Физические ограничения вычислений. Понятие о сегментированной модели памяти

1. Режимы работы микропроцессора

2. Организация памяти

 Модели использования оперативной памяти (сегментированная, страничная)

 Понятие о сегментированной модели памяти

 Понятие о страничной модели памяти

 Сегментно-страничный способ распределения памяти

3. Плоская модель памяти

Режимы работы микропроцессора

Реальный режим

Это режим работы первых 16-битовых микропроцессоров. Наличие его обусловлено тем, что необходимо обеспечить в новых моделях микропроцессоров функционирование программ, разработанных для старых моделей.

Защищенный режим (protected mode )

Означает, что параллельные вычисления могут быть защищены программно-аппаратным путем.

Позволяет полностью использовать все возможности, предоставляемыемикропроцессором. Все современные многозадачные ОС работают в этом режиме.

Создан для работы нескольких независимых программ. Для обеспечения совместной работы нескольких задач необходимо защитить их от взаимного влияния, взаимодействие задач должно регулироваться.

Программы, разработанные для реального режима, не могут функционировать в защищенном режиме. (Физический адрес формируется по другим принципам.)

Режим виртуального 8086

Переход в этот режим возможен, если микропроцессор уже находится в защищенном режиме. Возможна одновременная работа нескольких программ разработанных для i8086. Возможно работа программ реального режима. Физический адрес формируется по правилам реального режима.

Организация памяти

Физическая память, к которой микропроцессов имеет доступ по шине адреса, называется оперативной памятью (или оперативным запоминающим устройством - ОЗУ).

ОП организована как последовательность байтов.

Каждому байту соответствует уникальный адрес (его номер), который называется физическим адресом .

Механизм управления памятью полностью аппаратный, т.е. программа сама не может сформировать физический адрес памяти на адресной шине.

Микропроцессор аппаратно поддерживает несколько моделей использования оперативной памяти:

 сегментированную модель

 страничную модель

Понятие о сегментированной модели памяти

Память для программы делится на непрерывные области памяти, называемые сегментами .

Сегменты - это логические элементы программы.

Сама программа может обращаться только к данным, которые находятся в этих сегментах.

Сегмент представляет собой независимый, поддерживаемый на аппаратном уровне блок памяти.

Сегментация - механизм адресации, обеспечивающий существование нескольких независимых адресных пространств как в пределах одной задачи, так и в системе в целом для защиты задач от взаимного влияния.

Замечание. Программист может либо самостоятельно разбивать программу на фрагменты (сегменты), либо автоматизировать этот процесс и возложить его на систему программирования.

Для микропроцессоров Intel принят особый подход к управлению памятью. Каждая программа в общем случае может состоять из любого количества сегментов, но непосредственный доступ она имеет только к 3 основным сегментам: кода, данных и стека и к дополнительным сегментам данных (всего 3).

Операционная система (! а не сама программа) размещает сегменты программы в ОП по определенным физическим адресам, а значения этих адресов записывает в определенные места, в зависимости от режима работы микропроцессора:

 в реальном режиме адреса помещаются непосредственно в сегментные регистры (cs, ds, ss, es, gs, fs);

 в защищенном режиме - в специальную системную дескрипторную таблицу (Элементом дескрипторной таблицы является дескриптор сегмента. Каждый сегмент имеет дескриптор сегмента -8 байт. Существует три дескрипторные таблицы. Адрес каждой таблицы записывается в специальный системный регистр).

Для доступа к данным внутри сегмента обращение производится относительно начала сегмента линейно, т.е. начиная с 0 и заканчивая адресом, равным размеру сегмента. Этот адрес называется смещением ( offset ).

Таким образом, для обращения к конкретному физическому адресу ОП необходимо определить адрес начала сегмента и смещение внутри сегмента.

Физический адрес принято записывать парой этих значений, разделенных двоеточием

Например, 0040:001Ch; 0000:041Ch; 0020:021Ch; 0041:000Ch.

Каждый сегмент описывается дескриптором сегмента.

ОС строит для каждого исполняемого процесса соответствующую таблицу дескрипторов сегментов и при размещении каждого из сегментов в ОП или внешней памяти в дескрипторе отмечает его текущее местоположение (бит присутствия).

Дескриптор содержит поле адреса, с которого сегмент начинается и поле длины сегмента. Благодаря этому можно осуществлять контроль

1) размещения сегментов без наложения друг на друга

2) обращается ли код исполняющейся задачи за пределы текущего сегмента.

В дескрипторе содержатся также данные о правах доступа к сегменту (запрет на модификацию, можно ли его предоставлять другой задаче)  защита.

Достоинства:

1) общий объем виртуальной памяти превосходит объем физической памяти

2) возможность размещать в памяти как можно больше задач (до определенного предела)  увеличивает загрузку системы и более эффективно используются ресурсы системы

Недостатки:

1) увеличивается время на доступ к искомой ячейке памяти, т.к. должны вначале прочитать дескриптор сегмента, а потом уже, используя его данные, можно вычислить физический адрес (для уменьшения этих потерь используется кэширование - дескрипторы, с которыми работа идет в данный момент размещаются в сверхоперативной памяти - в специальных регистрах процессора);

2) фрагментация;

3) потери памяти на размещение дескрипторных таблиц

4) потери процессорного времени на обработку дескрипторных таблиц.

Сегментированная модель памяти поддерживается и в реальном, и в защищенном режимах работы микропроцессора.

Многие энтузиасты компьютерных технологий со стажем помнят времена, когда частоты процессоров измерялись в мегагерцах, и производители (то есть Intel и AMD) старались опередить друг друга по этому показателю. Затем уровень энергопотребления и теплоотдача процессоров выросли настолько, что продолжать эту гонку стало невозможным. В последние годы начали наращивать количество процессорных ядер, но в результате был достигнут предел, когда этот рост стал невыгоден. Теперь получение наибольшей мощности на Ватт стало главным фактором производительности.

Все эти изменения произошли не потому, что разработчики столкнулись с физическими пределами дальнейшего развития существующих процессоров. Скорее, производительность оказалась ограничена тем фактом, что прогресс в некоторых областях — в первую очередь энергоэффективности — был медленнее прогресса в других сферах, вроде расширения функциональных возможностей и наборов команд. Однако может ли быть так, что теперь физический предел процессоров и их вычислительной мощности уже близок? Игорь Марков из Университета Мичигана рассмотрел этот вопрос в статье в журнале Nature.

Рассматриваем преграды

Марков отмечает, что, основываясь на чисто физических ограничениях, некоторые учёные подсчитали, что закона Мура хватит ещё на сотни лет. С другой стороны, группа International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) даёт ему пару десятилетий жизни. Впрочем, прогнозы ITRS можно ставить под сомнение: раньше эта группа предсказывала процессоры с частотой 10 ГГц во времена чипов Core2. Причина этого расхождения состоит в том, что многие жёсткие физические ограничения так и не вступили в игру.

Например, крайний предел размера функционального блока — один атом, что представляет собой конечный физический предел. Но задолго до того, как получится достичь этого предела, физика ограничивает возможность точно контролировать поток электронов. Другими словами, схемы потенциально могут достичь толщины одного атома, но их поведение значительно раньше станет ненадёжным. Большая часть текущей работы Intel по переходу на более тонкие технологические процессы (меньшие транзисторы) состоит в выяснении того, как структурировать отдельные компоненты, чтобы они могли продолжают функционировать как положено.

Суть аргумента Маркова можно понять примерно так: хотя существуют жёсткие физические пределы, они часто не имеют отношения к проблемам, сдерживающим современный полупроводниковый прогресс. Вместо этого, мы сталкиваемся с более мягкими ограничениями, которые зачастую можно обойти. «Когда наступает момент определённого препятствующего прогрессу ограничения, понимание его природы является ключом к его преодолению», пишет он. «Некоторые ограничения можно просто проигнорировать, в то время как другие остаются гипотетическими и основаны только на эмпирических данных; их трудно установить с высокой степенью определённости».

В результате то, что кажется преградами развития, часто преодолевается сочетанием творческого мышления и усовершенствованной технологии. Пример Маркова — дифракционный предел. Первоначально он должен был удержать лазеры на основе аргона-фтора от травления любых структур тоньше 65 нанометров. Но с помощью субволновой дифракции мы в настоящее время работаем над 14 нм структурами, используя этот же лазер.

Где находятся современные пределы?

Марков уделяет внимание двум вопросам, которые считает крупнейшими пределами: энергетика и связь. Вопрос энергопотребления происходит из того, что количество энергии, используемой современными цепями, не сокращается пропорционально уменьшению их физических размеров. Основной результат этого: усилия, сделанные с целью блокировать части чипа в те моменты, когда они не задействованы. Но с нынешними темпами развития данного подхода в каждый конкретный момент времени неактивной является большая часть чипа — отсюда происходит термин «тёмный кремний».

Использование энергии пропорционально рабочему напряжению чипа, а транзисторы просто не могут работать ниже уровня 200 мВ. Сейчас их напряжение в 5 раз выше, так что тут есть простор для снижения. Но прогресс в уменьшении рабочего напряжения замедлился, так что мы снова может прийти к технологическим ограничениям раньше, чем к физическим.

Проблема использования энергии связана с вопросом коммуникации: большая часть физического объёма чипа и большая часть его энергопотребления расходуется на взаимодействие между разными его блоками или остальной частью компьютера. Здесь мы действительно добираемся до физических пределов. Даже если сигналы в чипе двигались бы со скоростью света, чип на частоте выше 5 ГГц не сможет передавать информацию с одной стороны чипа к другому. Лучшее, что мы можем сделать с учётом современных технологий, это попытаться разработать чипы, в которых часто обменивающиеся друг с другом данными блоки были бы физически близко расположены. Включение в уравнение третьего измерения (то есть трёхмерные цепи) могло бы помочь, но лишь незначительно.

Что дальше?

Марков не особенно оптимистичен относительно грядущих изменений. В ближайшей перспективе он ожидает, что использование углеродных нанотрубок для проводки и оптических межсоединений для связи продолжит тенденцию, помогающую нам избежать столкновения с физическими пределами. Однако он отмечает, что обе эти технологии имеют свои собственные ограничения. Углеродные нанотрубки могут быть небольшими, до нанометра в диаметре, но предел размера есть и у них. И фотоны, если они будут использоваться для связи, потребуют аппаратного обеспечения и энергии.

Многие возлагают надежды на квантовые компьютеры, но Марков не один из их поклонников. «Квантовые компьютеры, как цифровые, так и аналоговые, вселяют надежду только в нишевых приложениях и не предлагают значительной производительности в сфере вычислений общего назначения, поскольку не могут быстро выполнять сортировку и другие специфические задачи», утверждает он. Проблема также в том, что это оборудование лучше всего работает при близкой к абсолютному нулю температуре, при комнатной же производительность крайне низкая.

Однако все вычисления в той или иной степени полагаются на квантовые эффекты, и Марков считает, что кое-что полезное из квантовых систем извлечь можно. «Отдельные квантовые устройства приближаются к энергетическим пределам для коммутации, тогда как неквантовые устройства остаются на порядок позади». Очевидно, что получение даже небольшой степени эффективности квантовых систем может сделать большой задел в расходе энергии в пределах всего чипа.

Другой физический предел по Маркову: стирание бита информации имеет термодинамическую стоимость, которую нельзя избежать — вычисления всегда расходуют энергию. Одна из идей для того, чтобы избежать этого предела — «обратимые вычисления», когда компоненты возвращаются в исходное состояние после расчёта. Этот способ может, по крайней мере в теории, позволить получить обратно часть использованной энергии.

Идея эта не является полностью теоретической. Марков цитирует работы с использованием сверхпроводящих цепей (которые он называет «весьма экзотическими»), обеспечивающих обратимое поведение и рассеивание энергии ниже термодинамического предела. Конечно, здесь применяется всего 4 микрокельвина, так что больше энергии тратиться на проверку работоспособности цепей, чем на саму их работу.

За пределами физики

В то время как физика и материаловедение ставят множество ограничений на аппаратную составляющую, математика накладывает ограничения на то, что мы можем с ними сделать. И несмотря на свою репутацию точной науки, математические ограничения намного более расплывчатые, чем физические. Например, до сих пор нет ответа на равенство классов сложности P и NP, несмотря на годы усилий. И хотя мы можем доказать, что некоторые алгоритмы являются наиболее эффективными для общих случаев, легко найти также диапазоны проблем, где альтернативные вычислительные подходы работают лучше.

Самая большая проблема, которую здесь видит Марков, это борьба за извлечение из кода большего параллелизма. Даже дешёвые смартфоны теперь работают на многоядерных процессорах, но до сих пор их использование не оптимально.

В целом складывается впечатление, что главным ограничением является человеческий разум. Хотя Марков не видит на подходе новых фантастических технологий, он оптимистично надеется на устранение текущих препятствий или их обход за счёт прогресса в других областях.

О том, что с каждым новым поколением литографического техпроцесса становится всё труднее соответствовать так называемому закону Мура, представители Intel не перестают говорить при первом удобном случае. Удвоение количества транзисторов на единице площади микросхемы, которое до сих пор происходило с завидной регулярностью, в будущем может замедлиться, да и сохранение действия закона Мура требует от производителей всё больших материальных затрат, не говоря уже об инженерных ресурсах.

Как признался на организованной институтом IMEC профильной конференции Майк Мэйберри (Mike Mayberry), возглавляющий в Intel направление исследований в сфере компонентов, участники рынка должны пересмотреть концепцию научных разработок в области литографии, чтобы успешно преодолеть очередные физические барьеры на пути повышения производительности микросхем. Комментарии докладчика зафиксировали коллеги с сайта EE Times .

Будущее полупроводниковой промышленности достаточно чётко прогнозируется до момента освоения 10-нм технологии, как сообщает Майк Мэйберри. Компания Intel при помощи имеющихся и ряда перспективных технологий покорит этот рубеж к 2015 году. Однако, по мере уменьшения технологических норм до 7 нм и ниже, возможность применения кремния в качестве одного из основных строительных материалов для выпуска микросхем уже ставится под вопрос. По мнению Мэйберри, участники рынка должны сообща заняться проблемой поиска новых материалов, причём работа должна вестись по нескольким направлениям сразу. Сейчас же все производители полупроводников с разным успехом используют примерно одни и те же идеи. В будущем такая узкая специализация не позволит своевременно выявить новое перспективное направление, которое и будет взято за основу для развития отрасли.

Не только новые материалы (арсенид галлия или германий), но и новые структуры транзисторов будут активно применяться в попытках поиска решений для продолжения выпуска микросхем с всё более "тонкими" технологическими нормами. Наличие альтернатив – это и хорошо, и плохо. Ни одна компания в одиночку подобный объём работ по изучению всех вариантов развития не осилит, а риски сделать ставку "не на ту лошадь" весьма высоки. Мы уже могли наблюдать, как конкурирующие потребители литографического оборудования взялись дружно финансировать ASML. Это доказывает, что ради решения общих проблем участники рынка могут договариваться. В сфере разработки новых литографических технологий подобная консолидация тоже жизненно необходима, сообщает представитель Intel. Денег в этой сфере достаточно, по мнению Мэйберри, нужно лишь правильно расставлять приоритеты в финансировании.

Вспомните, каким был ваш первый компьютер и сравните его со нынешним. Почему каждый следующий смартфон или компьютер получается более мощным и компактным, чем предыдущий? Ответ на этот вопрос вы найдёте в законе Мура, который гласит: «Количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца!». Готовы поспорить, что об этом законе многие слышат впервые и к тому же, совсем не понимают, о чём идёт речь. Между тем, он отметил свой 50-летний юбилей. И эти полстолетия электроника развивалась строго в соответствии с ним. Но будет ли так всегда?

Наблюдение, ставшее законом

Закон Мура известен любому, кто имеет отношение к производству микропроцессоров, разбирается в микроэлектронике и микросхемах или хорошо понимает, как устроен компьютер.Чтобы смысл закона Мура стала понятен и вам, мы сформулируем его по-другому, используя простые и понятные слова: Вычислительная мощность и производительность компьютера удваивается каждые 24 месяца.

Действительно, персональные , ноутбуки, смартфоны очень быстро устаревают. Вы, наверное, замечали: не успел купить новую модель, через некоторое время появляются более мощные, более быстрые, с большим объёмом памяти. При этом их цена остаётся прежней, а если повышается, то не на много. И все это благодаря развитию технологий.

Гордон Мур – один из тех, кто в 1968 году основал корпорацию Intel. В течение первых семи лет был исполнительным вице-президентом корпорации. Затем президентом и главным управляющим Intel. До 1997 года занимал пост председателя совета директоров. Ныне 87-летний Гордон Мур является почётным председателем совета директоров корпорации Intel и проживает на Гавайях.

Свой закон Гордон Мур вывел на основе наблюдений, а огласил его в 1965 году. Он заметил, что ежегодно стоимость одного транзистора уменьшается, а их количество на одном кристалле удваивается. Это объяснялось бурным развитием микроэлектроники и растущими потребностями в более мощных компьютерах. Но через десять лет Гордон Мур внёс в свой закон небольшие изменения: число транзисторов удваивается каждые два года.

Связано это было с тем, что разработка новинок стоит дополнительных денег и их необходимо окупить. Поэтому слишком частый выпуск новых продуктов не даёт компании достаточно времени заработать на них, а слишком редкий выпуск новых продуктов открывал бы дорогу конкурентам. Чтобы компания не осталась в убытках, нужна золотая середина, которую и нащупал Мур.

То, что изначально было интересным наблюдением, впоследствии стало правилом и законом для всей индустрии, которая жила и развивалась по ним все 50 лет. Однако теперь многие эксперты заявляют, что дни «закона Мура» сочтены. Чтобы разобраться, так ли это, нужно стать немножко специалистом. Попробуем?

Как работает транзистор

Итак, интегральная схема (синонимы: микросхема, чип) – это, как бы, мозг любого электронного устройства. Мы не зря использовали слово мозг, ведь у чипа тоже есть своя память и логика. Человеческий мозг получает информацию, перерабатывает, а потом передаёт её другим органам человека. Вернее, это делают нейроны головного мозга при помощи химических и электрических сигналов. Чип, как и мозг, также обрабатывает, хранит и передаёт информацию при помощи электрических сигналов. Но только роль нейронов играют транзисторы. Благодаря транзисторам, чип может выполнять наши команды. Например, банковские карты, удостоверения личности, SIM-карты имеют встроенные чипы, которые хранят разную информацию, обрабатывают её, а также выполняют разные операции.

Таким образом, транзисторы определяют работу всей интегральной схемы, потому что они усиляют, генерируют и преобразовывают электрические сигналы. Другими словами, транзистор – это усилительный элемент. Он позволяет с помощью слабого сигнала управлять гораздо более сильным.

Чтобы было понятно, приведём аналогию. При нажатии педали акселератора (педали газа) увеличивается скорость автомобиля. При этом на педаль нажимать приходится не очень сильно. Мощность нажатия на педаль ничтожна по сравнению с мощностью, которую развивает при этом двигатель. Чем больше угол нажатия на педаль, тем больше открываются специальные клапаны (заслонки в карбюраторе), которые регулируют количество подаваемой топливно-воздушной смеси в двигатель, где она и сгорает, увеличивая давление внутри двигателя. Как следствие, увеличивается частота вращения вала двигателя и скорость движения автомобиля.

То есть, акселератор можно назвать усилительным элементом, который при помощи слабой энергии, затрачиваемой человеком при нажатии на педаль, управляет и преобразовывает более мощную энергию, источником которой является бензин.

В транзисторе всё происходит также. Только через него проходит не бензин, а электрический ток.

Физический предел

Как вы помните, закон Мура есть результат наблюдательности господина Мура, который при его формулировке не задумывался о законах математики и физики. Поэтому, чтобы он работал и далее, нужно, чтобы производители каждые два года умудрялись «впихивать» в чип в два раза больше транзисторов.

К сожалению, этот процесс не может быть бесконечным, и уменьшение размеров транзисторов имеет свой предел. Связано это в первую очередь с физическими ограничениями: невозможно делать элементы бесконечно маленькими. Когда транзистор станет размером в несколько атомов, в силу вступят квантовые взаимодействия. Это означает, что предсказать движение электронов станет просто невозможным,а это сделает транзистор бесполезным.

Но проблемы на этом не закончатся. Чем больше количество транзисторов в чипе, тем больше тепловыделение. Как вы знаете, высокие температуры сильно влияют на проводимость тока, что опять же может сделать транзистор непригодным.

На данный момент самый маленький размер транзисторов – 22 нанометра – в процессоре Intel Haswell (1 нанометр равен одной миллиардной части метра, т. е. 10−9метра). У корпорации Intel ещё имеется потенциал дальнейшего уменьшения размеров транзистора. Так, 10-нанометровые чипы должны появиться на рынке во второй половине 2017 года.

С каждым годом удвоение транзисторов на кристалле уже не делает их дешевле. Иначе говоря, следовать закону Мура уже невыгодно для производителей. Ведь с каждым новым шагом на преодоление физических барьеров начинает уходить больше средств: сложные материалы, суперсовременное оборудование, огромный штат научных сотрудников и при этом – большое количество отбракованных микросхем, ведь при создание супертонкой кристаллической кремниевой пластинки с встроенными в неё микроскопическими транзисторами будет очень чувствительна даже к небольшим, незаметным человеку изменениям, например колебаниям земной коры.

Итак, рано или поздно, законы природы положат конец господству закона Мура. Окончание эры стремительного развития кремниевых транзисторов предсказывают на 2020-2025 годы. Что же ждёт компьютеры дальше? Эксперты предрекают, что появятся 3D- и молекулярные транзисторы, а в более далёкой перспективе – квантовые.

Микропроцессор (МП) - это программно-управляемое устройство, которое предназначено для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки и выполнено в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС).

Понятие большая интегральная схема в настоящее время четко не определено. Ранее считалось, что к этому классу следует относить микросхемы, содержащие более 1000 элементов на кристалле. И действительно, в эти параметры укладывались первые микропроцессоры. Например, 4-разрядная процессорная секция микропроцессорного комплекта К584, выпускавшегося в конце 1970-х годов, содержала около 1500 элементов. Сейчас, когда микропроцессоры содержат десятки миллионов транзисторов и их количество непрерывно увеличивается, под БИС будем понимать функционально сложную интегральную схему .

Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, основу которой составляет микропроцессор.

Микропроцессор характеризуется большим количеством параметров и свойств, так как он является, с одной стороны, функционально сложным вычислительным устройством, а с другой - электронным прибором, изделием электронной промышленности. Как средство вычислительной техники он характеризуется прежде всего своей архитектурой , то есть совокупностью программно-аппаратных свойств, предоставляемых пользователю. Сюда относятся система команд, типы и форматы обрабатываемых данных, режимы адресации, количество и распределение регистров, принципы взаимодействия с оперативной памятью и внешними устройствами (характеристики системы прерываний, прямой доступ к памяти и т. д.). По своей архитектуре микропроцессоры разделяются на несколько типов (рис. 1.1).

Универсальные микропроцессоры предназначены для решения задач цифровой обработки различного типа информации от инженерных расчетов до работы с базами данных, не связанных жесткими ограничениями на время выполнения задания. Этот класс микропроцессоров наиболее широко известен. К нему относятся такие известные микропроцессоры, как МП ряда Pentium фирмы Intel и МП семейства Athlon фирмы AMD .

Рис. 1.1.

Характеристики универсальных микропроцессоров :

• разрядность: определяется максимальной разрядностью целочисленных данных, обрабатываемых за 1 такт, то есть фактически разрядностью арифметико-логического устройства ( АЛУ );
• виды и форматы обрабатываемых данных;
• система команд, режимы адресации операндов;
• емкость прямоадресуемой оперативной памяти: определяется разрядностью шины адреса ;
• частота внешней синхронизации. Для частоты синхронизации обычно указывается ее максимально возможное значение, при котором гарантируется работоспособность схемы. Для функционально сложных схем, к которым относятся и микропроцессоры, иногда указывают также минимально возможную частоту синхронизации. Уменьшение частоты ниже этого предела может привести к отказу схемы. В то же время в тех применениях МП, где не требуется высокое быстродействие, снижение частоты синхронизации - одно из направлений энергосбережения. В ряде современных микропроцессоров при уменьшении частоты он переходит в < спящий режим >, при котором сохраняет свое состояние. Частота синхронизации в рамках одной архитектуры позволяет сравнить производительность микропроцессоров. Но разные архитектурные решения влияют на производительность гораздо больше, чем частота;
• производительность: определяется с помощью специальных тестов, при этом совокупность тестов подбирается таким образом, чтобы они по возможности покрывали различные характеристики микроархитектуры процессоров, влияющие на производительность.

Универсальные микропроцессоры принято разделять на CISC - и RISC-микропроцессоры . CISC-микропроцессоры (Completed Instruction Set Computing - вычисления с полной системой команд) имеют в своем составе весь классический набор команд с широко развитыми режимами адресации операндов. Именно к этому классу относятся, например, микро процессоры типа Pentium . В то же время RISC-микропроцессоры ( reduced instruction set computing - вычисления с сокращенной системой команд) используют, как следует из определения, уменьшенное количество команд и режимов адресации. Здесь прежде всего следует выделить такие микропроцессоры, как Alpha 21x64, Power PC. Количество команд в системе команд - наиболее очевидное, но на сегодняшний день не самое главное различие в этих направлениях развития универсальных микропроцессоров. Другие различия мы будем рассматривать по мере изучения особенностей их архитектуры.

Однокристальные микроконтроллеры (ОМК или просто МК) предназначены для использования в системах промышленной и бытовой автоматики. Они представляют собой большие интегральные схемы, которые включают в себя все устройства, необходимые для реализации цифровой системы управления минимальной конфигурации: процессор (как правило, целочисленный), ЗУ команд, ЗУ данных, генератор тактовых сигналов, программируемые устройства для связи с внешней средой ( контроллер прерывания , таймеры-счетчики, разнообразные порты ввода/вывода), иногда аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и т. д. В некоторых источниках этот класс микропроцессоров называется однокристальными микро-ЭВМ (ОМЭВМ).

В настоящее время две трети всех производимых микропроцессорных БИС в мире составляют МП этого класса, причем почти две трети из них имеет разрядность, не превышающую 16 бит. К классу однокристальных микроконтроллеров прежде всего относятся микропроцессоры серии MCS -51 фирмы Intel и аналогичные микропроцессоры других производителей, архитектура которых де-факто стала стандартом.

Отличительные особенности архитектуры однокристальных микроконтроллеров :

• физическое и логическое разделение памяти команд и памяти данных (гарвардская архитектура), в то время как в классической неймановской архитектуре программы и данные находятся в общем запоминающем устройстве и имеют одинаковый механизм доступа;
• упрощенная и ориентированная на задачи управления система команд: в МК, как правило, отсутствуют средства обработки данных с плавающей точкой, но в то же время в систему команд входят команды, ориентированные на эффективную работу с датчиками и исполнительными устройствами, например, команды обработки битовой информации;
• простейшие режимы адресации операндов.

Основные характеристики микроконтроллеров (в качестве примера численные значения представлены для MK-51):

1. Разрядность (8 бит).
2. Емкость внутренней памяти команд и памяти данных, возможности и пределы их расширения:
   • внутренняя память команд - 4 Кбайт (в среднем команда имеет длину 2 байта, таким образом, во внутренней памяти может быть размещена программа длиной около 2000 команд); возможность наращивания за счет подключения внешней памяти до 64 Кбайт;
   • память данных на кристалле 128 байт (можно подключить внешнюю память общей емкостью до 64 Кбайт).
3. Тактовая частота :
   • внешняя частота 12 МГц;
   • частота машинного цикла 1 МГц.
4. Возможности взаимодействия с внешними устройствами: количество и назначение портов ввода-вывода , характеристики системы прерывания, программная поддержка взаимодействия с внешними устройствами.

Наличие и характеристики встроенных аналого-цифровых преобразователей ( АЦП ) и цифро-аналоговых преобразователей ( ЦАП ) для упрощения согласования с датчиками и исполнительными устройствами системы управления.

Секционированные микропроцессоры (другие названия: микропрограммируемые и разрядно-модульные) - это микропроцессоры, предназначенные для построения специализированных процессоров. Они представляют собой микропроцессорные секции относительно небольшой (от 2 до 16) разрядности с пользовательским доступом к микропрограммному уровню управления и средствами для объединения нескольких секций.

Такая организация позволяет спроектировать процессор необходимой разрядности и со специализированной системой команд. Из-за своей малой разрядности микропроцессорные секции могут быть построены с использованием быстродействующих технологий. Совокупность всех этих факторов обеспечивает возможность создания процессора, наилучшим образом ориентированного на заданный класс алгоритмов как по системе команд и режимам адресации, так и по форматам данных.

Одним из первых комплектов секционированных микропроцессоров были МП БИС семейства Intel 3000. В нашей стране они выпускались в составе серии К589 и 585. Процессорные элементы этой серии представляли собой двухразрядный микропроцессор. Наиболее распространенным комплектом секционированных микропроцессоров является Am2900, основу которого составляют 4-разрядные секции. В нашей стране аналог этого комплекта выпускался в составе серии К1804. В состав комплекта входили следующие БИС:

• разрядное секционное АЛУ ;
• блок ускоренного переноса;
• разрядное секционное АЛУ с аппаратной поддержкой умножения;
• тип схем микропрограммного управления;
• контроллер состояния и сдвига;
• контроллер приоритетных прерываний .

Основным недостатком микропроцессорных систем на базе секционированных микропроцессорных БИС явилась сложность проектирования, отладки и программирования систем на их основе. Использование специализированной системы команд приводило к несовместимости разрабатываемого ПО для различных микропроцессоров. Возможность создания оптимального по многим параметрам специализированного процессора требовала труда квалифицированных разработчиков на протяжении длительного времени. Однако бурное развитие электронных технологий привело к тому, что за время проектирования специализированного процессора разрабатывался универсальный микропроцессор, возможности которого перекрывали гипотетический выигрыш от проектирования специализированного устройства. Это привело к тому, что в настоящее время данный класс микропроцессорных БИС практически не используется.

Процессоры цифровой обработки сигналов , или цифровые сигнальные процессоры , представляют собой бурно развивающийся класс микропроцессоров, предназначенных для решения задач цифровой обработки сигналов - обработки звуковых сигналов, изображений, распознавания образов и т. д. Они включают в себя многие черты однокристальных микро-контроллеров: гарвардскую архитектуру, встроенную память команд и данных, развитые возможности работы с внешними устройствами. В то же время в них присутствуют черты и универсальных МП, особенно с RISC -архитектурой: конвейерная организация работы, программные и аппаратные средства для выполнения операций с плавающей запятой , аппаратная поддержка сложных специализированных вычислений, особенно умножения.

Как электронное изделие микропроцессор характеризуется рядом параметров, наиболее важными из которых являются следующие:

1. Требования к синхронизации: максимальная частота, стабильность.
2. Количество и номиналы источников питания, требования к их стабильности. В настоящее время существует тенденция к уменьшению напряжения питания, что сокращает тепловыделение схемы и ведет к повышению частоты ее работы. Если первые микропроцессоры работали при напряжении питания+-15В, то сейчас отдельные схемы используют источники менее 1 В.
3. Мощность рассеяния - это мощность потерь в выходном каскаде схемы, превращающаяся в тепло и нагревающая выходные транзисторы. Иначе говоря, она характеризует показатель тепловыделения БИС, что во многом определяет требования к конструктивному оформлению микропроцессорной системы . Эта характеристика особенно важна для встраиваемых МПС.
4. Уровни сигналов логического нуля и логической единицы, которые связаны с номиналами источников питания.
5. Тип корпуса - позволяет оценить пригодность схемы для работы в тех или иных условиях, а также возможность использования новой БИС в качестве замены существующей на плате.
6. Температура окружающей среды, при которой может работать схема. Здесь выделяют два диапазона:
   • коммерческий (0 0 С … +70 0 С);
   • расширенный (-40 0 С … +85 0 С).
7. Помехоустойчивость - определяет способность схемы выполнять свои функции при наличии помех. Помехоустойчивость оценивается интенсивностью помех, при которых нарушение функций устройства еще не превышает допустимых пределов. Чем сильнее помеха, при которой устройство остается работоспособным, тем выше его помехоустойчивость.
8. Нагрузочная способность , или коэффициент разветвления по выходу, определяется числом схем этой же серии, входы которых могут быть присоединены к выходу данной схемы без нарушения ее работоспособности. Чем выше нагрузочная способность, тем шире логические возможности схемы и тем меньше таких микросхем необходимо для построения сложного вычислительного устройства. Однако с увеличением этого коэффициента ухудшаются помехоустойчивость и быстродействие.
9. Надежность - это способность схемы сохранять свой уровень качества функционирования при установленных условиях за установленный период времени. Обычно характеризуется интенсивностью отказов (час-1) или средним временем наработки на отказ (час). В настоящее время этот параметр для больших инте- гральных схем обычно не указывается изготовителем. О надежности МП БИС можно судить по косвенным показателям, например, по приводимой разработчиками средств вычислительной техники надежности изделия в целом.
10. Характеристики технологического процесса . Основной показатель здесь - разрешающая способность процесса. В настоящее время она составляет 32 нм, то есть около 30 тыс. линий на 1 мм. Более совершенный технологический процесс позволяет создать микропроцессор, обладающий большими функциональными возможностями.

Рис. 1.2.

Затраты на изготовление устройств, использующих микропроцессорные БИС, представлены на рис. 1.2 . Здесь:

1. затраты на изготовление БИС (чем больше степень интеграции элементов на кристалле, тем дороже обходится производство схемы);
2. затраты на сборку и наладку микропроцессорной системы (с увеличением функциональных возможностей МП потребуется меньше схем для создания МПС);
3. общая стоимость микропроцессорной системы , которая складывается из затрат (1) и (2). Она имеет некоторое оптимальное значение для данного уровня развития технологии;
4. переход на новую технологию (оптимальным будет уже другое количество элементов на кристалле, а общая стоимость изделия снижается).

В 1965 году Гордон Мур сформулировал гипотезу, известную в настоящее время как <закон Мура>, согласно которой каждые 1,5-2 года число транзисторов в расчете на одну интегральную схему будет удваиваться. Это обеспечивается непрерывным совершенствованием технологических процессов производства микросхем.

Наиболее развитая в технологическом отношении фирма Intel в жизненном цикле полупроводниковых технологий, создаваемых и применяемых в корпорации, выделяет шесть стадий.

Самая ранняя стадия проходит за пределами Intel - в университетских лабораториях и независимых исследовательских центрах, где ведутся поиски новых физических принципов и методов, которые могут стать основой научно-технологического задела на годы вперед. Корпорация финансирует эти исследования.

На второй стадии исследователи Intel выбирают наиболее перспективные направления развития новых технологий. При этом обычно рассматривается 2-3 варианта решения.

Главная задача третьей стадии - полная черновая проработка новой технологии и демонстрация ее осуществимости.

После этого начинается четвертая стадия, главная цель которой - обеспечить достижение заданных значений таких ключевых технических и экономических показателей, как выход годных изделий, надежность, стоимость и некоторые другие. Завершение этапа подтверждается выпуском первой промышленной партии новых изделий.

Пятая стадия - промышленное освоение новой технологии. Эта проблема не менее сложна, чем разработка самой технологии, поскольку необычайно трудно в точности воспроизвести в условиях реального производства то, что было получено в лаборатории. Обычно именно здесь возникают задержки со сроками выпуска новых изделий, с достижением запланированного объема поставок и себестоимости продукции.

Последняя, шестая стадия жизненного цикла технологии (перед отказом от ее применения) - зрелость. Зрелая технология, подвергаясь определенному совершенствованию с целью повышения производительности оборудования и снижения себестоимости продукции, обеспечивает основные объемы производства. По мере внедрения новых, более совершенных технологий <старые> производства ликвидируются.

Но не сразу: сначала они переводятся на выпуск микросхем с меньшим быстродействием или с меньшим числом транзисторов , например, периферийных БИС.