое оборудование и про­граммное обеспечение для работы. Этот микрокомпьютер получил на­звание Арр!е и стал первым в мире персональным компьютером.

Персональными компьютерами, которые получили большое рас­пространение на компьютерном рынке, заинтересовалась крупная компания, занимавшаяся выпуском мощных вычислительных систем - 1ВМ, и решила наладить выпуск своей модели персонального ком­пьютера. Совместно с фирмой Intel, разработавшей микропроцессор­ный комплект, и фирмой Microsoft, которая оснастила компьютер операционной системой MS DOS, IВМ создала персональный ком­пьютер IВМ РС. Значительный потенциал фирмы IВМ позволил в ко­роткие сроки произвести огромное количество таких компьютеров. Их привлекательная для покупателей цена и некоторые новшества, например, больший, по сравнению с выпускавшимися в то время персональными компьютерами других фирм, объем оперативной па­мяти, позволили компьютеру IВМ РС стать самой популярной «пер­соналкой» в мире.

2.6. Архитектуры вычислительных систем сосредоточенной обработки информации

Современный компьютер состоит из нескольких функциональ­ных узлов: процессор, память, контроллеры устройств и т.д. Каждый узел представляет собой сложное электронное устройство, в состав которого могут входить миллионы логических элементов. Для луч­шего понимания принципа работы каждого узла и компьютера в це­лом вводится понятие уровней представления компьютера.

Цифровой логический уровень — уровень логических схем базовой системы элементов.

Микроархитектурный уровень — уровень организации обработки информации внутри функционального узла. Сюда относятся регист­ры различного назначения, устройство обработки поступающих ко­манд, устройство преобразования данных, устройство управления.

Командный уровень — набор функциональных узлов и связи между ними, система команд и данных, передаваемых между устройствами.

Набор блоков, связей между ними, типов данных и операций каждого уровня называется архитектурой уровня.

Архитектура командного уровня называется обычно компьютер­ной архитектурой или компьютерной организацией. В этом разделе мы рассмотрим различные компьютерные архитектуры. Архитекту­ры других уровней будут рассмотрены в следующих разделах.

2.6.1. Архитектуры с фиксированным набором устройств

Компьютерами с сосредоточенной обработкой называются такие вычислительные системы, у которых одно или несколько обрабаты­вающих устройств (процессоров) расположены компактно и исполь­зуют для обмена информацией внутренние шины передачи данных. Компьютеры первого и второго поколения имели архитектуру зак­рытого типа с ограниченным набором внешнего оборудования. Та­кая архитектура характерна для компьютеров, базовая система логи­ческих элементов которых построена на дискретных электронных компонентах (электронных лампах, транзисторах). Введение любого дополнительного функционального блока в такие архитектуры был сопряжен с увеличением потребляемой мощности, занимаемой пло­щади и резко увеличивал стоимость всей системы. Поэтому компь­ютер, выполненный по этой архитектуре, не имел возможности под­ключения дополнительных устройств, не предусмотренных раз­работчиком.

Укрупненная схема такой компьютерной архитектуры приведен на рис. 2.9. Оперативная память хранит команды и данные испол­няемых программ, АЛУ обеспечивает не только числовую обработ­ку, но и участвует в процессе ввода-вывода информации, осуществ­ляя ее занесение в оперативную память. Канал ввода/вывода представляет собой специализированное устройство, работающее по командам, подаваемым устройством управления. Канал допускает подключение определенного числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы.

 

Рис. 2.9. Архитектура компьютера закрытого типа

Компьютеры такой архитектуры эффективны при решении чи­сто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализа­ции компьютерных технологий, требующих подключения дополни­тельных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информацией.

.6.2. Вычислительные системы с открытой архитектурой

В начале 70-х гг. фирмой DEC (Digital Equipment Corporation) был предложен компьютер совершенно иной архитектуры. Эта архитек­тура позволяла свободно подключать любые периферийные устрой­ства, что сразу же заинтересовало разработчиков систем управления различными техническими системами, так как обеспечивало свобод­ное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполни­тельных механизмов. Главным нововведением являлось подключение всех устройств, независимо от их назначения, к общей шине переда­чи информации. Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии со стандартом шины. Стандарт шины являлся свобод­но распространяемым документом, что позволяло фирмам- произ­водителям периферийного оборудования разрабатывать контроллеры для подключения своих устройств к шинам различных стандартов. Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использо­вании общей шины, приведена на рис. 2.10. Общее управление всей

 

 

 

Рис. 2.10. Архитектура компьютера открытого типа

системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информаци» ей. Запоминающее устройство хранит исполняемые программы и данные и согласовано уровнями своих сигналов с уровнями сигна­лов самой шины. Внешние устройства, уровни сигналов которых от­личаются от уровней сигналов шины, подключаются к ней через спе­циальное устройство — контроллер. Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора

Контроллер подключается к шине специальными устройствами — портами ввода-вывода. Каждый порт имеет свой номер, и обраще­ние к нему процессора происходит, также как и к ячейке памяти, по этому номеру. Процессор имеет специальные линии управления, сиг­нал на которых определяет, обращается ли процессор к ячейке па­мяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнего устройства.

Несмотря на преимущества, предоставляемые архитектурой с общей шиной, она имеет и серьезный недостаток, который прояв­лялся все больше при повышении производительности внешних ус­тройств и возрастании потоков обмена информацией между ними. К общей шине подключены устройства с разными объемами и ско­ростью обмена, в связи с чем «медленные» устройства задерживали работу «быстрых». Дальнейшее повышение производительности ком­пьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались «быстрые» устройства. Архитектура компь­ютера с общей и локальной шинами приведен на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Архитектура компьютера с общей и локальной шиной

Контроллер шины анализирует адреса портов, передаваемые про­цессором, и передает их контроллеру, подключенному к общей или локальной шине.

Конструктивно контроллер каждого устройства размещается на общей плате с центральным процессором и запоминающим устрой­ством или, если устройство не является стандартно входящим в со став компьютера, на специальной плате, вставляемой в специальные разъемы на общей плате - слоты расширения. Дальнейшее развитие микроэлектроники позволило размещать несколько функциональных узлов компьютера и контроллеры стандартных устройств в одной микросхеме СБИС. Это сократило количество микросхем на общей плате и дало возможность ввести две дополнительные локальные шины для подключения запоминающего устройства и устройства отображения, которые имеют наибольший объем обмена с централь­ным процессором и между собой. Хотя архитектура компьютера ос­талась прежней, структура современного персонального компьютера имеет вид, представленный на рис. 2.12.

Рис. 2.12. Структура персонального компьютера

Центральный контроллер играет роль коммутатора, распре­деляющего потоки информации между процессором, памятью, устройством отображения и остальными узлами компьютера. Кроме этого в состав микросхемы центрального контроллера включены устрой­ства, которые поддерживают работу компьютера. К ним относятся

 

системный таймер', устройство прямого доступа к памяти, которое обеспечивает обмен данными между внешними устройствами и па­мятью в периоды, когда это не требуется процессору; устройство обработки прерываний, которое обеспечивает быструю реакцию про­цессора на запросы внешних устройств, имеющих данные для пере­дачи.

Функциональный контроллер - это СБИС, которая содержит кон­троллеры для подключения стандартных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер, модем и т.д. Часто в состав этого контроллера входит такое устройство, как аудиокарта, позволяющая получить на внешних динамиках высококачественный звук при про­слушивании музыкальных и речевых файлов.

Для подключения специфических устройств часть общей шины, соединяющая центральный и функциональный контроллеры, имеет слоты расширения для установки плат контроллеров.

2.6.3, Архитектуры многопроцессорных вычислительных систем

Персональные компьютеры позволяют реализовать многие ком­пьютерные технологии, начиная от работы в Интернете, и кончая по­строением анимационных трехмерных сцен. Однако существуют задачи, объем вычислений которых превышает возможности персо­нального компьютера. Для их решений применяются компьютеры с гораздо более высоким быстродействием. Для получения высокого быстродействия на существующей элементной базе исполь­зуются архитектуры, в которых процесс обработки распараллелива­ется и выполняется одновременно на нескольких обрабатывающих устройствах Существует три основных подхода к построению архи­тектур таких компьютеров: многопроцессорные, магистральные и мат­ричные архитектуры.

Архитектура простых многопроцессорных систем выполняется по схеме с общей шиной. Два или более процессоров и один или несколько модулей памяти размещены на общей шине. Каждый про­цессор, для обмена с памятью, проверяет, свободна ли шина, и, если она свободна, он занимает ее. Если шина занята, процессор ждет, пока она освободится. При увеличении числа процессоров производительность системы будет ограничена пропускной способностью шины. Чтобы решить эту проблему, каждый процессор снабжается собственной локальной памятью (рис. 2.13), куда помещаются тек­сты исполняемых программ и локальные переменные, обрабатывае­мые данным, процессором. Общее запоминающее устройство исполь­зуется для хранения общих переменных и общего системного программного обеспечения. При такой организации нагрузка на об­щую шину значительно снижается.

Рис. 2.13. Архитектура многопроцессорной вычислительной системы с общей шиной

Один из процессоров выделяется для управления всей системой. Он распределяет задания на исполнение программ между процессо­рами и управляет работой общей шины;

Периферийный процессор осуществляет обслуживание внешних устройств при вводе и выводе информации из общей памяти. Он может быть того же типа, что и остальные процессоры, но обычно устанавливается специализированный процессор, предназначенный для выполнения операций управления внешними устройствами.

Магистральный принцип является самым распространенным при построении высокопроизводительных вычислительных систем, Про­цессор такой системы имеет несколько функциональных обрабаты­вающих устройств, выполняющих арифметические и логические опе­рации, и быструю регистровую память для хранения обрабатываемых данных. Данные, считанные из памяти, размещаются в регистрах и из них загружаются в обрабатывающие устройства. Результаты вы­числений помещаются в регистры и используются как исходные дан­ные для дальнейших вычислений. Таким образом, получается кон­вейер преобразования данных: регистры — обрабатывающие устройства — регистры —.... Архитектура магистрального суперком­пьютера приведена на рис. 2.14. Число функциональных устройств здесь равно шести («Сложение», «Умножение» и т.д.), однако в ре­альных системах их количество может быть иным. Устройство пла­нирования последовательности выполнения команд распределяет данные, хранящиеся в регистрах, на функциональные устройства и производит запись результатов снова в регистры. Конечные резуль­таты вычислений записываются в общее запоминающее устройство.

Рис. 2.14. Архитектура магистрального суперкомпьютера

 

 

В матричной вычислительной системе процессоры объединяют­ся в матрицу процессорных элементов. В качестве процессорных эле­ментов могут использоваться универсальные процессоры, имеющие собственное устройство управления, или вычислители, содержащие только АЛУ и выполняющие команды внешнего устройства управ­ления. Каждый процессорный элемент снабжен локальной памятью, хранящей обрабатываемые процессором данные, но при необходи­мости процессорный элемент может производить обмен со своими соседями или с общим запоминающим устройством. В первом слу­чае, программы и данные нескольких задач или независимых частей одной задачи загружаются в локальную память процессоров и выпол­няются параллельно. Во втором варианте все процессорные элемен­ты одновременно выполняют одну и ту же команду, поступающую от устройства обработки команд на все процессорные элементы, но над разными данными, хранящимися в локальной памяти каждого про­цессорного элемента. Вариант архитектуры с общим управлением показан на рис. 2.15. Обмен данными с периферийными устройства­ми выполняется через периферийный процессор, подключенный к общему запоминающему устройству.

2.6.4. Классификация компьютеров по сферам применения

Наиболее часто при выборе компьютера для той или иной сферы применения используется такая характеристика, как произво­дительность, под которой понимается время, затрачиваемое компь­ютером для решения той или иной задачи. Понятие «производитель­ность» определяет и некоторые другие характеристики компьютера, такие, например, как объем оперативной памяти. Вполне естествен­но, что компьютер с высокой скоростью обработки должен снабжать­ся большим объемом оперативной памяти, так как иначе его произ­водительность будет ограничена необходимостью подкачки информации из более медленной внешней памяти. Можно считать, что производительность является некоторой интегрированной харак­теристикой, определяющей общую вычислительную мощность ком­пьютера, и, соответственно, области его применения.

По производительности компьютеры можно условно разбить на три класса: суперкомпьютеры; мэйнфреймы; микрокомпьютеры.

Матрица процессорных элементов

Рис. 2.15. Архитектура матричной вычислительной системы с общим управлением

Суперкомпьютеры — компьютеры с производительностью свыше 100 млн операций в секунду. Применяются для решения таких задач, как моделирование физических процессов, гидрометеорология, кос-

 

 

мические исследования и других задач, которые требуют огромных объемов вычислений. Выполняются обычно по многопроцессорной архитектуре, имеют большой набор внешних устройств, и, как пра­вило, выпускаются небольшими партиями для конкретной задачи или конкретного заказчика. Обычно важность решаемой задачи та­кова, что основным параметром суперкомпьютера является его вы­сокая производительность, а такие параметры, как стоимость, раз­меры или вес, не являются определяющими.

Мэйнфреймы — компьютеры с производительностью от 10 до 100 млн операций в секунду. Они используются для решения таких задач, как хранение, поиск и обработка больших массивов данных, построение трехмерной анимационной графики, создание рекламных роликов, выполняют роль узлов глобальной сети, используемой тор­говыми или компьютерными фирмами с большим потоком запросов. Выполняются по многопроцессорной архитектуре с общей шиной и небольшим числом мощных процессоров. Конструктивно выполня­ются в виде одной стойки или в настольном варианте. Стоимость мэйнфреймов колеблется от тридцати до трехсот тысяч долларов.

Микрокомпьютеры — компактные компьютеры универсального назначения, в том числе и для бытовых целей, имеющие производи­тельность до 10 млн. операций в секунду. Микрокомпьютеры, или персональные компьютеры, можно классифицировать по конструк­тивным особенностям: стационарные (настольные) и переносные. Переносные компьютеры, в свою очередь, можно разделить на пор­тативные (laptop), блокноты (notebook) и карманные (Palmtop). Пор­тативные компьютеры по размеру близки к обычному портфелю, они, в настоящее время, уступают место более компактным. Блок­ноты по размеру близки к книге крупного формата и имеют массу около 3 кг. Такие компьютеры имеют встроенные аккумуляторы, по­зволяющие работать без сетевого напряжения. В настоящее время имеются полноцветные жидкокристаллические мониторы, не уступа­ющие по качеству мониторам стационарных компьютеров. Карман­ные компьютеры в настоящее время являются самыми маленькими персональными компьютерами. Они не имеют внешней памяти на магнитных дисках, она заменена на энергонезависимую электронную память. Эта память может перезаписываться при помощи линии свя­зи с настольным компьютером. Карманный компьютер можно ис­пользовать как словарь-переводчик или записную книгу.

2.7. Функциональная организация персонального компьютера

2.7,1. Центральный процессор

Центральный процессор (ЦП) - функционально-законченное про­граммно-управляемое устройство обработки информации, выполнен­ное на одной или нескольких СБИС. В современных персональных компьютерах разных фирм применяются процессоры двух основных архитектур:

• полная система команд переменной длины — Complex Instruction Set
Computer (CISC);

• сокращенный набор команд фиксированной длины — Reduced
Instruction Set Computer (RISC).

Весь ряд процессоров фирмы 1те1, устанавливаемых в персо­нальные компьютеры IВМ, имеют архитектуру СISС, а процессоры Motorola, используемые фирмой Арр1е для своих персональных ком­пьютеров, имеют архитектуру КISС. Обе архитектуры имеют свои преимущества и недостатки. Так СISС-процессоры имеют обширный набор команд (до 400), из которых программист может выбрать ко­манду, наиболее подходящую ему в данном случае. Недостатком этой архитектуры является то, что большой набор команд усложняет внут­реннее устройство управления процессором, увеличивает время ис­полнения команды на микропрограммном уровне. Команды имеют различную длину и время исполнения.

КISС-архитектура имеет ограниченный набор команд и каждая команда выполняется за один такт работы процессора. Небольшое число команд упрощает устройство управления процессора. К недо­статкам К.ISС-архитектуры можно отнести то, что если требуемой ко­манды в наборе нет, программист вынужден реализовать ее с помо­щью нескольких команд из имеющегося набора, увеличивая размер программного кода.

Упрощенная схема процессора, отражающая основные особен­ности архитектуры микроуровня, приведена на рис. 2.16..Наиболее сложным функциональным устройством процессора является устрой­ство управления выполнением команд. Оно содержит:

 

Рис. 2.16. Архитектура процессора

• буфер команд, который хранит одну или несколько очередных
команд программы; читает следующие команды из запоминаю­щего устройства, пока выполняется очередная команда, умень­шая время ее выборки из памяти;

• дешифратор команд расшифровывает код операции очередной
команды и преобразует его в адрес начала микропрограммы,
которая реализует исполнение команды;

• управление выборкой очередной микрокоманды представляет собой
небольшой процессор, работающий по принципу фон Неймана,
имеет свой счетчик микрокоманд, который автоматически вы­бирает очередную микрокоманду из ПЗУ микрокоманд;

• постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микрокоманд — это
запоминающее устройство, в которое информация записывает­ся однократно и затем может только считываться; отличитель­ной особенностью ПЗУ является то, что записанная в него
информация сохраняется сколь угодно долго и не требует посто­янного питающего напряжения.

Поступивший от дешифратора команд адрес записывается в счетчик микрокоманд устройства выборки, и начинается процесс обработки последовательности микрокоманд. Каждый разряд микро­команды связан с одним управляющим входом какого-либо функци­онального устройства. Так, например, управляющие входы регистра хранения «Сброс», «Запись», «Чтение» соединены с соответствующи­ми разрядами микрокоманды. Общее число разрядов микрокоманды может составлять от нескольких сотен до нескольких тысяч и равно общему числу управляющих входов всех функциональных устройств процессора. Часть разрядов микрокоманды подается на устройство управления выборкой очередной микрокоманды и используется для организации условных переходов и циклов, так как алгоритмы об­работки команд могут быть достаточно сложными.

Выборка очередной микрокоманды осуществляется через опре­деленный интервал времени, который, в свою очередь, зависит от времени выполнения предыдущей микрокоманды. Частота, с кото­рой осуществляется выборка микрокоманд, называется тактовой частотой процессора. Тактовая частота является важной характери­стикой процессора, так как определяет скорость выполнения процес­сором команд, и, в конечном итоге, быстродействие процессора.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функционально АЛУ состоит из нескольких специаль­ных регистров, полноразрядного сумматора и схем местного управ­ления.

Регистры общего назначения (РОН) используются для временно­го хранения операндов исполняемой команды и результатов вычис­лений, а также хранят адреса ячеек памяти или портов ввода-выво­да для команд, обращающихся к памяти и внешним устройствам. Необходимо отметить, что если операнды команды хранятся в РОН, то время выполнения команды значительно сокращается. Одна из причин, почему программисты иногда обращаются к программиро­ванию на языке машинных команд, это наиболее полное использо­вание РОН для получения максимального быстродействия при вы­полнении программ, критичных по времени.

Рассмотрим кратко характеристики процессоров, используемых в современных ПК типа 1ВМ РС. Процессоры для этих ПК выпус­кают многие фирмы, но законодателем моды здесь является фирма Intel. Ее последней разработкой является процессор Pentium 4, выпуск которых начат в конце 2001 г. К основным особенностям архи­тектуры Pentium 4 можно отнести следующие:

- в систему команд добавлены новые команды, ориентированные
на работу с видео- и аудиопотоками;

- имеется специальный внутренний кэш, размером 256 Кбайт,
который работает на тактовой частоте процессора, и имеет соб­ственную шину связи с процессором, обеспечивающую скорость
обмена 48 Гбайт/С;

- внутренняя микроархитектура процессора базируется на двух
параллельно работающих конвейерах команд (суперскалярная ар­хитектура], которые исполняют сразу несколько команд в раз­
ных фазах обработки (чтение, дешифрация, загрузка операндов,
исполнение), конвейеры заканчиваются двумя АЛУ, работающи­ми на удвоенной частоте процессора для коротких арифметичес­ких и логических команд, и АЛУ для выполнения медленных
команд;

- процессор работает на частотах 1500-3000 МГц и содержит око­ло 42 млн транзисторов.

Фирма Intel поставляет упрощенные варианты процессоров Pentium 4 под названием Celeron, который в два раза дешевле базово­го варианта процессора. Однако следует отметить, что последние модели процессора Celeron ни в чем не уступают «старшему брату» и даже в некоторых случаях превосходят его.

Фирма AMD (Advanced! Micro Devices) выпускает процессоры, со­вместимые по системе команд с Intel Pentium 4 — Athlon (К7). Этот процессор выполнен по суперскалярной архитектуре с тремя конвей­ерами команд, работающими параллельно и способными обрабаты­вать до девяти инструкций за один цикл работы процессора. Тести­рование процессора К7 и его сравнение с Pentium 4 показывает, что К7 не уступает ему и даже превосходит его в некоторых случаях. Сто­имость процессора Athlon на 20—30 % дешевле процессора Intel. Про­цессор К7 требует для своей работы собственной общей шины, стан­дарт которой отличается от стандарта шины РСI, которая является основной для процессора Pentium 4. Поэтому замена одного типа процессора другим требует и замены системной платы, на которой расположен набор микросхем основных функциональных устройств ПК.

 

2.7.2. Оперативное запоминающее устройство

Другим важным функциональным узлом компьютера является запоминающее устройство, или память. Память, в которой хранятся исполняемые программы и данные, называется оперативным запоми­нающим устройством (ОЗУ), или RАМ (Random Access Memory) — па­мятью со свободным доступом. ОЗУ позволяет записывать и считы­вать информацию из ячейки, обращаясь к ней по ее номеру или адресу. Ячейка памяти имеет стандартное число двоичных разрядов. В настоящее время стандартный размер ячейки ОЗУ равняется од­ному байту. Информация в ОЗУ сохраняется все время, пока на схе­мы памяти подается питание, т.е. она является энергозависимой.

Существует два вида ОЗУ, отличающиеся техническими харак­теристиками: динамическое ОЗУ, или DRАМ (Dynamic RАМ), и ста­тическое ОЗУ, или SRАМ (Static КАМ). Разряд динамического ОЗУ построен на одном транзисторе и конденсаторе, наличие или отсут­ствие заряда на котором определяет значение, записанное в данном бите. При записи или чтении информации из такой ячейки требуется время для накопления (стекания) заряда на конденсаторе. Поэто­му быстродействие динамического ОЗУ на порядок ниже, чем у ста­тического ОЗУ, разряд которого представляет собой триггер на четырех или шести транзисторах. Однако из-за большего числа элементов на один разряд в одну СБИС статического ОЗУ помещается гораздо меньше элементов, чем у динамического ОЗУ. Например, современные СБИС динамических ОЗУ способны хранить 256-1024 Мбайт информации, а схемы статических ОЗУ только 256-512 Кбайт. Кроме этого статические ОЗУ более энергоемки и значительно до-, роже. Обычно, в качестве оперативной или видеопамяти использу­ется динамическое ОЗУ. Статическое ОЗУ используется в качестве небольшой буферной сверхбыстродействующей.памяти. В кэш-па­мять из динамической памяти заносятся команды и данные, кото­рые процессор будет выполнять в данный момент.

Скорость работы ОЗУ ниже, чем быстродействие процессора, поэтому применяются различные методы для повышения ее произ­водительности. Одним из способов увеличения быстродействия ди­намического ОЗУ является размещение в одном корпусе микросхе­мы СБИС нескольких модулей памяти с чередованием адресов. Байт с нулевым адресом находится в первом модуле, байт с первым адресом во втором модуле, байт со вторым адресом в первом модуле и т.д. Поскольку обращение к памяти состоит из нескольких этапов: установка адреса, выбор ячейки, чтение, восстановление, то эти этапы можно совместить во времени для разных модулей. Другим способом увеличения быстродействия является чтение из памяти со­держимого ячейки с заданным адресом и нескольких ячеек, распо­ложенных рядом. Они сохраняются в специальных регистрах — за­щелках. Если следующий адрес указывает на одну из уже считанных ячеек, то ее содержимое читается из защелки.

Несмотря на разработку новых типов схем динамических ОЗУ, снижающую.время обращения к ним, это время все еще остается значительным и сдерживает дальнейшее увеличение производитель­ности процессора. Для уменьшения влияния времени обращения процессора к ОЗУ и увеличения производительности компьютера дополнительно устанавливается сверхбыстродействующая буферная память, выполненная на микросхемах статической памяти. Эта па­мять называется кэш-памятью (от англ, сасhе - запас). Время обра­щения к данным в кэш-памяти на порядок ниже, чем у ОЗУ, и срав­нимо со скоростью работы самого процессора.

Запись в кэш-память осуществляется параллельно с запросом процессора к ОЗУ. Данные, выбираемые процессором, одновремен­но копируются и в кэш-память. Если процессор повторно обратит­ся к тем же данным, то они будут считаны уже из кэш-памяти. Та­кая же операция происходит и при записи процессором данных в память. Они записываются в кэш-память, а затем в интервалы, ког­да шина свободна, переписываются в ОЗУ. Современные процессо­ры имеют встроенную кэш-память, которая находится внутри про­цессора, кроме этого есть кэш-память и на системной плате. Чтобы их различать, кэш-память делится на уровни. На кристалле самого процессора находится кэш-память первого уровня, она имеет объем порядка 16-128 Кбайт и самую высокую скорость обмена данными. В корпусе процессора, но на отдельном кристалле находится кэш­память второго уровня, которая имеет объем порядка 256 Кбайт -2 Мбайта. И, наконец, кэш-память третьего уровня расположена на системной плате, ее объем может составлять 16—1000 Мбайт.

Управление записью и считыванием данных в кэш-память вы­полняется автоматически. Когда кэш-память полностью заполняет­ся, то для записи последующих данных устройство управления кэш памяти по специальному алгоритму автоматически удаляет те данные, которые реже всего использовались процессором на текущий момент. Использование процессором кэш-памяти увеличивает производи­тельность процессора, особенно в тех случаях, когда происходит последовательное преобразование относительно небольшого числа данных, которые постоянно во время преобразования хранятся в кэш-памяти.

В одном адресном пространстве с ОЗУ находится специальная память, предназначенная для постоянного хранения таких программ, как тестирование и начальная загрузка компьютера, управление вне­шними устройствами. Она является энергонезависимой, т.е. сохра­няет записанную информацию при отсутствии напряжения питания. Такая память называется постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) или RОМ (Read Only Memory). Постоянные запоминающие устройства можно разделить по способу записи в них информации на следующие категории:

- ПЗУ, программируемые однократно. Программируются при из­готовлении и не позволяют изменять записанную в них информацию.

- Перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ). Позволяют перепрограмми­ровать их многократно. Стирание хранящейся в ППЗУ инфор­мации осуществляется или засветкой полупроводникового кри­сталла ультрафиолетовым излучением, или электрическим
сигналом повышенной мощности, для этого в корпусе микросхе­мы предусматривается специальное окно, закрытое кварцевым
стеклом.

2.7.3. Внутренние шины передачи информации

Общая шина, наряду с центральным процессором и запоминаю­щим устройством, во многом определяет производительность рабо­ты компьютера, так как обеспечивает обмен информацией между функциональными узлами. Общая шина делится на три отдельные шины по типу передаваемой информации: шина адреса, шина данных, шина управления. Каждая шина характеризуется шириной — числом параллельных проводников для передачи информации. Другим важ­ным параметром шины является тактовая частота шины — это частота, на которой работает контроллер шины при формировании цик­лов передачи информации.

Шина адреса предназначена для передачи адреса ячейки памя­ти или порта ввода-вывода. Ширина шины адреса определяет мак­симальное количество ячеек, которое она может напрямую адресо­вать. Если ширина шины адреса равна п, то количество адресуемой памяти равно 2".

Шина данных предназначена для передачи команд и данных, и ее ширина во многом определяет информационную пропускную спо­собность общей шины. В современных компьютерах ширина шины данных составляет 32—64.

Шина управления включает в себя все линии, которые обеспе­чивают работу общей шины. Ее ширина зависит от типа шины и определяется алгоритмом ее работы или, как говорят, протоколом работы шины. Протокол работы шины состоит из нескольких цик­лов и выполняется контроллером шины, расположенным внутри про­цессора (рис. 2.16), или отдельным контроллером шины (рис. 2.12).

Приведем примерный протокол работы системной шины. Пер­вый такт работы шины инициируется процессором, когда ему тре­буется произвести обмен информации с каким-либо устройством. Процессор выставляет на шину адреса адрес порта внешнего устрой­ства или ячейки памяти и устанавливает управляющие сигналы, по­казывающие, какой тип обмена и с каким устройством или памятью он собирается произвести. На втором такте работы процессор ожи­дает от устройства сигнала о его готовности к приему или передаче информации. Второй такт может повторяться бесконечное число раз, пока не будет получен сигнал о готовности устройства. На третьем такте процессор выставляет на шину данных передаваемую инфор­мацию при записи или открывает шину данных для приема инфор­мации. На четвертом такте происходит обмен информацией, и ра­бота протокола передачи заканчивается.

Несмотря на то, что производители компьютеров постоянно предлагают новые варианты протоколов работы общих шин, кото­рые обеспечивают более высокую производительность операций об­мена информацией, ее пропускная способность оказывается недоста­точной для обеспечения данными таких высокопроизводительных функциональных узлов, как центральный процессор, и некоторых внешних устройств, таких, например, как видеоподсистема с высоким качеством отображения. Поэтому разработчики предлагают включать в состав компьютера дополнительные шины, связывающих напрямую центральный процессор и отдельные наиболее быстродей­ствующие устройства. Такие шины получили название локальных шин. На рис. 2.12 локальные шины используются для подключения к про­цессору запоминающего устройства и видеоконтроллера.

Ниже приведены обозначения и основные характеристики общих и локальных шин, применяемых в персональных компьютерах фир­мы 1ВМ.

Общая шина РСI (Peripheral Component Interconnect) применяет­ся в настольных компьютерах, в настоящее время используется мо­дификация РСI 2.1. Тактовая частота контроллера этой шины 66 МГц, ширина шины адреса - 32, а шины данных — 64 разряда. Пиковая пропускная способность шины РСI 2.1 528 Мбайт/С.

Общая шина PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) применяется в переносных компьютерах класса ноутбук и имеет параметры, сравнимые с параметрами шины РСI.

Локальная шина для подключения видеоконтроллера АGР (Accelerated Graphics Port) позволяет организовать непосредственную связь видеоконтроллера и оперативного запоминающего устройства. Она ориентирована на массовую передачу видеоданных. Имеет конвей­ерную организацию выполнения операций чтения/записи, что позво­ляет избежать задержек при обращении к модулям памяти. За один такт работы может передать два, четыре или восемь блоков данных, в зависимости от установленного режима работы. При установке ре­жима параллельной передачи восьми блоков обеспечивает пиковую скорость передачи 2112 Мбайт/С.

2.7.4. Внешние запоминающие устройства

В отличие от оперативного запоминающего устройства, внешние запоминающие устройства (ВЗУ) обладают большим объемом сохра­няемой информации и являются энергонезависимыми. Наибольшее распространение в настоящее время получили дисковые ВЗУ, кото­рые, в зависимости от типа носителя, можно разделить на магнит­ные, оптические и смешанные.