Тенденции
развития микропроцессорной техники. Структура и режимы функционирования
современных микропроцессоров
В настоящее
время существует целый ряд закономерностей развития вычислительной техники,
которые позволяют предвидеть и предсказывать основные результаты этого
движения. При этом еще академик В.М. Глушков указывал, что существует три
глобальные сферы деятельности человека, которые требуют использования качественно
различных типов ЭВМ.
Первое направление является традиционным – применение ЭВМ для
автоматизации вычислений. Это задачи проектирования новых образцов техники,
моделирования сложных процессов, атомная и космическая техника и др.
Отличительной особенностью этого направления является наличие хорошей
математической основы, заложенной развитием математических наук и их
приложений. Первый, а затем и последующие вычислительные машины классической
структуры в первую очередь создавались для автоматизации вычислений.
Вторая сфера применения ЭВМ связана с использованием их в системах
управления. Она родилась примерно в 60-е годы, когда ЭВМ стали интенсивно
внедряться в контуры управления автоматических и автоматизированных систем.
Новое применение вычислительных машин потребовало видоизменение их структуры.
ЭВМ, используемые в управлении, должны были не только обеспечивать вычисления,
но и автоматизировать сбор данных и распределение результатов обработки.
Сопряжение с каналами связи потребовало усложнения режимов работы ЭВМ, сделало
их многопрограммными и многопользовательскими. Для исключения взаимных помех
между программами пользователя в структуру машин были введены средства
разграничения: блоки прерывания и приоритетов, блоки защиты и т.п. Для
управления разнообразной периферией стали использоваться специальные процессоры
ввода-вывода данных или каналы. Именно тогда и появился дисплей как средство
оперативного человеко-машинного взаимодействия пользователя с ЭВМ.
Этой сфере в наибольшей степени отвечали мини-ЭВМ. Машины этого типа имели
такие особенности:
- были более дешевыми по
сравнению с большими ЭВМ, обеспечивающими централизованную обработку
данных;
- были более надежными, особенно
при работе в контуре управления;
- обладали большой гибкостью и
адаптируемостью настройки на конкретные условия функционирования;
- имели архитектурную
прозрачность, т.е. структура и функции ЭВМ были понятны пользователям.
В настоящее
время использование мини-ЭВМ сокращается. Исчезает и термин мини-ЭВМ. На смену
им приходят ЭВМ других типов: это серверы, обеспечивающие диспетчерские функции
в сетях ЭВМ, средние ЭВМ или старшие модели персональных ЭВМ (ПЭВМ).
Третье направление связано с применением ЭВМ для решения задач
искусственного интеллекта. Примеры подобных задач: задачи робототехники,
доказательства теорем, машинного перевода текстов с одного языка на другой,
планирования с учетом неполной информации, составления прогнозов, моделирования
сложных процессов и явлений и т.д.
Для
решения различных задач нужна соответственно и различная вычислительная
техника. Так, например, фирма IBM в настоящее время выпускает в основном четыре
класса компьютеров, перекрывая ими широкий класс задач пользователей.
- Большие ЭВМ (mainframe),
которые представляют собой многопользовательские машины с центральной
обработкой, с большими возможностями для работы с базами данных, с
различными средствами удаленного доступа. Они в настоящее время продолжают
развиваться, и выпуск их снова стал увеличиваться, хотя их доля в общем
парке постоянно снижается. Новое их поколение предназначено для
использования в сетях в качестве крупных серверов. Начало этого
направления было положено фирмой IBM еще в 60-е годы выпуском машин
IBM/360, IBM/370. Эти машины получили широкое распространение в мире.
Новая серия машин S/390 продолжает эту линию. Она насчитывает более двух
десятков моделей: а) IBM S/390 Parallel Enterprise Server-Generation
3 (13 моделей) – призваны заменить большие ЭВМ ранних моделей. Они
позволяют задавать переменную конфигурацию (число процессоров – 1-10,
емкость оперативной памяти – 512-81292 Мбайта, число каналов – 3-256); б)
IBM S/390 Multiprise 2000 (тоже 13 моделей) – ориентированы на
использование на средних предприятиях (число процессоров 1-5).
- Машины RS/6000 – мощные по
производительности и предназначенные для построения рабочих станций для
работы с графикой, серверов, кластерных комплексов. Первоначально эти
машины предполагалось применять для обеспечения научных исследований.
- Средние ЭВМ, предназначенные в
первую очередь для работы в финансовых структурах (ЭВМ типа AS/400
(Advanced Portable Model 3) – «бизнес-компьютеры», 64-разрядные). В этих
машинах особое внимание уделяется сохранению и безопасности данных,
программной совместимости и т.д. Они могут использоваться в качестве
серверов в локальных сетях.
- Компьютеры на платформе
микросхем фирмы Intel. IBM-совместимые компьютеры этого класса составляют
примерно 50% рынка всей компьютерной техники. Более половины их поступает
в сферу малого бизнеса. В настоящее время фирма IBM проводит большие
исследования и развитие собственной альтернативной платформы, получившей
название Power PC. Это направление может позволить улучшить структуру
аппаратурных средств ПК, а значит, и эффективность их применения. Однако
новые модели этой платформы пока не выдерживают конкуренции с IBM PC.
Немаловажным здесь является и неразвитость рынка программного обеспечения.
Поэтому у массового пользователя это направление спроса не находит, и доля
компьютера с процессором Power PC незначительна.
Кроме
перечисленных типов вычислительной техники существует класс вычислительных
систем, получивших название «суперЭВМ». Особенно эффективно применение суперЭВМ
при решении задач проектирования, в которых натурные эксперименты оказываются
дорогостоящими, недоступными или практически неосуществимыми. Одним из примеров
подобных крупномасштабных задач следует считать задачу разработки новых схем
СБИС для следующих поколений ЭВМ. СуперЭВМ позволяют по сравнению с другими
типами машин точнее, быстрее и качественнее решать подобные задачи, обеспечивая
необходимый приоритет в разработках перспективной вычислительной техники.
Дальнейшее развитие суперЭВМ связывается с использованием направления массового
параллелизма, при котором одновременно могут работать сотни и даже тысячи
процессоров.
Существует и еще один класс наиболее массовых средств ЭВТ – встраиваемые
микропроцессоры. Успехи микроэлектроники позволяют создавать миниатюрные
вычислительные устройства, вплоть до однокристальных ЭВМ. Эти устройства,
универсальные по характеру применения, могут встраиваться в отдельные машины,
объекты, системы. Они находят все большее применение в бытовой технике
(телефонах, телевизорах, электронных часах, микроволновых печах и т.д.), в
городском хозяйстве (энерго-, тепло-, водоснабжении, регулировке движения
транспорта и т.д.), на производстве (робототехнике, управлении технологическими
процессами).
Таким образом, можно предложить следующую классификацию средств вычислительной
техники, в основу которой положено их разделение по быстродействию.
- СуперЭВМ для решения крупномасштабных
вычислительных задач, для обслуживания крупнейших информационных банков
данных.
- Большие ЭВМ широкого назначения
для управления сложными технологическими производственными процессами. ЭВМ
этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой
информации в качестве сетевых серверов.
- Персональные и профессиональные
ЭВМ, позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей.
На базе этого класса ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места (АРМ)
для специалистов различного уровня.
- Встраиваемые микропроцессоры,
осуществляющие автоматизацию управления отдельными устройствами и
механизмами.
Согласно
концепции Дж. фон Неймана (вторая половина 40-х годов) определяется автономно
работающая универсальная машина, объединяющая устройство управления, двоичное
арифметическое устройство, память, устройства ввода и вывода в совокупности с
внутренними связями. [ Мультипроцессорные системы и параллельные вычисления:
Пер. с англ./Под ред. Ф.Г.Энслоу.-М.: Мир, 1976. - 384 с. ].
В
таких структурах вычисления выполняются последовательно под централизованным
управлением от команд. Набор команд составляет машинный язык низкого уровня для
простых операций над элементарными операндами. Память, хранящая как команды,
так и данные, состоит из ячеек фиксированного размера, линейно организованных в
одномерном адресном пространстве.
Для освобождения арифметико-логического устройства от функций ввода-вывода и
совмещения во времени процессов вычислений и ввода-вывода в середине 50-х годов
ввод-вывод стал осуществляться прямо через память, а в дальнейшем – при помощи
каналов ввода-вывода.
Традиционные неймановские архитектуры предусматривают единственное
арифметическое устройство и одну глобальную основную память. Это предполагает
последовательную обработку и ограничивает скоростные возможности таких
вычислительных систем. Это основное узкое место последовательных неймановских
архитектур устраняют параллельные архитектуры. В них независимо от формы
реализации во всех случаях обработка распараллеливается по нескольким
процессорам и выполняется с совмещением во времени, что позволяет значительно
повысить скорость вычислений.
По режиму работы компьютерных
систем различают системы, работающие в оперативном и неоперативном
временных режимах. Первые, как правило, используют режим реального масштаба
времени. Этот режим характеризуется жесткими
ограничениями на время решения задач в системе и предполагает высокую степень
автоматизации процедур ввода-вывода и обработки
данных.
От того, насколько структура КС соответствует структуре решаемых на этой
системе задач, зависит эффективность применения ЭВМ в целом. В наибольшей
степени структурные характеристики определяются
архитектурой системы.
|