Механов, В.Б. Особенности архитектуры универсальных микропроцессоров

Подождите немного. Документ загружается.

водства микросхем, больший процент отбраковки изделий и, как

следствие, дороговизна микропроцессоров.

В настоящее время стал популярен и другой подход к по-

лучению высокой производительности. Большое количество

транзисторов на кристалле может быть использовано для созда-

ния симметричной мультипроцессорной системы с более про-

стыми процессорами, обрабатывающими целочисленные опе-

ранды. Примерами таких, так называемых медийных, процессо-

ров служат Mediaprocessor компании MicroUnity, Trimedia ком-

пании Philips, Mpact Media Engine компании Chromatic Research,

Nv1 компании Nvidia, MediaGx компании Cyrix.

Эти процессоры создавались исходя из потребности обра-

ботки в реальном времени видео- и аудиоинформации в мульти-

медийных ПК, игровых приставках, бытовых радиоэлектронных

приборах. В связи с более простой схемотехникой по сравнению

с универсальными сигнальными процессорами стоимость ме-

дийных процессоров достаточно низкая (порядка 100 долл.), а

значение показателя «производительность/стоимость» на два-

три порядка больше. Пиковое значение производительности ме-

дийных процессоров составляет несколько миллиардов цело-

численных операций в секунду.

В числе наиболее распространенных сигнальных процес-

соров можно назвать изделия следующих компаний Motorola

(56002, 96002), Intel (i960), Texas Instruments (TMS320Cxx), Ana-

log Devices (21xx, 210xx). Большая производительность, требуе-

мая при обработке сигналов в реальном времени, побудила две

последние из перечисленных компаний выпустить транспью-

терные семейства микропроцессоров TMS320C4x и ADSP2106x,

ориентированные на использование в мультипроцессорных сис-

темах.

Выбор того или иного процессора для реализации конкрет-

ного проекта – многокритериальная задача, однако следует от-

метить предпочтительность процессоров компании Analog De-

vices для приложений, требующих выполнения больших объе-

мов математических вычислений (таких как цифровая фильтра-

ция сигнала, вычисление корреляционных функций и т.п.), по-

скольку их производительность на подобных задачах выше, чем

у процессоров компаний Motorola и Texas Instruments. В то же

время для задач, требующих выполнения интенсивного обмена с

внешними устройствами (многопроцессорные системы, различ-

ного рода контроллеры), предпочтительнее использовать мик-

ропроцессоры компании Texas Instruments, обладающие высоко-

скоростными интерфейсными подсистемами.

Компания Motorola является лидером по объему производ-

ства сигнальных микропроцессоров, большую часть из которых

составляют дешевые и достаточно производительные 16- и

24-разрядные микропроцессоры с фиксированной точкой. Рас-

ширенные коммуникационные возможности, наличие достаточ-

ных объемов внутрикристальной памяти для данных и програм-

мы, возможности защиты программы от несанкционированного

доступа, поддержка режима энергосбережения делают эти мик-

ропроцессоры привлекательными для использования не только в

качестве специализированных вычислителей, но и в качестве

контроллеров в промышленных роботах, бытовых электронных

приборах, системах управления оружием, средствах беспровод-

ной связи.

1.1.3. Медийные микропроцессоры

Медийные процессоры представляют собой законченные

системы для обработки аудио- и видеоинформации.

С ростом популярности мультимедийных технологий, уве-

личением числа приложений и компаний, их разрабатывающих,

все большее внимание со стороны производителей микропро-

цессоров уделяется поддержке алгоритмов сигнальной обработ-

ки на уровне команд микропроцессоров. В микропроцессорах в

настоящее время наблюдается тенденция переноса акцентов с

чисто числовых операций на операции с новыми типами дан-

ных, характерными для обработки видео- и звуковой информа-

ции.

На сегодня можно выделить два класса микропроцессо-

ров, обеспечивающих поддержку мультимедиа на аппаратном

уровне:

– универсальные процессоры с мультимедийным расшире-

нием набора команд;

– мультимедийные микропроцессоры.

Такая классификация отражает в первую очередь ориента-

цию процессоров на различные области применения. Там где

мультимедийные операции доминируют над традиционными

числовыми операциями, эффективно использование мультиме-

дийных микропроцессоров. В тех областях использования, где

доля числовой обработки велика, перспективно применение

универсальных процессоров с мультимедийным расширением

системы команд.

К первому классу можно отнести микропроцессоры UltraS-

PARC компании Sun Microsystem, процессоры с мультимедий-

ным расширением системы команд (ММХ) компаний Intel – Pen-

tium ММХ, Pentium II, III, IV, AMD – К6, Athlon, Duron и др.

Второй класс представляет собой некоторый гибрид архи-

тектурных решений, характерных для традиционных DSP

(Digital Signal Processor) – процессоров и универсальных микро-

процессоров. Микропроцессоры данного класса – медиапроцес-

соры, предназначены для обработки аудиосигналов, графики,

видеоизображений, а также для решения ряда коммуникацион-

ных задач в мультимедиа ПК, в игровых приставках, бытовой

технике. Наибольшее внимание привлекают сегодня микропро-

цессоры:

– Mediaprocessor компании MicroUnity;

– Trimedia компании Philips;

– Mpact Media Engine компании Chromatic Research;

– NVI компании Nvidia.

По мере того как центральные процессоры персональных

компьютеров будут становиться все быстрее, ниша медиа-

процессоров должна неуклонно уменьшаться. Но пока место на

рынке ПК у них все же есть, они будут служить расширению

функциональных возможностей персональных компьютеров, не

намного повышая стоимость последних.

1.1.4. Встраиваемые микроконтроллеры

Встраиваемые микроконтроллеры предназначены для ис-

пользования во встроенных системах управления, в том числе

в бытовых приборах. Они отличаются наибольшей специализа-

цией и разнообразием функций. Общее число типов кристаллов

с различными системами команд превышает 500, и все они в си-

лу существования изделий с их использованием имеют свою ус-

тойчивую долю рынка.

Однокристальные (однокорпусные) микроконтроллеры

представляют собой приборы, конструктивно выполненные

в виде большой интегральной схемы (БИС) и включающие в се-

бя все составные части «голой» микроЭВМ: микропроцессор,

память программ и память данных, а также программируемые

интерфейсные схемы для связи с внешней средой.

Использование микроконтроллеров в системах управления

обеспечивает достижение исключительно высоких показателей

эффективности при столь низкой стоимости (во многих приме-

нениях система может состоять только из одной БИС микрокон-

троллера), что микроконтроллерам, видимо, нет разумной аль-

тернативной элементной базы для построения управляющих

и/или регулирующих систем.

Родоначальником МП данного класса является восьмираз-

рядный МП Intel 8048. Среди отечественных МП к этому классу

можно отнести: 4-битные микроконтроллеры серий 1814, 1820,

1829 и 1013; 8-битные микроконтроллеры серии 1816; микро-

контроллеры сигнальные (аналоговые микропроцессоры) серии

1813.

Часто в публикациях микроконтроллеры называют также

однокристальными микроЭВМ. Архитектурными особенно-

стями микроконтроллеров являются:

– незначительная емкость памяти;

– физическое и логическое разделение памяти программ

(постоянное запоминающее устройство – ПЗУ) и памяти данных

(оперативное запоминающее устройство – ОЗУ);

– упрощенная и ориентированная на задачи управления

система команд;

– примитивные методы адресации команд и данных;

– специфическая организация ввода/вывода информации.

Микроконтроллеры не являются машинами классического

«фон-неймановского» типа, так как физическая и логическая

разделенность памяти программ и памяти данных исключает

возможность модификации и/или замены (перегрузки) приклад-

ных программ микроконтроллеров во время работы, что сильно

затрудняет их использование в качестве универсальных средств

обработки данных.

1.1.5. Транспьютеры

Транспьютер – это микропроцессор с собственной внут-

ренней памятью и линками (каналами) для соединения с други-

ми транспьютерами.

Термин «транспьютер», произошедший в результате объе-

динения слов «транзистор» и «компьютер», отражает основную

область его применения – массово-параллельные вычислитель-

ные системы, в которых он играет роль базового вычислитель-

ного элемента.

Некоторые специалисты понимают термин «транспьютер»

как название конкретного продукта фирмы Inmos, другие трак-

туют его как обобщенное наименование микропроцессоров со

встроенными межпроцессорными интерфейсами. Используется

также термин «транспьютероподобный микропроцессор», что-

бы, с одной стороны, подчеркнуть, что речь идет не о продукте

фирмы Inmos, а, с другой стороны, указать, что микропроцессор

имеет встроенные линки для образования параллельных систем.

Вполне возможно, что стремительное развитие микроэлектрони-

ки не позволит термину «транспьютер» устояться, и он будет

поглощен более общим «микропроцессор», так как отличитель-

ный признак транспьютера – встроенные межпроцессорные ин-

терфейсы – появляется в том или ином виде у всех современных

микропроцессоров.

Первый транспьютер (Т414) был представлен фирмой In-

mos, Inc. (Бристоль, Великобритания) в 1983 г.

Высокая степень «функциональной самостоятельности»

транспьютера, простота интеграции и наличие периферийных

устройств позволяют в короткие сроки создавать системы на их

основе. Особенностью транспьютеров является то, что их ком-

муникационные каналы могут осуществлять обмен данными од-

новременно с вычислениями, практически не снижая произво-

дительности процессора. Благодаря этому качеству транспьюте-

ров, системы на их основе обладают хорошей масштабируемо-

стью и высоким значением показателя эффективности – произ-

водительность/стоимость.

В настоящее время фирма Inmos прекратила выпуск своих

транспьютеров, однако продолжают серийно выпускаться транс-

пьютероподобные сигнальные микропроцессоры TMS320С4Х и

ADSP 2106Х.

1.2. Стандартизация архитектур

микропроцессоров

На протяжении всей истории развития вычислительной

техники предпринимались попытки (прежде всего со стороны

разработчиков программных средств) стандартизировать архи-

тектуру процессоров, что существенно расширило бы область

применения создаваемого программного обеспечения. Осознав

безуспешность попыток добиться совместимости на уровне сис-

темы машинных команд, разработчики пытались стандартизи-

ровать язык ассемблера, языки высокого уровня, языки интер-

фейса прикладных программ с операционными системами.

Стимулом к этому была и остается постоянно растущая

сложность как самих процессоров, так и создаваемых с их ис-

пользованием программных систем.

Создание сложных новых систем требует, помимо всего

прочего, наличия двух обязательных этапов: адекватного описа-

ния системы и исчерпывающего тестирования на соответствие

этому описанию. Тестирование должно быть доказательным.

Не прибегая к примерам из области создания больших приклад-

ных систем, укажем только на наличие широко известных оши-

бок в микропроцессорах известных компаний и на наличие не-

декларированных возможностей микропроцессоров и операци-

онных систем. Так, фирма Intel в свое время пошла на бесплат-

ную замену у пользователей одной из своих моделей микропро-

цессора Pentium, когда выяснилось, что в схеме встроенного

сопроцессора имеется ошибка, которая может привести к появ-

лению неправильного результата, хотя и было доказано, что ве-

роятность такой ошибки ничтожно мала.

Отсутствие стандартизации не позволяет создавать новые

системы путем конструирования из существующих, прошедших

апробацию в разнообразных условиях применения большим ко-

личеством независимых пользователей.

Попытка комплексного решения проблемы стандартизации –

формулирование концепции Открытых систем. Открытые сис-

темы представляют совокупность интерфейсов, протоколов и

форматов данных, базирующихся на общедоступных, общепри-

нятых стандартах, обеспечивающих реализацию трех свойств:

– переносимость (мобильность) программного обеспече-

ния;

– взаимодействие между системами;

– масштабируемость.

Переносимость – свойство, выражающееся в возможности

исполнения программы в исходных кодах на различных аппа-

ратных платформах в среде различных операционных систем.

Взаимодействие систем – свойство, выражающееся в спо-

собности систем обмениваться информацией с автоматическим

восприятием форматов и семантики данных.

Масштабируемость – свойство, выражающееся в возмож-

ности исполнения программы на различных ресурсах (объем

памяти, число и производительность процессоров) с пропорцио-

нальным изменению ресурсов значением показателей эффектив-

ности. Важно понимать, что ресурсы могут не только возрас-

тать, но и уменьшаться. Например, программа может выпол-

няться на произвольном, выделенном для ее исполнения участке

памяти.

В рамках концепции Открытых систем архитектура про-

цессора должна поддаваться достаточно простому формальному

описанию со спецификацией типов данных, регистров и выпол-

няемых преобразований без «побочных эффектов».

Ниже рассмотрены две попытки реализации этого подхода.

1.2.1. Архитектурно независимая

спецификация программ

В настоящее время в рамках международной организации

ISO/IEC в комитете по микропроцессорным системам ведется

подготовка проекта стандарта ANDF на архитектурно независи-

мый формат спецификации программ (Architecture Neutral Dis-

tribution Format). По мнению разработчика компании Х/Open

Company Ltd., этот формат спецификаций позволит решить про-

блему переносимости программ. Компиляция исходного кода

предполагается двухэтапной. На первом этапе исходный код

транслируется в обобщенные декларации интерфейсов приклад-

ных программ (API) в совокупности с обобщенными описания-

ми типов данных. Фактически полученная оттранслированная

программа представляет собой выражение абстрактной алгебры,

определенной Architecture Neutral Distribution Format. В резуль-

тате текст программы может быть подвергнут формальной про-

верке и преобразованию.

На втором этапе генерируется программа для конкретной

архитектуры.

1.2.2. Java-технология,

предложенная компанией SUN

В основе данной технологии лежит понятие виртуальной

Java-машины. Большинство команд Java-процессора имеют дли-

ну один байт, что согласуется со стековой архитектурой процес-

сора, использующей небольшое число регистров и указателей на

данные.

Использование байт-кода в процессоре Java позволяет

уменьшить длину программ. Средняя длина команды составляет

1,8 байта. В последнее время ко всем ранее существовавшим до-

водам в пользу стандартизации архитектур добавилась практи-

ческая потребность работы в сетях типа Internet, что выдвигает

требование короткого программного кода. Открытые системы,

создаваемые в Internet, позволят накапливать программные про-

дукты и конструировать системы из уже существующих.

Архитектура виртуальной Java-машины достаточно похожа

на архитектуру транспьютеров компании Inmos. Отличие факти-

чески состоит в добавлении элементов объектно-ориентиро-

ванной технологии.

Одним из препятствий на пути развития Java-технологии

является низкая производительность исполнения Java-кода, од-

нако есть все предпосылки для преодоления этого препятствия.

Например, современные процессоры с системой команд х86 со-

держат специальный блок, транслирующий сложные команды в

совокупность простых команд RISC-процессора (наиболее яр-

кий пример – микропроцессоры фирмы AMD, начиная с пятого

поколения).

Далее RISC-процессор исполняет эти команды, используя

все преимущества RISC-подхода для достижения высокой про-

изводительности. Вполне реально разработать подобный транс-

лятор для Java-кода, когда байт-код будет транслироваться в ко-

манды реального процессора.

Другим возможным подходом к повышению производи-

тельности может служить повышение скорости исполнения за

счет одновременной обработки большого числа команд при вы-

полнении их на параллельно функционирующих обрабатываю-

щих устройствах. Этот подход также находит свою реализацию

в многоядерных процессорах или процессорах с явно парал-

лельной обработкой команд.

2. 16-разрядные микропроцессоры

семейства х86 (на примере Intel 8086)

2.1. История развития и основные

параметры МП Intel x86

История микропроцессоров началась в 1971 г., когда фир-

ма Intel выпустила первый микропроцессор i4004. Он имел раз-

рядность данных 4 бита, способность адресовать 640 байт памя-

ти, тактовую частоту 108 КГц и производительность 0,06 MIPS

(Million Instructions Per Second). Такой процессор уже мог рабо-

тать

в качестве вычислительного ядра калькулятора. Он содержал

2300 транзисторов и выполнялся по технологии с разрешением

10 мкм. Через год появился его 8-битный «родственник» – i8008,

адресующий уже 16 Кб памяти.

В 1974 г. появился 8-разрядный процессор i8080, ставший

весьма популярным устройством. Он уже имел частоту 2 МГц и

адресовал 64 Кб памяти.

6000 транзисторов на кристалле позволила разместить

6-микрометровая технология изготовления. Процессор требовал

трех источников питания (+5, +12 и –5 В) и сложной двухтакт-

ной синхронизации. На этом процессоре строились разнообраз-

ные терминалы, контроллеры и даже первый ПК Altair.

Следующим этапом стал процессор i8085 (5 МГц, 0,37 MIPS,

6500 транзисторов, 3-микрометровая технология). Он сохранил

популярную регистровую архитектуру 8080 и программную со-

вместимость, но в него добавили порт последовательного ин-

терфейса, упразднили специальные интегральные схемы (ИС)

поддержки (тактового генератора и системного контроллера) и

несколько изменили внешний интерфейс. Главным подарком

разработчикам аппаратуры стало только одно питающее напря-

жение +5 В.

Вариацию на тему 8080 и 8085 представлял собой процес-

сор Z80 фирмы Zilog. Сохранив программную совместимость с

8080, в него ввели дополнительные регистры, что позволило