Развитие микропроцессорной техники | Структура и режимы современных микропроцессоров

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.

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.