Э. Таненбаум - Архитектура компьютера (1127755), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Поэтому некогда безудержный рост тактовой частоты, вероятно, на некоторое время поуспокоится — по крайней мере, до того момента, когда инженеры 1псе! придумают эффективный способ отвода тепла. В планах 1пге! теперь другие новации — компания планирует разместить на одной микросхеме два процессора и снабдить ее общим кэшем большого объема. Поскольку величина энергопотребления определяется напряжением и тактовой частотой, два процессора на одной схеме потребляют значительно меньше энергии, чем один, работающий на аналогичной скорости.
Таким образом, действие закона Мура может в будущем перейти с повышения тактовых частот на увеличение объема встроенных в микросхемы кэшей (действительно — ведь уровень энергопотребления модулей памяти заметно ниже, чем процессоров!). Реп1вв 4 100М 10М 3, 1М Ь о й 100К 10К о в 1К 100 Б 10 1 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 Год выпуска Рис. 1.9. Закон Мура действителен и для процессоров Знакомство с микросхемой 01тгавРАВС Ш В 70-х годах во многих университетах была очень популярна операционная система ()М1Х, но персональные компьютеры не подходили для этой операционной системы, поэтому любителям 13!т!1Х приходилось работать на мини-компьютерах с разделением времени, таких как Р()Р-11 и тгЛХ.
Энди Бехтольсхайм (Апт!у Вес!тго!з!тепп), аспирант Стенфордского университета, был очень расстроен тем, что ему приходится посещать компьютерный центр, чтобы работать с (Лт!1Х. В 1981 году он разрешил проблему, самостоятельно построив персональную рабочую станцию БХ1Х из стандартных частей, имеющихся в продаже, и назвал ее Я)Х-1 (Вгап1огт! (Зп!уегз!ту Хегтуог!с — сеть Стенфордского университета). 60 Глава !. Введение На Бехтольсхайма скоро обратил внимание Винод Косла (Ыпог( КЬоз1а), 27-летний индиец, который горел желанием годам к 30 стать миллионером и уйти от дел.
Косла предложил Бехтольсхайму организовать компанию по производству рабочих станций Япп. Он нанял Скота МакНили (Бсогг МсХеа1у), другого аспиранта Стэнфордского университета, чтобы тот возглавил производство. Для написания программного обеспечения они наняли Билла Джоя (В(!1 1оу), основного создателя системы ПХ1Х. В 1982 году они вчетвером основали компанию Бип М1сгозузгешз. Первый компьютер компании, Бпп-1, был оснащен процессором Могого!а 68020 и имел большой успех, как и последующие модели Бпп-2 и Бип-3, также сконструированные с использованием микропроцессоров Могого1а. Эти машины были гораздо мощнее, чем другие персональные компьютеры того времени (отсюда и название — «рабочая станцияь), и изначально предназначались для работы в сети. Каждая рабочая станция Бип была оснащена сетевым адаптером ЕгЬегпег и программным обеспечением ТСР/1Р для связи с сетью АКРАХЕТ, предшественницей Интернета.
В 1987 году компания Бип, которая к тому времени продавала рабочих станций на полмиллиарда долларов в год, решила разработать собственный процессор, основанный на новом революционном проекте калифорнийского университета в Беркли (К1ЯС П). Этот процессор назывался БРАКС (Яса!аЫе Ргосеззог АКСйесгиге — наращиваемая архитектура процессора). Он был использован при производстве рабочей станции Бип-4. Через некоторое время все рабочие станции компании Бпп стали производиться на основе этого процессора. В отличие от многих других компьютерных компаний, компания Япп решила не заниматься производством процессоров БРАКС.
Вместо этого она предоставила лицензии на их изготовление нескольким предприятиям, надеясь, что конкуренция между ними повлечет за собой повышение качества продукции и снижение цен. Эти предприятия выпустили несколько разных микросхем, основанных на разных технологиях, работающих с разной скоростью и отличающихся друг от друга по стоимости. Микросхемы назывались М!сгоБРАКС, НурегЯРАКК, БирегБРАКК и ТпгЬоБРАКК. Мало чем отличаясь друг от друга, все они были совместимы и могли выполнять одни и те же программы, которые не приходилось изменять.
Компания Япп всегда хотела, чтобы разные предприятия поставляли для БРАКС составные части и системы. Нужно было построить целую индустрию, только в этом случае можно было конкурировать с компанией 1пге!, лидирующей на рынке персональных компьютеров. Чтобы завоевать доверие компаний, которые были заинтересованы в производстве процессоров БРАКС, но не хотели вкладывать средства в продукцию, угрожающую интересам 1пге1, компания Бип создала промышленный консорциум БРАКС 1пгегпабопа! для руководства развитием будущих версий архитектуры БРАКС.
Важно различать архитектуру БРАКС, которая представляет собой набор команд, и собственно исполнение этих команд. В этой книге мы будем говорить и об общей архитектуре БРАКС, и о процессоре, используемом в рабочей станции БРАКС (предварительно обсудив процессоры в главах 3 и 4). Первый компьютер БРАКС был 32-разрядным и работал на частоте 36 МГц. Центральный процессор назывался 1Н (1пгейег ()шг — блок целочисленной Семейства компьютеров 61 арифметики) и был весьма посредственным. У него имелось только три основных формата команд и в общей сложности всего 55 команд. С появлением процессора с плавающей точкой добавилось еше 14 команд. Отметим, что компания 1пге! начала с 8- и 16-разрядных микросхем (модели 8088, 8086, 80286), а уже потом перешла на 32-разрядные (модель 80386), а компания Бпп, в отличие от !пге), сразу начала с 32-разрядных.
Грандиозный перелом в развитии БРАКС произошел в 1995 году, когда была разработана 64-разрядная версия (версия 9) с адресами и регистрами по 64 бнт. Первой рабочей станцией с такой архитектурой стал процессор 11!1гаЯРАКС 1, вышедший в свет в 1995 году. Он был полностью совместим с 32-разрядными версиями БРАКС, хотя сам был 64-разрядным. В то время как предыдущие машины работали с символьными н числовыми данными и были приспособлены для выполнения программ уровня текстовых процессоров и редакторов электронных таблиц, ШсгаБРАКС с самого начала был предназначен для работы с изображениями, аудио, видео и вообще мультимедиа.
Среди нововведений, помимо 64-разрядной архитектурьк появились 23 новые команды, в том числе команды для упаковки и распаковки пикселов из 64-разрядных слов, масштабирования и врашения изображений, перемещения блоков, а также для компрессии и декомпрессии видео в реальном времени. Эти команды назывались У18 (Н1зпа! !пзггпсг1оп Бег — набор команд для работы с визуальными данными) и предназначались для поддержки мультимедиа. Они были аналогичны ММХ-командам. Процессор Лгга5РАКС предназначался для веб-серверов с десятками процессоров и физической памятью до 2 Тбайт (1 терабайт = 10м байт).
Тем не менее некоторые версии П!ггаЯРАКС могут использоваться и в ноутбуках. За ШтгаЯРАКС 1 последовали ИггаБРАКС П, 1Л1гаЯРАКС П1 и Итга8РАКС 1Н. Эти модели отличались друг от друга по скорости, и у каждой из них появлялись какие-то новые особенности. Рассуждая об архитектуре 5РАКС в последующих главах этой книги, мы будем в основном иметь в виду 64-разрядную версию процессора У!тгаБРАКС 1П Сп (версия 9).
Модель 11!ггаЯРАКС !Н представляет собой двухпроцессорный комплекс, где два процессора Игга5РАКС П1 размещены на одной микросхеме с обшим кэшем. Мы вернемся к этой модели в главе 8, посвященной мультипроцессорным системам. Знакомство с микросхемой 8051 Третий пример разительно отличается и от первого (Репг1пгп 4 лля персональных компьютеров), и от второго (П!ггаЯРАКС П1 для серверов).
Микросхема 8051 применяется во встроенных системах. Ее история началась в 1976 году— к тому моменту уже в течение двух лет на рынке доминировала 8-разрядная модель 8080. Производители бытовых устройств к тому времени практиковали разработку приборов под управлением 8080, однако для этого требовался процессор 8080, один или несколько модулей памяти и, опять же, одна или несколько микросхем ввода-вывода. Совокупная стоимость трех (как минимум) микросхем и затраты, связанные с их соединением, были весьма велики, в связи с чем эти решения применялись только в сложных и дорогих устройствах.
Таким образом, 62 Глава 1. Введение со стороны производителей бытовых приборов сформировался спрос на микросхемы, совмещающие блоки процессора памяти и ввода-вывода, который компания 1пге1 не замедлила удовлетворить. В результате появилась модель 8748 — микроконтроллер на основе 1? 000 транзисторов, состоящий из процессора наподобие 8080, постоянной памяти емкостью 1 Кбайт для размещения программы, оперативной памяти на 64 байт для размещения переменных, 8-разрядного таймера и 27 шин ввода-вывода, управляющих переключателями, кнопками и световыми индикаторами.
Несмотря на вопиющую простоту выполнения, микросхема пользовалась коммерческим успехом, что побудило 1пге1 выпустить в 1980 году новую модель — 8051. В ней были предусмотрены 60 000 транзисторов, значительно более быстрый, чем в 8748, процессор, 4 Кбайт постоянной и 128 байт оперативной памяти, 32 шины ввода-вывода, последовательный порт и два 16-разрядных таймера. Вскоре вышли и другие модификации микросхемы, сформировавшие семейство микроконтроллеров МЯС-51 (табл. 1.5).
Таблица 1.5. Члены семейства МВС-51 Микроохема Память Тип памяти НАМ Таймеры Прерывания программ, Кбайт 8031 128 128 йОМ 8051 ЕРЯОМ 128 875! 8032 256 8052 ЙОМ 256 256 ЕРНОМ 8752 Все упомянутые микросхемы снабжались модулями постоянной памяти для программ и (в небольших объемах) оперативной памяти (Вапг1ош Ассов Мепюгу, ВАМ) для данных. В моделях 8031 и 8032 память программ была внешней, что позволяло при необходимости превысить порог 8 Кбюгг. Типы памяти КОМ (Кеаг1-Оп!у Мешогу — постоянная память) и ЕРВОМ (ЕгазаЫе РгойгапппаЫе КОМ вЂ” стираемая программируемая постоянная память) мы рассмотрим в главе 3.
Пока что достаточно определить модели 8051 и 8052 как микроконтроллеры на одной микросхеме, предназначенные для установки в бытовых приборах. Каждая партия выполняется по индивидуальным спецификациям заказчика (производителя бытовых устройств) и снабжается его программным обеспечением. Для создания этого самого программного обеспечения заказчику нужна система разработки. Эту проблему решают модели 8751 и 8752. Значительно превосходя по цене 8051 и 8052, они предусматривают возможность тестирования программного обеспечения заказчика. В случае обнаружения в коде ошибки программу можно стереть путем ультрафиолетового облучения микросхемы.
Впоследствии, после устранения ошибок, программу можно записать заново. Когда ПО признается полностью готовым, оно передается производителю микросхем, который изготавливает специальные версии моделей 8051 и 8052 с прошитым кодом. Семейства компьютеров 63 По своей архитектуре, интерфейсам и методам программирования все члены семейства МСЯ-51 очень схожи, поэтому обобщенно назовем их «8051гч при необходимости указывая на специфику той или иной микросхемы. Быть может, кому-то покажется, что приводить в качестве примера 8-разрядную микросхему, выпущенную больше 20 лет назад, не слишком разумно. Однако на то есть веские причины. Годовой объем продаж микроконтроллеров в настоящее время достигает 8 миллиардов в год, и эта цифра продолжает расти. Процессоров Репб нш за год продается на несколько порядков меньше.
При этом лишь в 2001 году 8-разрядные микропроцессоры стали продаваться лучше 4-разрядных. Сегодня по объему продаж 8-разрядные микроконтроллеры превосходят все осталъные категории микроконтроллеров вместе взятые, а семейство МСЯ-51 из них наиболее популярно. С учетом того, что важность встроенных систем постоянно растет, любому, кто желает изучить архитектуру компьютеров, следует познакомиться с устройством соответствуюших микросхем.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
