Водовозов В.М, Водовозов A.M. Введение в вычислительную технику и компьютерные технологии: Учебное пособие.-
Подождите немного. Документ загружается.
21
o
Арифметико-логическое устройство (arithmetic-logic unit) –
схема,
выполняющая различные арифметические и логические преобразования над
многоразрядными числами.
Последовательностные схемы содержат элементы памяти. Их реакция на
входные воздействия зависит от состояния ячеек памяти. Типовыми
последовательностными схемами являются
o
Триггер (trigger) -
элементарная ячейка памяти со схемами управления,
способная записать и сохранить один бит;
o
Регистр (register) -
набор триггеров, соединенных последовательно или
параллельно, предназначенный для записи и хранения нескольких бит;
o
Счетчик (counter) -
схема, осуществляющая подсчет двоичных символов.
2.3.Сверхбольшие интегральные схемы
Современные СБИС, применяемые при создании компьютерных систем,
характеризуются большим числом логических элементов на кристалле и
относительно малым числом выводов у корпуса. Поэтому каждая СБИС адекватна
логически законченному устройству, состоящему из большого количества типовых
логических схем.
Различные выполняемые функции и сферы применения обусловили
специализацию СБИС. По используемым способам проектирования и подготовки
производства их разделяют на две большие группы:
заказные
и
полузаказные
микросхемы.
Заказные
микросхемы характеризуются наилучшими электрическими
параметрами, но требуют индивиду ального проектирования и разработки
комплекта специализированных фотошаблонов. Длительность цикла разработки
заказной СБИС от функциональной схемы до готового изделия составляет 20…50
недель. Высокая стоимость разработки заказных микросхем окупается, как правило,
только при годовых объемах выпуска более 1 млн. штук. По такой технологии
изготавливаются СБИС с аппаратной реализацией алгоритмов обработки данных,
такие как микропроцессоры, микроконтроллеры и интерфейсные схемы,
обеспечивающие их работу в компьютерных системах.
Полузаказные
микросхемы имеют более короткий цикл проектирования.
Они создаются на основе
базовых матричных кристаллов (БМК)
и
программируемых логических интегральных схем (ПЛИС)
.
Базовый матричный кристалл представляет из себя набор элементов,
подготовленный к созданию СБИС путем соединения этих элементов в схему.
Элементы БМК размещены в ячейках на кристалле. В центральной части базового
кристалла обычно размещается массив базовых ячеек (БЯ), а по периферии –
периферийные ячейки (ПЯ), из которых могут быть созданы входные и выходные
каскады СБИС.
22
Функциональной ячейкой БМК является схема, реализуемая путем
соединения элементов базового матрич ного кристалла в пределах одной или
нескольких базовых или периферийных ячеек. Для каждого БМК разработчик
создает библиотеку функциональных ячеек, используемых при проектировании
схем. Библиотека размещается на базовых ячейках и периферийных ячейках
кристалла с помощью металлизированных соединений элементов, выполненных в
соответствии с электрическими схемами функциональных ячеек. Для
проектирования металлизированных соединений в БМК вводится сетка
проектирования, имеющая фиксированный шаг по вертикали и горизонтали. При
трассировке соединений используются вертикальные и горизонтальные каналы
между колонками базовых ячеек. Проектирование металлизированных соединений
осуществляется с помощью специализированной
системы автоматизированного
проектирования (САПР),
также разрабатываемой изготовителем БМК.
Используемые при проектировании САПР, как правило, ориентированы на узкий
круг выпускаемых изделий. Они включают в себя синтез функциональной
электрической схемы на основе базовых функциональных ячеек, логическое
моделирование, синтез тестов контроля, разработку топологии межсоединений,
расчет электрических параметров и моделирование работы схемы с учетом
реальной топологии межсоединений, изготовление фотошаблонов, изготовление и
испытания опытных образцов. Изготовление СБИС на основе БМК выполняет его
разработчик по заказу пользователя.
Программируемые логические интегральные схемы обеспечивают рекордно-
короткий проектно-технологический цикл (от нескольких часов до нескольких
дней), минимальные затраты на проектирование и гибкость при модернизации схем.
В настоящее время на мировом рынке существует несколько основных
компаний-производителей ПЛИС: XILINX, ALTERA, LATTICE, AT&T, INTEL,
выпускающих многократно программируемые микросхемы с архитектурой C
PLD
(Complex Programmable Logic Device)
и многократно реконфигурируемые – с
архитектурой
FPGA (Field Programmable Gate Array).
В качестве памяти для
хранения конфигурации схемы в ПЛИС CPLD используются постоянные
программируемые запоминающие устройства с ультрафиолетовым стиранием, а в
ПЛИС FPGA – статическое оперативное запоминающее устройство.
ПЛИС CPLD как правило содержат несколько матричных логических
блоков, объединённых коммутационной матрицей. Каждый матричный логический
блок представляет содержит программируемую матрицу “И”, фиксированную
матрицу “ИЛИ” и макроячейки с триггерами и буферными элементами. Они имеют
высокую степень интеграции (до 10000 эквивалентных вентилей, до 256
макроячеек).
Микросхема FPGA представляет собой матрицу логических ячеек,
соединенных между собой логическими ключами. Содержащаяся в микросхемах
FPGA статическая память, будучи заполненной определенной битовой
23
последовательностью, воздействует на логические ячейки и соединяющие их
ключи, позволяя получить требуемые логические схемы, состоящие из
соединенных между собой логических элементов, регистров, счетчиков,
дешифраторов, мультиплексоров и других типовых комбинационных и
последовательностных логических схем. При этом логика реализуется посредством
матрицы так называемых LUT - таблиц (
Look Up Table
), а внутренние соединения -
посредством разветвлённой иерархии металлических линий, коммутируемых
специальными быстродействующими транзисторами. Каждая микросхема FPGA
имеет также вход для записи битовой последовательности, заполняющей ячейки
памяти, а также буферные элементы для связи с другими микросхемами.
Конфигурационная битовая последовательность (
bitstream
) может быть загружена в
прибор непосредственно в системе и перегружена неограниченное число раз.
Инициализация ПЛИС производится автоматически (из загрузочного постоянного
запоминающего устройства) при подаче напряжения питания или принудительно по
специальному сигналу. Процесс инициализации занимает от 20 до 200 мс.
При создании схем на основе ПЛИС все этапы проектирования
выполняются разработчиком на одном рабочем месте с использованием САПР.
Каждая компания – производитель ПЛИС выпускает свои САПР, обеспечивающие
реализацию всех этапов проектирования для каждого типа микросхем. Системы
автоматизированного проектирования позволяют разработчику, пользуясь
стандартными элементами библиотек, создавать логические схемы, выполнять их
моделирование и оптимизацию, транслировать разработанные схемы в битовые
последовательности.
Последние годы характеризуются резким ростом плотности упаковки
элементов на кристалле, многие ведущие производители либо начали серийное
производство, либо анонсировали ПЛИС с эквивалентной ёмкостью более 1 млн.
логических вентилей. Цены на ПЛИС (к сожалению, только лишь в долларовом
эквиваленте) неуклонно падают. Стоимость ПЛИС ёмкостью 10 000 – 30 000
логических вентилей сейчас менее 10 $.
На основе одной или нескольких микросхем FPGA уже сейчас можно
создавать реконфигурируемые микропроцессоры по своим свойствам
приближающиеся к заказным СБИС универсальных микропроцессоров. Существует
также точка зрения, что со временем ПЛИС могут существенно потеснить заказные
микросхемы.
24
3. АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
3.1. Аппаратные платформы
…Этот мир из мозаик, в котором
каждая часть дышит своею жизнью.
А. Мицкевич. Письма
Центральными звеньями любой компьютерной системы являются
микропроцессоры. Работу микропроцессоров и их взаимодействие с другими
компонентами системы обеспечивают системные наборы микросхем или чипсеты
(Chipset)
. Системные наборы ориентированы на конкретные микропроцессоры, их
конструктивные особенности и технические характеристики и, как правило,
выпускаются самими производителями микропроцессоров. На основе чипсетов
разрабатываются и изготавливаются
материнские (motherboard)
или
системные
платы (systemboard),
объединяющие вычислительную систему в единую
конструкцию.
На материнской плате располагаются основные элементы компьютерной
системы: микропроцессоры, блоки памяти, чипсет, различные
контроллеры
,
осуществляющие связь материнской платы с
периферийными устройствами
и
вспомогательные микросхемы. Периферийные устройства подключаются к
материнской плате через
интерфейсы,
определяющими правилами аппаратного и
логического взаимодействия различных устройств.
3.1.1. Микропроцессоры
Основные характеристики
Микропроцессор
– центральный элемент компьютерной системы, на
который могут возлагаться самые различные функции.
Универсальные
микропроцессоры
предназначаются для проведения сложных расчетов научно-
технического характера. Основной их чертой является наличие развитых устройств
для эффективного выполнения операций с плавающей точкой над 64-разрядными и
более длинными данными.
Цифровые сигнальные процессоры
рассчитаны на
обработку в реальном времени цифровых потоков. Они характеризуются
сравнительно малой разрядностью и преимущественно целочисленную обработку.
Медийные процессоры
представляют собой законченные системы для обработки
аудио- и видеоинформации.
Микроконтроллеры
, используемые в системах
управления, отличаются разнообразием функций и наибольшей специализацией.
Микропроцессоры различаются архитектурой и целым набором технических
характеристик: тактовой частотой, производительностью, разрядностью.
Тактовая частота
определяет скорость работы арифметико-логического
устройства. Она находится сегодня в диапазоне 100 - 1500 МГц и ограничена
временем, необходимым для срабатывания транзисторных ключей. Переход с
25
кремния на арсенид галлия или использование криогенной техники повышает
тактовую частоту на 1,5 - 2 порядка. Многие микропроцессоры работают с
умножением тактовой частоты, когда частота сигнала внутри микропроцессора
(частота ядра) в 2…8 раз превышает частоту тактового сигнала, подаваемого на
него (частота шины).
Быстродействие, или
производительность
, микропроцессора существенно
зависит как от решаемой задачи, так и от аппаратного окружения. Для оценки
производительности используются самые различные тесты. Наиболее
субъективным параметром считается
пиковая производительность,
теоретически
представляющая максимум быстродействия при идеальных условиях. Данный
максимум определяется как число вычислительных операций, выполняемых в
единицу времени всеми имеющимися в процессоре устройствами. Предельное
быстродействие достигается при обработке бесконечной последовательности не
связанных между собой и не конфликтующих команд. Пиковая производительность
измеряется числом миллионов элементарных операций в секунду
(
MIPS
- Millions
Instructions Per Second)
. При выполнении научно-технических расчетов
производительность измеряют, кроме того , скоростью умножения 64-разрядных
чисел с плавающей точкой (MFLOPS
- Millions Floating points Operations Per
Second
). Для определения пиковой производительности процессора необходимо
умножить тактовую частоту на количество параллельно выполняемых операций.
Например, микропроцессор Pentium за каждый такт может сформировать один 64
разрядный результат операции с плавающей точкой или два результата 32-
разрядных целочисленных операций. Следовательно, для Pentium 90 пиковая
производительность равна 90 MFLOPS при выполнении операций с плавающей
точкой и 180 MIPS при целочисленной 32-разрядной обработке.
Реальная производительность микропроцессора всегда меньше пиковой. Его
работа в значительной степени зависит от конкретной выполняемой программы.
Поэтому единственным способом сравнения производительности являются
различные тесты, представляющие из себя программы, содержащие смесь
различных операций. Например, для сравнения производительности своих
микропроцессоров фирма Intel использует индекс производительности iCOMP 2.0
(Intel Comparative Microprocessor Performance)
, основанный на результатах оценки
производительности процессора при выполнении целочисленных операций,
операций с плавающей запятой и обработки мультимедиа. В свою очередь, оценка
производительности операций с мультимедиа складывается из четырех
компонентов - производительности аудиосистемы, производительности
видеосистемы, производительности системы обработки изображений и
производительности трехмерной графики. Чем больше значение индекса iCOMP
2.0, чем выше относительная производительность микропроцессора.
26
Таблица 1. Сравнение производительности микропроцессоров
Процессор Celeron™ Процессор Pentium II
266
Мгц
300
Мгц
300A
Мгц
333
Мгц
300
Мгц
333
Мгц
350
Мгц
400
Мгц
450
Мгц
Индекс ICOMP 2,0
213 226 296 318 332 366 386 440 483
Важность создания единых пакетов тестов, базирующихся на реальных
прикладных программах самого широкого круга пользователей и обеспечивающих
эффективную оценку производительности процессоров, была осознана
большинством крупнейших производителей компьютерного оборудования. В 1988
году для они учредили бесприбыльную корпорацию SPEC
(Standard Performance
Evaluation Corporation).
Основной целью этой организации является разработка и
поддержка стандартизованного набора специально подобранных тестовых
программ для оценки производительности новейших поколений
высокопроизводительных компьютеров. Членом SPEC может стать любая
организация, уплатившая вступительный взнос. В настоящее время имеется
несколько базовых наборов тестов SPEC, ориентированных на интенсивные
расчеты при измерении реальной производительности микропроцессора. Например,
тестовый набор CINT 95, включает в себя задачи моделирования, компиляции
программ на языке Си, компрессию (сжатие) текстового файла, построение таблиц
и манипулирование ими, манипулирование текстовыми строками, обработку
видеоизображений и игровые задачи. По результатам испытаний формируются
различные индексы производительности, такие как SPECint95 – для операций с
фиксированной точкой, SPECfp95 – для операций с плавающей точкой.
Разрядностью
микропроцессора называется максимальное число
одновременно обрабатываемых двоичных разрядов. Операции над двоичными
числами производятся обычно 8-, 16-, 32-, 64-разрядными словами. Определяющую
роль играет разрядность внутренних регистров, или внутренняя длина слова. В то
же время обмен информацией с другими устройствами микропроцессор производит
по шине данных, разрядность которой может отличаться от разрядности регистров.
От разрядности шины данных микропроцессора, или внешней длины слова, зависит
скорость обмена информацией. У современных универсальных микропроцессоров
разрядность шины данных либо равна, либо превышает в два раза разрядность
регистров. Так, 32-разрядные микропроцессоры семейства Pentium имеют 64-
разрядную шину данных, а у первого 64-разрядного микропроцессора Merced
разрядность шины данных совпадает с разрядностью регистров.
Множество адресов ячеек памяти, доступных микропроцессору в процессе
работы, задающее
адресное пространство
микропроцессора,
определяется
разрядностью шины адреса
. В зависимости от назначения микропроцессора
адресное пространство составляет от 64 Кбайт до нескольких гигабайт памяти.
Микропроцессоры Pentium II и Pentium III, к примеру, имеют 36 разрядную
27
адресную шину и, соответственно, адресное пространство объемом 2
36
байт = 64
Гбайт.
В общем случае, понятие архитектуры микропроцессора включает в себя
множество его аппаратных и программных особенностей, таких как систему команд
и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени,
наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора и режимы его
работы. К дополнительным устройствам относятся средства управления шинами,
поддержки виртуальной памяти, защиты памяти, а режим работы микропроцессора
может быть однопрограммным и многопрограммным (
виртуальным
).
Немаловажное значение в характеристике микропроцессора играет его
конструктивное исполнение, однозначно связанное с типо м разъема на материнской
плате. Спецификация разъема описывает как сам конструктив, так и назначение
контактов, их электрические параметры, определяет порядок взаимодействия с
шинами. Как правило, для установки микропроцессоров используются разъемы
типа ZIF
(Zero Input Force),
имеющие нулевое усилие установки. Так, фирма Intel
для своих микропроцессоров, начиная с i486 разработала целый ряд разъемов типа
Socket 1…. Socket 8, имеющих плоский прямоугольный корпус с различным
числом контактов. Они с успехом использовались также для процессоров
AMD,
Cyrix, IDT
. Это решение позволило пользователям модернизировать свои
компьютеры просто путем замены микропроцессоров на материнской плате. В
дальнейшем фирма
Intel
перешла к использованию новых конструктивов, не
разрешая другим производителям использовать их в своих разработках. В
результате появляется целое множество несовместимых между собой конструкций
различных производителей:
o Slot 1 – разъем, имеющий 242 продольно расположенных контакта для
микропроцессоров Pentium II, Pentium III, Celeron;
o Slot 2 – разъем для установки микропроцессоров Intel Xeon;
o Socket 370 – плоский разъем для микропроцессоров Celeron;
o Slot A – разъем для установки микропроцессоров AMD K7.
Универсальные микропроцессоры
Наибольшее распространение в информационных системах находят
микропроцессоры, построенные на базе CISC
-архитектуры (Complex Instruction Set
Computer)
. Это процессоры с богатой системой команд американских фирм
Intel,
Motorola, AT&T, DEC, японских NEC и Hitachi
.
В 1957 г. Б. Нойс и Г. Мур открыли первую в мире компанию по
производству полупроводниковых приборов
- Fairchild Semiconductor
, a в 1968г.
ими была основана
Intel
- фирма, деятельность которой полностью посвящена
изготовлению интегральных микросхем. Здесь в 1971 г. родился микропроцессор
i4004. К первому поколению коммерческих микропроцессоров относятся i8086
(1978) и i8088 (1979). Они выполнялись на стандартной системной шине IBM
PC/XT (8 разрядов данных, 20 адресных линий), имели тактовую частоту 4,77 МГц
28
и производительность 0,33 MIPS. Микропроцессор i80286 имел 16 разрядов
данных, 24 адресных линии. Его максимальная тактовая частота составляла 8 МГц,
производительность 1,20 – 2,66 MIPS, а адресное пространство достигало 16 Мбайт.
В 1985 г. микропроцессоры i386SX расширили адресное пространство до 64 Гбайт
(тактовая частота - 16 МГц, производительность - 6 MIPS, разрядность шины
данных и внутренних регистров - 16 бит). Их конвейерный принцип выполнения
операций восходил к автомобильному конвейеру Форда: каждая команда
процессора разбивалась на основные операции, выполняемые отдельными блоками
- ступенями конвейера. В паре с у к азанными приборами в большинстве систем
работали сопроцессоры - микросхемы для выполнения операций над
вещественными числами с плавающей точкой. Без сопроцессора обходились
i386DX (32 разряда, 33 МГц, 11 MIPS), а также i486DX, работавшие на тактовых
частотах 25 МГц (20 MIPS), 50 МГц (41 MIPS) или 66 МГц (54 MIPS) при 32-
разрядной шине данных. Самым популярным в мире 8-разрядным
микропроцессором остался i80C51, самой известной 16-разрядной микросхемой –
i80C186.
Начиная с 1993 году
Intel
, проигравшая судебный процесс своему основному
конкуренту
AMD
, дает своим разработкам оригинальные названия.
03/93 Pentium Частота шины до 66 МГц, частота ядра – до 200 МГц,
1 такт на операцию, разрядность шины данных 64,
технология 0,8-0,6-0,35 мкм, до 3,3 млн. транзисторов.
05/95 Pentium Pro Частота ядра150,166, 200 МГц, 0,5 такта на операцию,
36 разрядный адрес, питание ядра 3,1-3,3 В, технология 0,6 и
0,35 мкм, 5,5 млн. транзисторов.
01/97 Pentium
MMX
Тактовая частота ядра 166-233 МГц, 4,5 млн.
транзисторов, ориентирован на мультимедийное
(Multi Media
Extensions)
применение.
05/97 Pentium II
(Klamath)
Тактовая частота 233,266, 300 мгц, такт/ операцию 0,5,
частота шины 66 мгц, расширение MMX, технология 0,35
мкм, транзистор 7,5 млн.
01/98 Pentium II
(Deshutes)
Частота ядра -333,350, 400,450 МГц, такт/ операцию -
0,5, частота шины - 66, 100 МГц, расширение - MMX,
технология (мкм) – 0,25, транзистор(млн) - 7,5.
04/98 Celeron Частота ядра (мгц) –266 -400, такт/ операцию - 0,5,
частота шины (мгц) – 66, расширение – MMX, технология
(мкм) - 0,25, транзистор(млн) - 7,5.
06/98 Pentim II
(Xeon)
Частота ядра (мгц) - 400, 450, частота шины (мгц) –
100, технология (мкм) - 0,25, транзисторов (млн) - 7,5.
29
02/99 Pentium III
Katmai
Частота ядра (мгц) – 450-550, такт/ операцию - 0,2,
частота шины (мгц) - 100, 133, технология (мкм) - 0,25,
транзистор(млн) - 9,5.
Блок 128 разрядных регистров и соответствующее
расширение набора инструкций -
SSE (Sircaming SIMD
Extensions).
11/99 Pentium III
Coppermine
Частота ядра – 500-1000 МГц, частота шины 100 и 133
МГц, 2 модуля MMX, поддержка двухпроцессорности,
технология 0,18 мкм.
04/00 Celeron II Частота ядра – 533- 766 МГц, частота шины 66,
технология 0,18 мкм.
11/00 Pentium IV Частота ядра 1,4 и 1,5 МГц, 42 млн. транзисторов,
технология 0,18 мкм.
Первый 64-разрядный микропроцессор, имеющий на стадии проектирования
рабочее название Merced, разрабатывается фирмой
Intel
совместно с
Hewlett
Packard (HP).
С архитектурой x86 фирмы
Intel
совместимы сегодня 80% продаваемых в
мире микропроцессоров. В число производителей таких микросхем, кроме Intel,
входят
AMD (Advanced Micro Device), Chips & Technologies, Cyrix, IBM.
06/96 AMD K5
Krypton-5
Тактовая частота - 75-116 МГц, частота шины 50-66
МГц, технология 0,35 мкм, транзисторов 4,3 млн.
Для оценки производительности процессоров AMD
используется Р-рейтинг
(Performance rating),
соответствующий тактовой частоте процессора Pentium
обладающего такой же производительностью.
04/97 AMD K6 Частота ядра(мгц) - 166-300, частота шины (мгц) – 66,
расширение – MMX.
01/99 AMD K6-II Частота ядра (мгц) - 266-533, частота шины (мгц) – 66
и 100, расширение – 3Dnow!, транзисторов (млн) - 9,3.
02/99 AMD K6-
III
Частота (мгц) - 400,450, такт/ операцию - 1/6, частота
шины (мгц) - 66-100, технология (мкм) - 0,25, транзисторов
(млн) - 21,3.
08/99 AMD
Athlon
Частота (мгц) – 500-1000, такт/ операцию - 1/9, частота
шины (мгц) – 100x2, расширения – MMX и Enhanced 3Dnow!,
технология (мкм) - 0,25, 0,18, транзисторов (млн) – 22.
30
06/00 AMD
Duron
Частота ядра 550 - 700 МГц,, частота шины (мгц) –
100x2, расширения – MMX и Enhanced 3Dnow!, технология
(мкм) - 0,18.
07/00 AMD
Thunderbird
Частота ядра 700-1200 МГц,, частота шины (мгц) –
100x2, расширения – MMX и Enhanced 3Dnow!, технология
(мкм) - 0,18.
09/00 VIA Cyrix
III
Частота ядра 333, 366, 400, 433 МГц, частота шины 66,
100, 133 МГц, технология 0,18 мкм.
В настоящее время только в направлении создания универсальных
микропроцессоров на рынке присутствуют и активно развиваются несколько
самостоятельных архитектур:
Архитектура Фирмы Семейства
X86
Intel
Pentium (P5, P6, Р7)
Advanced Micro Device (AMD)
K5, K6, K7
Cirix
M1, M2
Power PC
IBM и Motorola
Power PC
Alpha
Digital Equipment Corporation
(DEC)
Alpha
SPARC
SUN
SPARC
PA
Hewlett Packard (HP)
PA-8000
MIPS
MIPS
Rxxxxx
Power PC, Alpha, PA, Rxxxxx относятся к группе
RISC-процессоров
(Reduced Instruction Set Computer),
предложенных Д. Паттерсоном из
Калифорнийского университета в начале 80-х годов. Отправной точкой идеи
архитектуры RISC послужило осознание того обстоятельства, что в программах
обычных компьютеров сложные команды выполняются весьма редко, а 80% всех
команд используются в течение 20% машинного времени. Соответственно возникла
идея разбить сложные операции на базовые элементарные команды, такие как
"запись", "сравнение", "сложение", "ветвление", добившись тем самым роста
производительности. В итоге сложились следующие принципы архитектуры RISC:
упрощенный и фиксированный состав команд, имеющих одинаковую длину и
структуру; выполнение всех или, по крайней мере, большинства операций за один
такт; осуществление доступа к памяти только через команды загрузки в
центральный процессор и записи в запоминающее устройство. Другим важным
отличием RISC-архитектуры является большое количество доступных регистров.