Антошина И.В., Котов Ю.Т. Микропроцессоры и микропроцессорные системы (аналитический обзор)

Подождите немного. Документ загружается.

В распределенных системах достигается значительный

рост быстродействия получения и обработки входной информа-

ции, экономия в количестве и распределении линий связи, повы-

шается живучесть, существенно развиваются возможности опти-

мизации режимов управления и функционирования.

Распределенные высокопроизводительные системы парал-

лельных вычислений. МПС открыли новые возможности реше-

ния сложных вычислительных задач, алгоритмы вычисления кото-

рых допускают распараллеливание, т. е. одновременные (парал-

лельные) вычисления на многих микропроцессорах.

Системы параллельных вычислений на основе десятков, со-

тен и даже тысяч одинаковых или специализированных на опре-

деленные задачи микропроцессоров при значительно меньших за-

тратах дают такую

же производительность, как и вычислительных

системах на основе мощных процессоров конвейерного типа. Соз-

дание МПС с большим количеством специализированных по

функциональному назначению процессоров позволяет проектиро-

вать мощные ВС нового типа по сравнению с традиционными

развитыми большими вычислительными системами.

2. Виды архитектур микропроцессоров

Термин «архитектура» носит двойной смысл. В первом

случае под

архитектурой понимается архитектура набора команд,

исполняемых микропроцессором. Во втором случае архитектура

охватывает понятие организации системы, включающее структу-

ру памяти, системной шины, организацию ввода/вывода и т.п.

Применительно к вычислительным системам термин «архитекту-

ра» может быть определен как распределение функций, реали-

зуемых системой, между ее уровнями.

Так, например, архитектура первого

уровня определяет,

какие функции по обработке данных выполняются МП в целом, а

какие возлагаются на внешний мир (пользователей, операторов,

администраторов баз данных и т.д.). МП взаимодействует с

внешним миром через набор интерфейсов: языков (оператора,

программирования, описания, манипулирования базой данных,

управления заданиями) и системных программ (служебных, ре-

дактирования, сортировки, сохранения и восстановления инфор-

мации).

Архитектура второго уровня может разграничивать опре-

деленные уровни внутри программного обеспечения. Например,

уровень управления логическими ресурсами может включать реа-

лизацию таких функций, как управление базой данных, файлами,

виртуальной памятью, сетевой телеобработкой. К уровню управ-

ления физическими ресурсами

относятся функции управления

внешней и оперативной памятью, управления процессами, выпол-

няющимися в системе.

Следующий, третий, уровень отражает основную линию

разграничения системы, а именно границу между системным про-

граммным обеспечением и аппаратурой. Эту идею можно развить

и дальше и говорить о распределении функций между отдельными

частями физической системы. Например, некоторый интерфейс

определяет, какие функции реализуют центральные процессоры, а

какие - процессоры ввода/вывода.

Архитектура четвертого уровня определяет разграничение

функций между процессорами ввода/вывода и контроллерами

внешних устройств. В свою очередь можно разграничить функции,

реализуемые контроллерами и самими устройствами ввода/вывода

(терминалами, модемами, накопителями на магнитных дисках и

лентах). Архитектура таких уровней часто

называется архитекту-

рой физического ввода/вывода.

При создании МП используются три наиболее широко при-

меняемых вида архитектур, созданных за время их развития: реги-

стровая, стековая и ориентированная на оперативную память.

Регистровая архитектура (архитектура типа «регистр - ре-

гистр») микропроцессора определяет наличие достаточно боль-

шого набора регистров внутри больших интегральных схем (БИС)

микропроцессора. Этот набор регистров образует поле сверхбыст-

рой оперативной памяти (СОЗУ) с произвольной записью и вы-

боркой информации.

В микропроцессорах с регистровой архитектурой рабочие

области регистров размещаются в логических частях процессоров.

Однако малая плотность логических схем по сравнению с плотно-

стью схем памяти ограничивает возможность регистровой архи-

тектуры. МП с архитектурой, ориентированной на память, обеспе-

чивают быстрое подключение к рабочим областям, когда необхо-

димо заменять контексты. Смена контекстов осуществляется из-

менением векторов трех регистров - счетчика команд, регистров

состояния и указателя рабочей области. Достоинство этой архи-

тектуры в отношении смены контекстов связано

с выполнением

только одной команды для передачи полного вектора контекста.

Микропроцессоры с регистровой архитектурой имеют вы-

сокую эффективность решения научно - технических задач, по-

скольку высокая скорость работы СОЗУ позволяет эффективно

использовать скоростные возможности арифметик - логического

блока. Однако при переходе к решению задач управления эффек-

тивность таких микропроцессоров падает, так как

при переключе-

ниях программ необходимо разгружать и загружать регистры СО-

ЗУ.

Стековая архитектура микропроцессора дает возможность

создать поле памяти с упорядоченной последовательностью запи-

си и выборки информации. Эта архитектура эффективна для орга-

низации работы с подпрограммами, когда возникает постоянная

необходимость перехода от текущей программы к подпрограмме,

обслуживающей какое - либо ВУ, и возврат

в текущую програм-

му. Хранение адресов возврата позволяет организовать в стеке эф-

фективную обработку последовательностей вложенных подпро-

грамм.

Основным недостатком МП этого типа является то, что

стек, реализованный на кристалле микропроцессора, как правило

имеет малую информационную емкость. При работе он быстро

переполняется, приводя к возможности нарушения работы систе-

мы.

Построение же стека большой емкости требует значительных

ресурсов кристалла. Поэтому наилучшими характеристиками об-

ладают МП, в которых стек реализуется вне микропроцессора - в

оперативной памяти (оперативном запоминающем устройстве –

ОЗУ).

Архитектура микропроцессора, ориентированная на

оперативную память, обеспечивает высокую скорость работы и

большую информационную емкость рабочих регистров и стека

при их организации в ОЗУ. В МП с такой архитектурой все об-

рабатываемые числа после операции в микропроцессоре выводят-

ся из микропроцессора и вновь возвращаются в память, что и дало

ей такое название.

При оценке быстродействия МП типа «память - память» не-

обходимо учитывать физическую реализацию как элементов, так и

связей между

ними. Высокая скорость срабатывания логических

элементов интегральных схем не всегда может обеспечить высо-

кую скорость работы МП, поскольку большие значения индуктив-

но - емкостных параметров связей на печатных платах не позво-

ляют передавать сигналы без искажения. Высокий уровень техно-

логии современных МП до долей микрон существенно уменьшило

размеры БИС, снизило паразитные

параметры связей. Поэтому

стало возможным физически отделить блок регистров и стек от

арифметико-логического блока и обеспечить при этом их высоко-

скоростную совместную работу. При создании однокристальных

МП регистровые СОЗУ и ОЗУ МПС имеют практически одни и те

же параметры. Повышение скорости работы ОЗУ позволяет уда-

лить набор регистров и стек

из кристалла микропроцессора и ис-

пользовать освободившиеся ресурсы для развития системы ко-

манд, средств прерывания, многоразрядной обработки. Организа-

ция рабочих регистров и стека в ОЗУ ведет к уменьшению скоро-

сти передачи информации, однако при этом повышается общая

эффективность такого решения за счет большой информационной

емкости полей регистровой и стековой памяти,

а также возможно-

сти развития системы команд и прерываний.

Архитектура микропроцессора, ориентированная на опера-

тивную память, обеспечивает экономию площади кристалла МП.

В этом случае на кристалле размещается только регистр - указа-

тель начального файла набора регистров. Адресация остальных ре-

гистров осуществляется указанием в команде специальным указа-

телем - кодом смещения. Доступ к рабочим

регистрам в этом слу-

чае замедляется, поскольку приходится совершать сопряженное с

затратами времени кольцевое «путешествие» из процессора во

внекристальную память, где размещаются рабочие регистры. Од-

нако контекстное переключение в микропроцессоре с такой архи-

тектурой происходит быстро, поскольку при прерывании необхо-

димо только изменить значение содержимого регистра - указате-

ля рабочей области памяти.

Другая отличительная особенность архитектуры МП, ори-

ентированной на оперативную память - двухадресный формат ко-

манд. В этих МП нет специального накапливающего регистра, вы-

полняющего функции подразумеваемой ячейки результата для

всех двухоперандных команд. Результат формируется в соответст-

вии с алгоритмом, приведенном для

примера на рис. 1,а, где опе-

рация сложения содержимого двух ячеек памяти с номерами X и Y

осуществляется по команде «сложить XY».

Поскольку в архитектуре типа «память - память» любая

ячейка памяти может содержать либо исходный операнд, либо

операнд-результат, то эта операция выполняется по одной коман-

де. В то же время в процессорах

с одноадресной регистровой ар-

хитектурой для достижения той же самой цели приходится ис-

пользовать две команды:

- команду пересылки операнда Y во внутренний регистр Рг,

- команду сложения содержимого внутреннего регистра Рг

с содержимым ячейки памяти X и пересылки результата в ячейку

X (рис. 1,б).

Рис. 1

В первом случае при компиляции программ для компилято-

ров высокоуровневых языков существенно упрощается задача

присвоения значений переменным и, благодаря этому, получаются

более короткие модули объектных программ.

Использование возможностей быстрой смены контекстов и

фактически неограниченной рабочей области в МП с архитекту-

рой, ориентированной на оперативную память, позволяет им легко

находить применение в МПС, работающим в реальном масшта-

бе времени.

К достоинствам архитектуры МП, ориентированной на опе-

ративную память, относится возможность развития системы, по-

зволяющая снизить время разработки ПО. Здесь под развитием

понимается способность систем внедрять в виде функциональных

модулей программные, программно - аппаратурные и даже аппа-

ратурные средства, которые можно использовать

в системе по ме-

ре совершенствования аппаратурных средств и накопления опыта.

Распределенные системы управления часто требуют приме-

нения полуавтономных контроллеров, которые должны вписы-

ваться в определенные иерархические структуры. При этом архи-

тектура МП, ориентированная на память, обеспечивает естествен-

ный и эффективный интерфейс между контроллерами, располо-

женными на одном иерархическом уровне,

и процессорами управ-

ления, расположенными на более высоком иерархическом уровне,

а структура связей между контроллерами может быть обеспечена

за счет развитых информационных магистралей.

3. История развития микропроцессоров

3.1. Микропроцессоры первого поколения

Микропроцессор обязан своему появлению внедрению в

начале 70-х годов в производство микроэлектронной элементной

базы, основу которой составляют интегральные схемы (

ИС). Раз-

работкой и производством МП в то время занимались ряд фирм

США, среди которых наиболее совершенной технологией на фоне

других обладала фирма Intel. Поэтому историю развития рассмот-

рим на примере развития МП данной фирмы.

До начала 70-х годов вычислительные машины были дос-

тупны весьма ограниченному кругу специалистов, а их примене-

ние

, как правило, оставалось окутанным завесой секретности и ма-

ло известным широкой публике. Однако в 1971 г. произошло со-

бытие, которое резко изменило ситуацию и превратило вычисли-

тельную машину в повседневный рабочий инструмент десятков

миллионов людей.

В 1971 году фирма Intel из небольшого американского го-

родка Санта-Клара (шт. Калифорния) создала новый полупровод-

никовый прибор, получивший название «микропроцессор». В 1968

г. Гордон Мур и Боб Нойс, одни из тех, кто закладывал фундамент

известной полупроводниковой компании Fairchild Semiconductor,

основали фирму Intel Corporation. Первой идеей нового предпри-

ятия было создание полупроводниковых запоминающих уст-

ройств, призванных заменить

ЗУ на магнитных сердечниках. По-

скольку к концу 60-х годов память этого типа практически исчер-

пала весь свой потенциал развития, проблема была весьма акту-

альной, а ее разработка сулила немалые прибыли. И хотя в данной

области Intel добилась заметных успехов, тем не менее мировую

славу ей принесли совсем другие изделия.

Поворотным

моментом в истории компании стал 1969 г.,

когда был получен заказ на создание ряда специализированных

микросхем для калькуляторов от ныне уже несуществующей япон-

ской фирмы Busicom. В результате его реализации был разработан

кристалл в сопровождении соответствующих средств поддержки.

МП i4004. 15 ноября 1971 г. Intel приступила к поставкам

первого в мире микропроцессора Intel 4004 - именно такое обозна-

чение

получил первый прибор, послуживший отправной точкой

абсолютно новому классу полупроводниковых устройств.

Кристалл представлял собой 4-

разрядный процессор и изготавливался по

передовой в те годы p-канальной МОП-

технологии с проектными нормами 10

мкм. Электрическая схема прибора насчи-

тывала 2300 транзисторов. Микропроцес-

сор работал на тактовой частоте 750 кГц

при длительности цикла команды 10,8

мкс.

МП i4004 имел адресный

стек (счетчик команд и три реги-

стра стека типа LIFO - Last In First Out), блок регистров общего на-

значения - РОН (регистры сверхоперативной памяти, или регист-

ровый файл), 4-разрядное параллельное АЛУ, аккумулятор, ре-

гистр команд с дешифратором команд и схемой управления, а

также схему связи с периферийными устройствами. Все эти функ-

циональные узлы объединялись между собой 4-разрядной шиной

данных (ШД).

Память команд достигала 4Кбайт (для сравнения: объем ЗУ

мини-ЭВМ в начале 70-х годов редко превышал 16 Кбайт), а реги-

стровый файл центрального процессора (ЦП) насчитывал шестна-

дцать 4-разрядных регистров, которые можно было использовать и

как восемь 8-разрядных (восемь 4-разрядных пар). Такая органи

зация РОН сохранена и в последующих микропроцессорах фирмы

Intel. Три регистра стека обеспечивали три уровня вложения под-

программ.

МП i4004 монтировался в пластмассовый или металлокера-

мический корпус типа DIP (Dual In-line Package) всего с 16 выво-

дами.

В систему его команд входило 46 инструкций. По своему

функциональному составу она была универсальной, т. е. рассчита-

на на широкий круг

решаемых задач и разрабатываемых приложе-

ний. Первоначальное назначение кристалла наложило определен-

ный отпечаток на состав системы команд, поэтому присутствие в

ней ряда инструкций, в частности десятичной коррекции, а также

наличие соответствующих аппаратных средств не вызывает особо-

го удивления.

Вместе с тем кристалл располагал весьма ограниченными

средствами ввода/вывода, а в

системе команд отсутствовали опе-

рации логической обработки данных (И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ

ИЛИ), в связи с чем их приходилось реализовывать с помощью

специальных подпрограмм, что в некоторых случаях чрезмерно

усложняло создаваемое ПО.

МП i4004 не имел возможности останова (команды HALT)

и обработки прерываний. Это объясняется тем, что в калькулято-

рах, где поначалу и планировалось

использовать прибор, особой

необходимости в этих средствах нет.

Цикл команды процессора состоял из восьми тактов за-

дающего генератора. Как уже отмечалось, МП i4004 монтировался

в корпус всего с 16 выводами - самый распространенный (а значит,

и самый дешевый) тип корпуса в начале 70-х годов. А поскольку в

распоряжении инженеров оказался узкий интерфейс с "

внешним

миром", то пришлось пойти на применение мультиплексированной

шины адреса (ША) и данных, причем 12 - разрядный адрес вы-

давать порциями по четыре разряда, что, конечно, не могло не ска-

заться на длительности машинного цикла. Прием команды по та-

кому интерфейсу требовал еще двух тактов. На исполнение же са-

мой инструкции из восьми тактов процессор затрачивал лишь три.

Компанией было разработано

и выпущено целое семейство

БИС, в которое вошли постоянное запоминающее устройство

(ПЗУ) 4001, ОЗУ 4002, регистр сдвига 4003 и ряд других вспомо-

гательных микросхем. Поскольку все они были рассчитаны на со-

вместное использование, разработка аппаратных средств системы

заметно упрощалась.

Опыт использования первого МП показал, что такие факто-

ры, как отсутствие средств обработки прерываний

, наличие трех

уровней вложения подпрограмм и необходимость реализации ло-

гических операций И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ с помощью

специальных подпрограмм, далеко не всегда удовлетворяют раз-

работчиков. Указанные недостатки привели к созданию нового

МП i4040.

МП i4040. В i4040 сохранены все функциональные возмож-

ности предшествующей модели и существенно улучшены как тех-

нические, так и программные

средства. Система команд пополни-

лась 14 инструкциями, включая выполнение логических операций

И и ИЛИ; кроме того, в процессор были введены средства остано-

ва и обработки прерываний.

Претерпела некоторые изменения и архитектура устройст-

ва. Адресный стек процессора увеличен с трех до семи регистров,

а количество РОН возросло с 16 до 24, причем их разбили

на две

области, выбираемые при помощи специальных команд. Отчасти

такая организация обусловлена тем, что процессор теперь мог об-

ращаться к двум блокам памяти команд объемом 4 Кбайт и за ка-

ждым из них программист мог закрепить свою область регистров.

Наряду с этим восемь РОН были всегда доступны для использова-

ния. В итоге

получилась достаточно гибкая и удобная структура,

позволявшая разрабатывать самостоятельные программные моду-

ли, способные взаимодействовать через общую часть регистрового

файла.

Обработка одноуровневых прерываний является одним из

наиболее существенных новшеств МП i4040. Эта функция превра-

тила его в полноценный процессор и сделала возможным исполь-

зование в системах реального масштаба времени. Благодаря при-

менению сигнала «останов» стала реальностью синхронизация ра-

боты процессора с некоторыми внешними событиями.

Несмотря на то что тактовая частота и машинный

цикл

i4040 не претерпели изменений, производительность МП возросла

за счет использования более совершенной архитектуры и эффек-

тивной системы команд. 60 инструкций, ориентированных на ши-

рокий спектр решаемых задач, обработка прерываний, до 8 Кбайт

памяти команд, а также возможность быстрого перевода систем на

базе i4004 на новый процессор вывели i4040 в безусловные лидеры

рынка 4-разрядных устройств.

МП i8008. Intel с 1 апреля 1972 г. начала поставки первого в

отрасли 8-разрядного прибора Intel 8008. Он был разработан для

нужд американской фирмы Computer Terminals Corporation of

Texas, позднее известной как Datapoint.

Проектирование i8008 шло практически параллельно с ра-

ботами над i4004. Кристалл изготавливался по p-канальной МОП-

технологии с проектными нормами 10 мкм и содержал 3500 тран-

зисторов. Процессор работал на частоте 500кГц при

длительности

машинного цикла 20 мкс (10 периодов задающего генератора).

В отличие от своих предшественников новый МП допускал

применение комбинации ПЗУ и ОЗУ. Помимо увеличения разряд-

ности и перехода на использование общего поля памяти для ко-

манд и данных, структура процессора претерпела еще ряд сущест-

венных изменений. Прежде всего это коснулось регистрового фай-

ла

и устройства управления. По сравнению с i4004 число РОН

уменьшилось вдвое (с 16 до 8), причем два регистра в основном

использовались для хранения адреса при косвенной адресации па-

мяти.

В связи с этим следовало бы ожидать снижения производи-

тельности, которого на самом деле не произошло, поскольку опе-

рации с памятью i8008 выполнял быстрее предыдущих

моделей

благодаря меньшему количеству состояний в машинном цикле и

отсутствию необходимости исполнения минимум трех подготови-