АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА МИКРОПРОЦЕССОРОВ В СОСТАВЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Базовые аппаратные средства микропроцессора и вычислительной МАШИНЫ

Под архитектурой микропроцессора понимается описание способа организации и взаимодействия частей (компонентов) процессора, обусловленных характеристиками этих компонент, принципами их проектирования, связи и развития. Архитектура включает описание логических, физических, программных компонент МПр. В последнее время часто можно встретить термин микроархитектура процессора - это реализация архитектуры на уровне аппаратных (полупроводниковых) компонентов. Как правило, микроархитектура описывается в виде функциональной блок-схемы.

С точки зрения организации памяти исторически существуют две основные архитектуры МПр. Архитектура фон Неймана (принстонская архитектура) представлена на рис. 2.1

Архитектура процессора, предложенная фон Нейманом

Рис. 2.1 - Архитектура процессора, предложенная фон Нейманом

Часть линий, сгруппированных по функциональному назначению, называется шиной. В архитектуре фон Неймана есть следующие шины:

Шина данных (data bus) — двунаправленная шина, количество ее разрядов (линий связи) определяет скорость и эффективность информационного обмена, а также максимально возможное количество команд. Обычно шина данных имеет 8,16,20, 24, 32 или 64 разряда. Шина адреса (address bus) — определяет допустимый объем памяти и, следовательно, максимально возможный размер программы и максимально возможный объем запоминаемых данных. Количество адресов, обеспечиваемых шиной адреса, определяется как 2N, где N — количество разрядов. Не показана шипа управления (control bus), которая подключается к устройству управления и остальным компонентам МПр на рис. 2.1. Эта шина представляет собой набор линий, по которым происходит обмен управляющими сигналами между ЦПУ и внешними устройствами, в том числе и памятью.

Достоинством архитектуры фон Неймана является наиболее универсальной по способу применения и отличается гибкостью при использовании различных программных средств. Недостатками архитектуры фон Неймана являются:

  • 1. Ограничения по пропускной способности шины адреса и данных;
  • 2. Невозможность параллельного исполнения нескольких операций чтения/записи

Гарвардская архитектура представлена на рис. 2.2 :

Гарвардская архитектура процессора, предложенная Говардом Айхеном (Howard Aiken)

Рис. 2.2 - Гарвардская архитектура процессора, предложенная Говардом Айхеном (Howard Aiken)

Особенностью гарвардской архитектуры является использование раздельных адресных пространств для хранения команд и данных.

Достоинства гарвардской архитектуры следующие:

  • 1. Применение небольшой по объему памяти данных способствовало сокращению длины команд и ускорению поиска информации в памяти данных.
  • 2. Гарвардская архитектура позволяет организовать параллельное выполнение программ - выборка следующей команды может происходить одновременно с выполнением предыдущей, и нет необходимости останавливать процессор на время выборки команды.

Недостатком гарвардской архитектуры является отсутствие гибкости для выполнения программных процедур.

В современных вычислительных машинах функционально различают внутренние шины и внешние шины. К внутренним шинам относятся локальная шина/локальная шина памяти, общая системная шина, шина расширения. К внешним шинам относятся шины ввода/вывода - к ним подключаются внешние устройства с различными интерфейсами.

Гарвардская архитектура с разделением памяти команд и памяти данных первоначально применялась в специализированных ЭВМ, например в электроламповой ЭВМ «М-100», разработанной в 1958 г. в СССР для обработки информации от радиолокаторов кругового обзора в системах противовоздушной обороны. В конце 1970-х годов гарвардская архитектура начала интенсивно использоваться для разработки процессоров цифровой обработки сигналов. Здесь необходимый объем памяти данных, как правило, на порядок меньше требуемого объема памяти программ, потому что при цифровой обработке сигналов в данный момент времени требуется рассмотреть выборку т.е. группу цифровых отсчетов. Далее происходит обновление рассматриваемой выборки.

С точки зрения управления вводом-выводом различают внутренние шины и внешние шины. К внутренним шинам относится ряд шин. В первую очередь - локальная шина/локальная шина памяти (QPI, FSB, HyperTransport, VL-bus, первичная PCI- шина), которая подключена к контактам МПр и работает на его частоте. Эта шина может соединять МПр с ОЗУ или соединять МПр с системным контроллером памяти/контроллером общей системной шины (мостом). Дугой пример - общая системная шина (вторичная PCI-шина, PCI-Express, в некоторых вариантах Infiniband) - соединяет МПр с ограниченным числом высокоскоростных внешних устройств через мост/шлюз, а также соединяет внешние по отношению к ЦПУ высокоскоростные устройства с физической оперативной памятью. В случае шины PCI-Express соединение осуществляется через коммутатор. Шины расширения, например ISA и EISA, используются при наличии шины PCI и соединяет общую системную шину с относительно низкоскоростными внешними устройствами. В 1980-е... 1990-е годы шины ISA и EISA рассматривались как стандарты для общей системной шины, но сейчас эти стандарты устарели.

К внешним шинам относятся шины ввода/вывода для подключения внешних устройств с различными интерфейсами, таких как SCSI, Serial АТА, Serial Attached SCSI (SAS), USB, FireWire/IEEE 1394 (см. рис. 2.3).

Шины современных вычислительных машин

Рис. 2.3 - Шины современных вычислительных машин

В свою очередь шины ввода-вывода через специальное объединяющее устройство - мост - соединяются с общей системной шиной. Допускается, что при наличии, например, специальных адаптеров PCI, устройства могут подключаться к общей системной шине непосредственно.

Наличие тех или иных видов шин, их объединение зависит от конструкции вычислительной машины или другого компьютерного устройства. В современных МПр общая системная шина заменяется на участке между контроллерами внутренним локальным соединением, например высокоскоростным соединение DMI между «северным» и «южным» мостом. Одновременно «мосты» приобретают функции концентраторов (hub) для высокоскоростных подключений, что позволяет осуществлять высокоскоростную передачу информации между компонентами вычислительной машины без промежуточных преобразований и переприемов Контроллер оперативной памяти (а также и контроллер видеоядра) в настоящее время непосредственно располагается на кристалле МПр. Это первоначально было сделано для МПр типа Athlon 64, далее это было реализовано для микропроцессорной архитектуры Intel Nehalem Core i7 компании Intel. В результате системный контроллер кэш-памяти и ОЗУ выполняет функции управления высокоскоростными потоками видеоинформации. Следует отметить, что локальная шина в современных МПр (на примере Intel Core i7 и AMD Athlon64) применяется также для связи между отдельными процессорами по схеме «точка-точка». К примеру, разрядность локальной шины QPI на передачу и на прием соответственно равна 20 и 20 разрядов, из них 16 разрядов предназначено для передачи данных и 4 бита для коррекции ошибок, тактовая частот до 3,2 ГГц, скорость передачи до 25,6 Гбайт/с в обоих направлениях.

Перечисленные компоненты вычислительной машины физически размещаются на «материнской» плате (mother board), выпускающихся в различных форм-факторах, которые отличаются физическими размерами, номенклатурой и расположением компонент. Одна из самых распространенных плат формата PC-АТ показана на рис. 2.4.

Расположение компонентов вычислительной машины на печатной плате формата РС-АТ

Рис. 2.4 - Расположение компонентов вычислительной машины на печатной плате формата РС-АТ

Материнская или системная плата (system board) - печатная плата, которая осуществляет обмен данными и командами от одного устройства к другому. Является основой для функционирования микропроцессора. На материнской (системной) плате осуществляется физическая установка (монтаж) аппаратного обеспечения сервера - микропроцессор, микросхемы оперативной памяти, контроллеры дисков и других внешних устройств, видеоадаптеры. Материнская плата содержит постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Эта микросхема хранит базовую систему ввода-вывода (BIOS, Basic Input Output System) т.е. набор программ, обеспечивающий основные операции взаимодействия всех подсистем компьютера - видеокарты, процессора, памяти, диска и т.д. Также BIOS проводит определение компонент ЭВМ, тестирует их работоспособность до запуска операционной системы, а затем обеспечивает загрузку операционной системы.

По коннекторам/разъемам на плате понимаются физические разъемы (стандартные интерфейсы) для кабельного подключения соответствующих внешних устройств к шинам вычислительной машины.

В целом все типы МПр характеризуются тремя основными техническими характеристиками.

Первой характеристикой является тактовая частота (clock rate) - частота синхронизирующих работу МПр «тактовых» импульсов, которые задаются генератором тактовой частоты. Эти импульсы регулируют выполнение циклов выборки и исполнения команд. Измеряется тактовая частота в герцах, Гц и производных от этой единицы кило-(103), мега-(106) и гигагерцах(109).

Производительность МПр (performance) - характеристика МПр, которая выражается в количестве элементарных операций, выполняемых в одну секунду и обозначаемая операций/секунду, оп/с. Различают производительность для обработки данных с фиксированной точкой (целые числа) и производительность для обработки данных с плавающей точкой (повышенная точность вычислений).

Третья базовая характеристика микропроцессора - разрядность т.е. количество бит информации, которое ЦПУ может обработать с помощью одной команды за 1 такт. Разрядность микропроцессора определяется разрядностью арифметико-логического устройства, внутренних регистров данных и шины данных. На сегодняшний день существуют 8-, 16-, 24-, 32- и 64-разрядные микропроцессоры.

Рост количества инструкций МПр представлен на рис. 2.5.

Увеличение количества инструкций (команд) МПр

Рис. 2.5 - Увеличение количества инструкций (команд) МПр

Для обработки данных с разрядностью большей, чем разрядность микропроцессора, необходимо реализовывать специальные алгоритмы вычислений с повышенной разрядностью. Это может снизить быстродействие МПр. Существует и другая, более часто встречающаяся проблема, когда программное обеспечение, написано в расчёте на обработку 32-х разрядным процессором, а на практике программное обеспечение запускается на 64-х разрядном МПр. Это приводит к недостаточно эффективному использованию возможностей микропроцессора.

Микропроцессор изготавливается из полупроводниковых материалов, прежде всего - поликристаллического кремния в виде одной или нескольких интегральных схемах или микросхемах (integrated circuit).

Эти микросхемы представляют собой миниатюрное электронное устройство определенного функционального назначения, содержащее электронные элементы (транзисторы, диоды, резисторы и т.п.). Физически данные элементы создаются на поверхности или внутри полупроводникового (кремниевого или ар- сенид-галлиевого) кристалла. Конструкция микросхемы помимо полупроводникового кристалла, с нанесенной на него схемой (в англоязычной терминологии - чип, chip), включает в себя корпус с контактными выводами для установки на системной плате.

Микропроцессор имеет высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов, компонентов. Под плотностью упаковки понимается отношение суммы элементов интегральной микросхемы (транзисторов) к объему интегральной микросхемы. Например, можно выделить сверхбольшую интегральную микросхему, СБИС где плотность упаковки составляет свыше 100 000 элементов на объём микросхемы. В состав аппаратных (физических) компонентов средства вычислительной техники кроме МПр могут входить интегральные схемы запоминающих устройств, используемые для хранения данных, интегральные схемы, реализующие функции обмена данными (ввод/вы- вод), интегральные схемы генераторов тактовой частоты, сопроцессоры, контроллеры и прочие.

Для генерации команд управления в состав ЦПУ входит блок декодирования команд или устройство управления, которое преобразует машинные команды, загруженные в процессор из физической памяти, далее - в (микрокоманды) и наконец - в функциональные/физические сигналы управления отдельными компонентами процессора - логическими схемами.

Также ЦПУ поддерживает встроенную систему прерываний выполнения последовательности операций (инструкций), что позволяют изменять порядок выполнения машинных команд. При создании микропроцессорной системы ЦПУ конструктивно дополняется физической оперативной памятью, устройствами ввода-вывода данных. Под вводом здесь понимается передача данных от внешнего, по отношению к ЦПУ, источника информации в физическую оперативную память. Под выводом понимается процесс передачи данных от ЦПУ в физическую оперативную память и далее к внешним запоминающим устройствам или к внешней, по отношению к микропроцессорной системе, аппаратуре. Рассмотрим подробнее обработку данных ЦПУ в процессе исполнения загружаемых программ.

Устройство управления ЦПУ считывает команды из ОЗУ и организует их выполнение в соответствии с порядком выполнения команд, заданных программой. Таким образом, устройство управления ЦПУ в строгой последовательности, в рамках тактовых и цикловых временных интервалов работы микропроцессора осуществляет:

  • — выборку микрокоманды;
  • — интерпретацию команды с целью анализа формата, служебных признаков и вычисления адреса данных для обработки;
  • — установление номенклатуры и временной последовательности всех функциональных управляющих сигналов;
  • — генерацию управляющих импульсов/сигналов и передачу их на управляющие шины функциональных частей МПр и вентили между ними;
  • — анализ результата операции и изменение своего состояния так, чтобы определить месторасположение (адрес) следующей команды.

Арифметико-логическое устройство выполняет операции обработки данных на уровне схемной логики, для чего имеет в своем составе сумматор, схемы базовых логических операций, а также схемную логику, обеспечивающую перестройку с одной операции на другую. В случае создания МПр в виде сборки из нескольких интегральных схем, в едином корпусе можно размещать не только несколько АДУ, но и контроллеры управления физической памятью; буферную память небольшой ёмкости, недоступную для пользователя, автоматически используемую МПр для ускорения операций обмена информацией блоки предсказания ветвления, служебные регистры различного назначения.

Регистры процессора физически представляют собой совокупность последовательно расположенных ячеек с возможностью одновременного чтения/записи/хранения данных во все ячейки. Ячейка - это физическое устройство для хранения одного бита информации. Количество ячеек определяет длину (разрядность) регистра, зависит от типа микропроцессора и составляет 8, 16, 32, 64, 128 бит. В результате регистр может хранить данные определенной разрядности и типа. Данные регистра могут быть обработаны за 1...2 такта работы процессора, что относит регистры к устройствам хранения данных МПр с максимальным быстродействием.

Общий вид современного микропроцессора в корпусе с контактными выводами в виде штырьков представлен на рисунке 2.6. Каждый контактный вывод предназначен для передачи данных или управления в виде электрического сигнала высокого или никого уровня.

Внешний вид современного микропроцессора

Рис. 2.6 - Внешний вид современного микропроцессора

Конструктивно процессоры выпускаются в специальных корпусах.

Например, DIP (Dual Inline Package) — корпус с двумя рядами контактов, представляет собой прямоугольный корпус с расположенными на длинных сторонах контактами. Корпус QFP (Quad Flat Package) - плоский корпус с четырьмя рядами контактов, корпус SPGA (Staggered Pin Grid Array) с матрицей штырьковых выводов, корпус LGA (Land Grid Array) — представляет собой корпус, в котором штырьковые контакты заменены на контактные площадки.

Также МПр могут монтироваться в процессорных картриджах - печатную плата с установленными на ней процессором и вспомогательными элементами, в том числе SECC (Single Edge Contact Cartridge) — полностью закрытый картридж с теплоотводной пластиной, обеспечивающей тепловой контакт между корпусом картриджа и процессором, SECC2 (Single Edge Contact Cartridge) — картридж без теплоотводной пластины. Корпуса могут изготавливаться из пластика, керамики.

В результате появляется однокристальная микро-ЭВМ. Выделяют также микроконтроллер - управляющее устройство, построенный на одной или нескольких больших интегральных схемах, содержащий ЦПУ, запоминающее устройство/память, устройства сопряжения с датчиками и исполнительными механизмами и выполняющий функции контроля и управления периферийным оборудование. Программируемый контроллер содержит запоминающее устройство для хранения ориентированных на пользователя инструкций. В частности, контроллер используется для выполнения логических операций, операций упорядочивания, отсчёта времени, математических действий, управления через аналоговые или цифровые входы и выходы различными устройствами или процессами.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >