Жмакин А.П. Архитектура ЭВМ (2006) (1186252), страница 21

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 21)

5.3.2. Сегментная организация памяти

До сих пор предполагалось, что виртуальная память, которой располагает программист, представляет собой непрерывный массив с единой нумерацией слов. Однако при написании программы удобно располагать несколькими независимыми сегментами (кода, данных, подпрограмм, стека и др.), причем размеры сегментов, как правило, заранее не известны. В каждом сегменте слова нумеруются с нуля независимо от других сегментов. В этом случае виртуальный адрес представляется состоящим из трех частей: <номер сег-мента> <номер страницы> <номер слова>. В машине к виртуальному адресу может добавиться слева еще <номер задачи>. Таким образом, возникает определенная иерархия полей виртуального адреса, которой соответствует иерархия таблиц, с помощью которых виртуальный адрес переводится в фи­зический. В конкретных системах может отсутствовать тот или иной элемент иерархии.

Виртуальная память была первоначально реализована на "больших" ЭВМ, однако по мере развития микропроцессоров в них так же использовались идеи страничной и сегментной организации памяти.

Интегральная технология (ИТ) за первые 20—30 лет своего развития достиг­ла таких относительных темпов роста характеристик качества, которых не знала ни одна область человеческой деятельности (включая и такие бурно растущие, как авиация и космонавтика). Действительно, рассмотрим динами­ку изменений основных параметров ИТ за первые 20 лет ее развития (1960— 1980 гг.):

□ степень интеграции N увеличилась на 5—6 порядков;

□ площадь транзистора 5" уменьшилась на 3 порядка;

□ рабочая частота / увеличилась на 1—3 порядка;

□ факторы добротности:

• / х N увеличился на 5—7 порядков;

• Pxt уменьшился на 4 порядка, где t — задержка на элементе, Р — мощность, рассеиваемая элементом;

□ надежность (при сопоставлении элементо-часов) увеличилась на 4—8 по­рядков;

□ производительность технологии (в транзисторах) увеличилась на 4—6 по­рядков;

□ цена на транзистор в составе ИС уменьшилась на 2—4 порядка.

Американцы подсчитали, что если бы авиапромышленность в те же годы имела аналогичные темпы роста соответствующих показателей качества (стоимость — скорость — расход топлива = стоимость — быстродействие — рассеиваемая мощность), то "Боинг 767" стоил бы $500, облетал земной шар за 20 мин и расходовал на этот полет 10 л горючего.

Успехи ИТ в области элементной базы позволяли "поглощать" кристаллом все более высокие уровни ЭВМ: сначала — логические элементы, потом — операционные элементы (регистры, счетчики, дешифраторы и т. д.), далее — операционные устройства. Степень функциональной сложности, достигнутой в ИС, определяется особенностью технологии, разрешающей способностью инструмента, а также структурными особенностями схемы: регулярностью, связностью.

Под регулярностью схемы здесь будем понимать степень повторяемости эле­ментов и связей по одной или двум координатам (при размещении структуры на плоскости). Связность — число внешних выводов схемы.

Кроме того, следует иметь в виду, что выпуск ИС был экономически оправ­дан лишь для функционально универсальных схем, обеспечивающих их дос­таточно большой тираж.

С этой точки зрения интересно взглянуть на соотношение ИС логики и памя­ти в процессе эволюции ИС — СИС — БИС — СБИС. Первые ИС (степень интеграции jV ~ 10¹) были исключительно логическими элементами. При достижении N примерно 10² стали появляться, наряду с операционными элементами, первые элементы памяти объемом в 16 — 64 — 128 битов. По мере дальнейшего роста степени интеграции память стала быстро опере­жать "логику", т. к. по всем трем параметрам (регулярность, связность, ти­раж) имела перед логическими схемами преимущество. Действительно, структура накопителя ЗУ существенно регулярна (повторяемость элементов и связей по двум координатам), связность ее растет пропорционально лога­рифму объема (при увеличении объема памяти вдвое и сохранении без изме­нения способа доступа в БИС достаточно добавить лишь один вывод). Нако­нец, память "нужна всем" и "чем больше, тем лучше", особенно если "боль­ше, но за ту же (почти) цену".

Что касается ИС логики, то на уровне N ~\0³ на кристалле можно уже раз­мещать устройство ЦВМ (например, АЛУ, ЦУУ), но схемы логики (особенно управление) существенно нерегулярны, их связность (сильно зависящая от конкретной схемы) растет примерно пропорционально N, причем такие схе­мы, как правило, не являлись универсальными и не могли выпускаться боль­шими тиражами (исключения в то время — БИС часов и калькуляторов). Разработка первого микропроцессора (МП) — попытка создать универсаль­ную логическую БИС, которая настраивается на выполнение конкретной функции после изготовления средствами программирования. На подобную БИС — МП первоначально предполагалось возложить лишь достаточно про­извольные управляющие функции, однако позже МП стал использоваться как элементная база ЦВМ четвертого и последующих поколений. Появление МП вызвало необходимость разработки целого спектра универсальных логиче­ских БИС, обслуживающих МП: контроллеры прерываний и прямого доступа в память (ПДП), шинные формирователи, порты ввода/вывода и др.

Первый МП был разработан фирмой Intel и выпущен в 1971 г. на основе р-МОП-технологии (i4004). В 1972 и 1973 годах этой же фирмой были выпу­щены модели i4040, i8008. Эти микропроцессоры относились к т. н. первому поколению, обладали весьма ограниченными функциональными возможно­стями и очень быстро были вытеснены вторым поколением, которое было реализовано на основе n-МОП-технологии, что позволило, прежде всего, поднять тактовую частоту примерно на порядок относительно микропроцес­соров первого поколения. Кроме того, прогресс интегральной технологии по­зволил повысить степень интеграции транзисторов на кристалле, а следова­тельно, увеличить сложность схемы.

Микропроцессоры второго поколения, самым распространенным из которого был выпущенный в 1974 г. i8080 (отечественный аналог— К580ВМ80), от личались достаточно развитой системой команд, наличием подсистем преры­вания, прямого доступа в память, снабжался достаточным числом вспомога­тельных БИС, обеспечивающих управление памятью, параллельный и после­довательный обмен с внешними устройствами, реализацию векторных пре­рываний, ПДП и др.

Многие идеи, заложенные в архитектуру систем на базе 8-разрядного микро­процессора i8080, неизменными используются и в современных мощных мик­ропроцессорах.

Постоянное стремление к увеличению быстродействия ЭВМ привело разра­ботчиков микропроцессоров "на поле" биполярной интегральной технологии, прежде всего — ТТЛ, где были выпущены микропроцессоры, отнесенные к третьему поколению, причем архитектура этих микропроцессоров сущест­венно отличалась от их предшественников.

Известно, что для любого электронного прибора справедливо соотношение:

АР • А/ = const,

где АР — энергия переключения, At — время переключения. ТТЛ-транзисторы в составе ИС обладали (в то время) на порядок большим (по сравнению с n-МОП) быстродействием и соответственно на порядок большим потреблением мощности. Технологические трудности в то время не позволяли широко использовать активные способы отвода тепла от кристал­ла, поэтому единственный способ сохранения работоспособности кристалла в этих условиях — снижение степени интеграции.

Первый из выпущенных микропроцессоров третьего поколения — i3000 был двухразрядным! Очевидно, сохранение в этом случае традиционной архитек­туры, характерной для микропроцессоров второго поколения, не привело бы к увеличению производительности системы, несмотря на то, что тактовая частота кристалла увеличивалась значительно (на порядок). Решение этой проблемы повлекло значительные структурные изменения в микропроцессорах третьего поколения по сравнению со вторым:

□ микропроцессоры выпускались в виде секций со средствами межразряд­ных связей, позволяющими объединять в одну систему произвольное чис­ло секций для достижения заданной разрядности. В состав секций вклю­чалось АЛУ, РОН и некоторые элементы устройства управления;

□ устройство управления выносилось на отдельный кристалл (группу кри­сталлов), общий для всех процессорных секций;

□ за счет резерва внешних выводов (малая разрядность) предусматривались отдельные шины адреса, ввода и вывода данных, причем данные от раз­ных источников вводились по различным шинам;

□ кристаллы управления представляли собой управляющий автомат с про­граммируемой логикой, что позволяет достаточно легко реализовать прак­тически любую систему команд на фиксированной структуре операцион­ного устройства.

Таким образом, разработчики систем на базе микропроцессоров третьего по­коления получали две "дополнительные степени свободы" — возможность иыбрать произвольную разрядность процессора (кратную разрядности сек­ции) и самостоятельно реализовать практически произвольную систему команд, оптимизированную для решения задач конкретного класса. Поскольку микропроцессор в такой архитектуре размещался на нескольких кристаллах БИС: арифметико-логические секции, схемы управления вместе с ЬИС памяти микрокоманд, вспомогательные БИС (например, схемы ускорен­ного распространения переноса для АЛС) и др., то подобные микропроцессо­ры стали называть многокристальными, в отличие от однокристальных мик­ропроцессоров второго поколения.

Очевидно и то, что разработка систем на многокристальных микропроцессо­рах требовала значительно больших усилий, времени и квалификации разра­ботчиков, по сравнению с разработкой системы на "готовых" микропроцес­сорах второго поколения с фиксированной структурой и системой команд. В конце 70-х и начале 80-х годов прошлого века значительное число отечест­венных и зарубежных фирм разрабатывали и выпускали серии БИС много­кристальных микропроцессоров, причем разрядность секций постепенно уве­личивалась до 4, 8 и даже 16 битов.

К тому времени технология уже не являлась решающим фактором классифи­кации МП, ибо появились разновидности технологий одного типа, обеспечи­вающие очень широкий спектр характеристик МП, широкое распространение получили комбинированные технологии (например, И Л + ТТЛШ). Поэтому многокристальные МП выпускались как по биполярной, так и по МДП-технологиям.

Одной из наиболее удачных разработок этого направления можно считать комплект БИС серии Ат2900 фирмы AMD и близкую ему по архитектуре отечественную серию К1804 [13].

Параллельно интенсивно развивалась архитектура однокристальных микро­процессоров, наиболее характерным представителем которой можно считать семейство х86 фирмы Intel. Развитие этого направления отличал безудерж­ный рост производительности процессоров, обусловленный увеличением разрядности процессоров, тактовой частоты, реализацией параллелизма на всех уровнях работы процессора и применением других архитектурных ре­шений, характерных ранее для "больших" ЭВМ.

Быстро возрастающие возможности микропроцессоров позволяли "захваты­вать" в область цифровой обработки информации все новые сферы человеческой деятельности (достаточно вспомнить появление и распространение пер­сональных ЭВМ).

Однако в сфере применения микропроцессоров всегда существовали задачи, для решения которых не требовалась высокая производительность процессо­ра (например, управление несложным инерционным технологическим обору­дованием, бытовыми приборами). В этих случаях на первый план выступали такие параметры, как надежность, простота реализации (стоимость). Для ре­шения таких задач использование мощных однокристальных микропроцессо­ров становилось существенно избыточным.

Возрастающие возможности технологии в этом случае использовались не для увеличения производительности процессора, а для размещения на кристалле, наряду с относительно простым процессором, тех устройств, которые в тра­диционной архитектуре располагались на плате рядом с микропроцессоров в виде отдельных БИС (СИС): тактовый генератор, ПЗУ, ОЗУ, порты парал­лельного и последовательного обмена, контроллер прерываний, таймеры и др.

Таким образом, были получены полностью "самодостаточные" однокри­стальные микроЭВМ (ОМЭВМ). Это направление стало интенсивно разви­ваться, вначале на базе 8-разрядной архитектуры. Наиболее популярными из них можно считать ОМЭВМ семейств MCS-51 фирмы Intel, МС68НС11 фир­мы Motorola, PIC 16 и PIC 18 фирмы Microchip.

По мере развития на кристаллах ОМЭВМ стали, помимо перечисленных вы­ше устройств, размещать аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразо­ватели, блоки энергонезависимой памяти (EEPROM), сложные таймерные системы, схемы управления специализированными ВУ (например, семисег-ментной индикацией) и др.

Дальнейшее развитие технологии привело к появлению 16- и даже 32-раз­рядных однокристальных микроЭВМ (наиболее известные — от фирмы Motorola), включающих, наряду с мощным центральным процессором, спе­циализированные процессоры — таймерный и ввода/вывода, работающие независимо от центрального, широкий набор блоков памяти и внешних уст­ройств. Модульность архитектуры кристалла ОМЭВМ позволяет в рамках одного семейства варьировать в широких пределах набор параметров кри­сталла: состав и объем блоков памяти, набор внешних устройств и даже тип помещаемого на кристалл центрального процессора.

Таким образом, пользователю предоставляется возможность выбора в очень широких пределах архитектуры и параметров ОМЭВМ. При этом он получа­ет "готовую" ЭВМ, не требующую схемотехнических и архитектурных дора­боток. В итоге современные ОМЭВМ практически полностью заняли ту ни­шу, в которой долгое время существовали многокристальные микропроцес­соры.

ГЛАВА 6

Базовая архитектура микропроцессорной системы

Пожалуй, наиболее популярными в мире (и в нашей стране) являлись и явл ются однокристальные микропроцессоры семейства x86 фирмы Intel. Семей­ство берет свое начало от первого 8-разрядного микропроцессора i8080 (оте­чественный аналог— К580ВМ80) и включает 16- и 32-разрядные микропро­цессоры i8086, i80286, i80386, i80486, Pentium,Pentium 4. Схемотехнические решения систем на i8080 можно было бы считать базовы­ми, но его система команд значительно отличается от языка старших моделей микропроцессоров семейства. Поэтому "родоначальником" семейства приня­то считать первый 16-разрядный микропроцессор— i8086 (отечественный аналог — К1810ВМ86), на котором, кстати, были реализованы персональные ЭВМ IBM PC XT.

Характеристики

Список файлов книги