Меркулов В.И., Дрогалин В.В. Авиационные системы радиоуправления. Том 2 (2003) (1151998), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Следует сказать, что платой за предоставление гибкости программирования является увеличение времени исполнения программ. В качестве примера на рис. 9.4 показана обобщенная архитектура простейшего компьютера с системной шиной РС1 (РепрЬега! Солзропеп1 1п1егсоппес1 — межсоединение периферийных компонент). Различные шины в этой архитектуре соединяют компьютерную систему в единое целое. При этом применяется многоуровневая структура шин (интерфейсов) разной производительности. Основным недостатком одноуровневых интерфейсов является единая магистраль„работающая в режиме с разделением времени, что является причиной конфликтов при распределении ресурсов (магистралей, памяти, устройств ввода-вывода и др.). Достаточно эффективным способом повышения пропускной способности интерфейса является многоуровневая организация, при которой кроме основной параллельной системной магистрали вводится несколько дополнительных, ориентированных на работу с определенными классами устройств.
В этом случае суммарная пропускная способность интерфейса увеличивается. Ключевыми компонентами данной архитектуры являются мосты между шинами. Мост зто устройство, обеспечивающее динамическое соединение двух (или более) различных по производительности и логике работы шин (интерфейсов) для передачи данных в одинаковых или различных форматах данных. 119 Мост РС1-РС! связывает одну шину РС1 с другой шиной РС1 (расширение). Мост РС1-1ЯА связывает шину РС! с шиной БА (1пдцзггу Б!апдагд Агсййесшге — стандартная промышленная архитектура), к которой могут быть подключены принтер, модем и др. Мост РС1-ЗСБ! (Бша!! Сошршег Яуз!ет 1пгегГасе — интерфейс малых компьютерных систем) служит для подключения высокоскоростных устройств ввода- вывода (ЯСЯ-дисков, магнитных лент и т.п.). Работа с монитором обеспечивается графическим адаптером (сопрягающим устройством).
Мост РС1-ЧМЕ связывает шину РС! с шиной ЧМЕ (ЧегваЪиз Мобп1е ЕигореЪпз). Для взаимодействия с низкоскоростными устройствами ввода- вывода (например, мыши и клавиатуры) применяется шина ()БВ (()пй чегза! Бег(а1 Впв — универсальная последовательная шина), которая сейчас широко используется в персональных компьютерах. Из архитектуры компьютера, показанного на рис.
9.4, видно, что реализация значительных потенциальных возможностей современных микропроцессоров зависит от их окружения (интегральных микросхем и других радиоэлементов), которое осуществляет электрическую и логическую связи процессора и остальных частей системы компьютера, оказывая влияние на общую производительность. Специализированный набор микросхем системной логики называют чипсетом (сЪ!рзег), его внутренняя структура и функциональные возможности должны быть тесно увязаны с особенностями архитектуры конкретных вариантов микропроцессоров, на работу с которыми они ориентированы.
Кроме того, такой набор создается с учетом различных конфигураций компьютеров и возможного разнообразия решаемых задач. Разработка и производство чипсетов является сложной научнотехнической задачей, с которой могут справиться только мощные фирмы, владеющие новейшими компьютерными технологиями. Потенциальные возможности чипсетов могут быть реализованы только в составе соответствующей материнской платы, от архитектуры которой в значительной степени зависит окончательный набор функций, который может быть уже или шире того, что определено архитектурой чипсета.
9.3.2. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРЫ Основу процессорных модулей в настоящее время составляет микропроцессор (МП). Он представляет собой обрабатывающее устройство, служащее для выполнения арифметических и логических операций над данными, для обращения к оперативной памяти и внешним устройствам и для управления ходом вычислительного процесса. В настоящее время существует большое число разновидностей МП, различающихся назначением, функциональными возможностями (архитектурой),структурой и реализацией.
121 Наибольшей специализацией и разнообразием функций обладают микроконтроллеры-управляющие устройства, выполняющие функции логического анализа и управления, Аппаратная сложность микроконтроллеров по сравнению с МП ниже, а функции логического управления более развиты. Современные технологии, обеспечивающие создание большого числа транзисторов (млн.
штук) на кристалле, позволяют производить МП в виде законченного устройства, заключенного в один корпус (сверхбольшую интегральную схему — СБИС). Различные выполняемые функции и сферы применения обусловили специализацию таких СБИС: МП для универсальной обработки данных и МП для цифровой обработки сигналов (ЦОС). Универсальные МП предназначаются для применения в универсальных вычислительных системах, в том числе, персональных компьютерах, в рабочих станциях и массово-параллельных ЭВМ. Основной их характеристикой является наличие развитых устройств для эффективной реализации операций с плавающей точкой над 32, 64 разрядными и более длинными операндами. Цифровые сигнальные процессоры рассчитаны на обработку в реальном времени цифровых данных, образованных путем оцифровывания аналоговых сигналов (см. уровни обработки, рис.
9.1). Это обусловливало их сравнительно малую разрядность и преимущественно целочисленную обработку. Однако современные сигнальные процессоры способны производить вычисления с плавающей точкой над 32-40- разрядными операндами. Многие годы основной тенденцией в разработке новых компьютеров было усложнение универсального процессора — расширение системы команд, набора режимов адресации, увеличение количества специализированных регистров и т.д. Это так называемая С1БС-архитектура (Сошр!ех 1лзпцсбоп Яе~ Сопзршег), компьютер со сложным набором команд. Однако анализ программ, написанных на языках высокого уровня, создал предпосылки для разработки нового типа архитектуры процессоров-К!ЯС-архитектуры (Кеопсес( 1пв1гцс1(оп Зе1 Сопзри~ег), компьютеров с сокращенным набором команд.
Результаты этих исследований и определили ключевые характеристики К(БС-процессоров: небольшое количество команд фиксированного формата, большое количество регистров и применение компиляторов, оптимизирующих использование регистров, с упором на рациональную организацию работы конвейера операций. Сокращение набора команд уже создает достаточно хорошие предпосылки для повышения эффективности работы конвейера, поскольку алгоритм выполнения команд становится более регулярным и лучше предсказуемым. Кроме того, ИБС-архитектура лучше подходит для применения технологии задержанного выполнения команд и пере- компоновки других команд в программе, что также повышает эффективность работы конвейера.
Здесь следует отметить следующие реализованные важные направления в области архитектуры и структурной организации современных компьютерных систем, основанные на: 1) концепции семейства машин, которая предусматривает определенное дистанцирование архитектуры компьютера от его структурной и схемной реализации, в рамках которой потребителю предлагается функциональный ряд компьютеров, разных по производительности и стоимости, но имеющих одинаковую архитектуру; 2) микропрогральином улравлениц, облегчающим разработку и упрощающим структуру устройства управления процессором, и хорошо сочетающимся с концепцией семейства компьютеров; 3) применении кэш-лцмялш — промежуточной быстродействующей памяти, включенной между процессором и главной оперативной памятью, входящей в иерархию уровней памяти компьютера и позволившей существенно повысить его производительность; 4) конвейерной организации, позволившей на практике реализовать принцип совмещения операций при последовательной обработке команд программы (примерами служит конвейер выполнения машинных команд и векторная обработка).
При реализации конвейера команд происходит совмещение работы различных стадий их исполнения (выборки команды, декодирования, выборки операндов и т.д.). Могут быть использованы сразу два конвейера для двух одновременно выбираемых и исполняемых команд. Но в этом случае, как и в случае с одним конвейером, нужно следить за тем, чтобы эти две команды не конфликтовали друг с другом при использовании ресурсов (например„регистров), и ни одна из них не должна зависеть от результата выполнения другой. Это делает либо компилятор, либо дополнительное аппаратное обеспечение. Можно еще увеличить число конвейеров, но это требует громоздкого аппаратного обеспечения.
Вместо этого используется один конвейер с большим количеством функциональных блоков (несколько арифметико-логических устройств, блоков загрузки и др.). Такие системы часто называют суперскалярными. В табл. 9.1 для сравнения приведены характеристики некоторых процессоров С18С-, К1БС- и суперскалярной архитектуры. 123 Таб/!нца 9.1 Суперскалярные системы К1БС-системы С13С-системы Параметр Рожсг !ВМ 370/! 68 ЧАХ 11/780 !и!с! 30486 БРАКС М1РБ К4000 13 йщ БРАКС М1РБ К!ОООО Год разработки 1979 1978 1987 1991 1993 1996 1996 Количество команд в наборе 203 303 235 69 94 225 Размер команды, байт 2-57 Количество режимов адресации 22 Количество универсаль- ных регистров 40-520 40-520 32 16 32 32 16 Размер управляющей памяти, Кбайт 420 480 246 Размер кзш-памяти, Кбайт 16-32 64 32 123 32 124 Переход на К1ЯС-архитектуру означает кардинальное изменение многих существующих взглядов на принципы построения процессоров.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
