Ответы, страница 3

Микропроцессор - самостоятельное, или входящее в состав ЭВМ устройство, выполненное на одной или нескольких больших интегральных схемах (БИС), осуществляющее обработку информации и управляющее этим процессом. Обычно микропроцессор содержит арифметико-логическое устройство (АЛУ), блок управления и синхронизации, локальную память (сверхоперативное запоминающее устройство), регистры и другие блоки, необходимые для выполнения вычислит, процесса.

Микропроцессор реализует такие функции, как выборку в предписанной программой последовательности, декодирование и управление выполнением команд, а также выполнение операций тестирования и преобразование данных. Таким образом, он организует и отчасти осуществляет заданную в виде программы последовательность действий - процесс, откуда и название - процессор, микропроцессор.

Конечно, микропроцессор работает не сам по себе, а в составе вычислительного устройства, куда также входят запоминающее устройство для хранения программ и данных и органы управления периферийным оборудованием. Все это может быть размещено и обычно размещается на одной плате с печатными электрическими соединениями, образуя так называемый одноплатный микрокомпьютер. Однако наряду с одноплатными, существуют микрокомпьютеры, выполненные на нескольких печатных платах, а также однокристальные микрокомпьютеры в виде большой интегральной схемы, на которой размещены процессор, память и некоторые средства управления периферией.

Многоплатная реализация характеризуется наибольшей гибкостью: можно варьировать и расширять набор контроллеров, наращивать память, подключать вспомогательные процессоры. Однокристальный микрокомпьютер наименее гибок, но обладает такими преимуществами как компактность, надежность, низкая стоимость.

Для автоматизированного контроля технического состояния специальных изделий и их составных частей на различных этапах жизненного цикла: этапах разработки, исследования, производства и эксплуатации в 1976 году была создана и до настоящего времени эксплуатируется агрегатированная испытательная система (АИС) ТАКТ51 (автоматизированный контрольный тестер). Управляющим ядром системы является блок вычислителя цифрового (БВЦ) ТАКТ51.51.000, построенный на базе малой цифровой вычислительной машины. Все остальные блоки по отношению к БВЦ являются периферийными. Они управляются блоком вычислителя цифрового, построены по одному принципу и содержат блоки местного управления и исполнительную часть.

Поколения электронных вычислительных машин

Основные принципы построения электронных вычислительных машин (ЭВМ), притом в весьма законченном виде, были высказаны еще в 1937 г. американским физиком болгарского происхождения Д.В. Атанасовым. Более того, он предпринял первую попытку спроектировать и построить электронный компьютер. Этот компьютер, названный позже "АВС", был практически закончен к 1942 г. Однако ввести его в эксплуатацию по разным причинам так и не удалось.

Первая ЭВМ заработала в 1945 г. Электронный интегратор и вычислитель (ЭНИАК) - так назвали первую ЭВМ ее создатели инженеры Маучли и Эккерт. Строилась машина при Пенсильванском университете (США) в обстановке глубокой секретности, и только после окончания войны в 1946 г. впервые состоялась публичная демонстрация ЭВМ.

В последующий период до 1955 г. происходило становление вычислительной техники. В это время определились основные принципы построения ЭВМ. Затем с периодичностью 5-7 лет происходил переход к ЭВМ принципиально новых типов, использующих более совершенную элементную базу, имеющих новую структуру, расширяющую их возможности и обеспечивающую большие удобства при работе с ними человека. В связи с этим появилось понятие поколение ЭВМ.

Для ЭВМ первого поколения (40-е - начало 50-х годов) характерны следующие признаки. Строились они на дискретных компонентах с использованием электровакуумных приборов, имели низкую надежность, в них применялись запоминающие устройства (ЗУ) на ультразвуковых линиях задержки и электронно-лучевых трубках. Ориентировались машины в основном на решение научно-технических задач, для которых характерны относительно небольшие объемы исходных данных и результатов решения.

В ЭВМ второго поколения (середина 50-х - 60-е годы) в качестве элементной базы применялись дискретные компоненты и полупроводниковые приборы (транзисторы и диоды), монтаж осуществлялся с использованием печатных плат, ЗУ выполнялись на тороидальных ферритовых сердечниках. Все это повысило быстродействие и надежность машин . В ЭВМ второго поколения обеспечивалась возможность обмена данными между ЭВМ и большим числом внешних устройств. ЭВМ стали успешно применяться и для решения экономических задач.

В ЭВМ третьего поколения (60-е годы) в качестве элементной базы используются интегральные микросхемы. Благодаря этому ЭВМ третьего поколения по сравнению с ЭВМ второго поколения имеют меньшие габаритные размеры и потребляемую мощность, большие быстродействие и надежность, широко применяются в самых разнообразных областях деятельности человека.

В ЭВМ четвертого поколения (70-е годы) в качестве элементной базы используются интегральные микросхемы высокой степени интеграции - большие интегральные схемы (БИС). С их помощью на одном кристалле можно создать устройства, содержащие тысячи и десятки тысяч транзисторов. Компактность узлов при использовании БИС позволяет строить ЭВМ с большим числом вычислительных устройств - процессоров (так называемые многопроцессорные вычислительные системы).

Трудно указать формальное отличие вычислительной системы (ВС) и ЭВМ. Вычислительную систему обычно отличает специализация, большая связь со средой, широкие вычислительные возможности. Так, очень часто в вычислительной системе используют не один процессор, а несколько, образуя тем самым многопроцессорную (мультипроцессорную) систему. Как правило, ВС используют для управления технологическим процессом в реальном масштабе времени, когда обработка информации должна производиться за время, не превышающее время течения самого процесса. От ВС в этом случае требуется много: большое быстродействие и высокий уровень надежности, чрезвычайная оперативность и "живучесть", т.е. способность выполнять возлагаемые на нее функции даже при выходе из строя каких-то элементов. Современные ЭВМ еще не обеспечивают выполнение этих требований, поэтому приходится создавать специализированные вычислительные системы.

К настоящему времени созданы и развиваются ЭВМ и вычислительные системы пятого поколения. Эти ЭВМ обладают высокой производительностью, компактностью и низкой стоимостью (эти характеристики улучшаются в каждом следующем поколении ЭВМ). Основная особенность ЭВМ пятого поколения состоит в их высокой интеллектуальности, обеспечивающей возможность общения человека с ЭВМ на естественном языке, способности ЭВМ к обучениюи т.д. Быстродействие ЭВМ пятого поколения достигает десятков и сотен миллиардов операций в секунду, они обладают памятью в сотни мегабайт и строятся на сверхбольших БИС, на кристалле которых размещаются миллионы транзисторов.

Общие сведения о процессорах

Как известно, процессор является основным вычислительным блоком компьютера, в наибольшей степени определяющим его мощь. Процессор является устройством, исполняющим программу - последовательность команд (инструкций), задуманную программистом и оформленную в виде модуля программного кода. Чтобы понять, что делает процессор, рассмотрим его в окружении системных компонентов IBM PC-совместимого компьютера. Этой компьютерной архитектурой, естественно, не ограничивается сфера применения процессоров.

Всем известный IBM PC-совместимый компьютер представляет собой реализацию так называемой фон-неймановской архитектуры вычислительных машин. Эта архитектура была представлена Джоном фон-Нейманом еще в 1945 году и имеет следующие основные признаки. Машина состоит из блока управления, арифметико-логического устройства (АЛУ), памяти и устройств ввода/вывода. В ней реализуется концепция хранимой программы: программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Выполняемые действия определяются блоком управления и АЛУ, которые вместе являются основой центрального процессора. Центральный процессор выбирает и исполняет команды из памяти последовательно, адрес очередной команды задается "счетчиком адреса" в блоке управления. Этот принцип исполнения называется последовательной передачей управления. Данные, с которыми работает программа, могут включать переменные - именованные области памяти, в которых сохраняются значения с целью дальнейшего использования в программе. Фон-неймановская архитектура - не единственный вариант построения ЭВМ, есть и другие, которые не соответствуют указанным принципам (например, потоковые машины). Однако подавляющее большинство современных компьютеров основано именно на этих принципах, включая и сложные многопроцессорные комплексы, которые можно рассматривать как объединение фон-неймановских машин . Конечно же, за более чем полувековую историю ЭВМ классическая архитектура прошла длинный путь развития .

В общем смысле под архитектурой процессора понимается его программная модель, то есть программно-видимые свойства. Под микроархитектурой понимается внутренняя реализация этой программной модели. Для одной и той же архитектуры разными фирмами и в разных поколениях применяются существенно различные микроархитектурные реализации, при этом, естественно, стремятся к максимальному повышению производительности (скорости исполнения программ).

Сейчас существует множество архитектур процессоров, которые делятся на две глобальные категории - RISC и CISC.

RISC - Reduced (Restricted) Instruction Set Computer - процессоры (компьютеры) с сокращенной системой команд. Эти процессоры обычно имеют набор однородных регистров универсального назначения, причем их число может быть большим. Система команд отличается относительной простотой, коды инструкций имеют четкую структуру, как правило, с фиксированной длиной. В результате аппаратная реализация такой архитектуры позволяет с небольшими затратами декодировать и выполнять эти инструкции за минимальное (в пределе 1) число тактов синхронизации. Определенные преимущества дает и унификация регистров.

CISC - Complete Instruction Set Computer - процессоры (компьютеры) с полным набором инструкций, к которым относится и семейство х86. Состав и назначение их регистров существенно неоднородны, широкий набор команд усложняет декодирование инструкций, на что расходуются аппаратные ресурсы. Возрастает число тактов, необходимое для выполнения инструкций.

Процессоры х86 имеют самую сложную в мире систему команд. Хорошо ли это, вопрос спорный, но груз совместимости с программным обеспечением для IBM PC, имеющим уже 20-летнюю историю, не позволяет расставаться с этим "наследием тяжелого прошлого". В процессорах семейства х86, начиная с 486, применяется комбинированная архитектура - CISC-процессор имеет RISC-ядро.

Различают следующие способы организации вычислительного процесса:

один поток команд - один поток данных (Simple Instruction - Simple Data, SISD) - характерно для традиционной фон-неймановской архитектуры (иногда вместо Simple пишут Single);

один поток команд - множественный поток данных (Simple Instruction - Multiple Data, SIMD) - технология MMX;