Глава 7. Эволюция архитектур микропроцессоров и микроЭВМ

(Страница141)

Интегральная технология (ИТ) за первые 20 — 30 лет своего развития достигла таких относительных темпов роста характеристик качества, которых не знала ни одна область человеческой деятельности (включая и такие бурно растущие, как авиация и космонавтика). Действительно, рассмотрим динамику изменений основных параметров ИТ за первые 20 лет ее развития (1960 — 1980 гг.):

□ степень интеграции N увеличилась на 5 — 6 порядков;

□ площадь транзистора S уменьшилась на 3 порядка;

□ рабочая частота f увеличилась на 1 — 3 порядка;

□факторы добротности:

• fxN увеличился на 5 — 7 порядков;

• Pxt уменьшился на 4 порядка, где t — задержка на элементе, P — мощность, рассеиваемая элементом;

□ надежность (при сопоставлении элементо-часов) увеличилась на 4 — 8 порядков;

□ производительность технологии (в транзисторах) увеличилась на 4 — 6 порядков;

□ цена на транзистор в составе ИС уменьшилась на 2 — 4 порядка.

Американцы подсчитали, что если бы авиапромышленность в те же годы имела аналогичные темпы роста соответствующих показателей качества (стоимость — скорость — расход топлива=стоимость — быстродействие — рассеиваемая мощность), то "Боинг 767" стоил бы $500, облетал земной шар за 20 мин и расходовал на этот полет 10 л горючего.

Успехи ИТ в области элементной базы позволяли "поглощать" кристаллом все более высокие уровни ЭВМ: сначала — логические элементы, потом — операционные элементы (регистры, счетчики, дешифраторы и т. д.), далее — операционные устройства. Степень функциональной сложности, достигнутой в ИС, определяется особенностью технологии, разрешающей способностью инструмента, а также структурными особенностями схемы: регулярностью, связностью.

Под, регулярностью схемы здесь будем понимать степень повторяемости элементов и связей по одной или двум координатам (при размещении структуры на плоскости). Связность — число внешних выводов схемы.

Кроме того, следует иметь в виду, что выпуск ИС был экономически оправдан лишь для функционально универсальных схем, обеспечивающих их достаточно большой тираж.

С этой точки зрения интересно взглянуть на соотношение ИС логики и памяти в процессе эволюции ИС — СИС — БИС — СБИС. Первые ИС (степень интеграции N~10¹) были исключительно логическими элементами. При достижении N примерно 10 стали появляться, наряду с операционными элементами, первые элементы памяти объемом в 16 — 64 — 128 битов.

По мере дальнейшего роста степени интеграции память стала быстро опережать "логику", т. к. по всем трем параметрам (регулярность, связность, тираж) имела перед логическими схемами преимущество. Действительно, структура накопителя ЗУ существенно регулярна (повторяемость элементов и связей по двум координатам), связность ее растет пропорционально логарифму объема (при увеличении объема памяти вдвое и сохранении без изменения способа доступа в БИС достаточно добавить лишь один вывод). Наконец, память "нужна всем" и "чем больше, тем лучше", особенно если "больше, но за ту же (почти) цену".

Что касается ИС логики, то на уровне N ~ 10³ на кристалле можно уже размещать устройство ЦВМ (например, АЛУ, ЦУУ), но схемы логики (особенно управление) существенно нерегулярны, их связность (сильно зависящая от конкретной схемы) растет примерно пропорционально N, причем такие схемы, как правило, не являлись универсальными и не могли выпускаться большими тиражами (исключения в то время — БИС часов и калькуляторов).

Разработка первого микропроцессора (МП) — попытка создать универсальную логическую БИС, которая настраивается на выполнение конкретной функции после изготовления средствами программирования. На подобную БИС — МП первоначально предполагалось возложить лишь достаточно произвольные управляющие функции, однако позже МП стал использоваться как элементная база ЦВМ четвертого и последующих поколений. Появление МП вызвало необходимость разработки целого спектра универсальных логических БИС, обслуживающих МП: контроллеры прерываний и прямого доступа в память (ПДП), шинные формирователи, порты ввода/вывода и др.

Первый МП был разработан фирмой Intel и выпущен в 1971 г. на основе p-МОП-технологии (i4004). В 1972 и 1973 годах этой же фирмой были выпущены модели i4040, i8008. Эти микропроцессоры относились к т. н. первому поколению, обладали весьма ограниченными функциональными возможностями и очень быстро были вытеснены вторым поколением, которое было реализовано на основе n-МОП-технологии, что позволило, прежде всего, поднять тактовую частоту примерно на порядок относительно микропроцессоров первого поколения. Кроме того, прогресс интегральной технологии позволил повысить степень интеграции транзисторов на кристалле, а следовательно, увеличить сложность схемы.

Микропроцессоры второго поколения, самым распространенным из которого был выпущенный в 1974 г. i8080 (отечественный аналог — К580ВМ80), отличались достаточно развитой системой команд, наличием подсистем прерывания, прямого доступа в память, снабжался достаточным числом вспомогательных БИС, обеспечивающих управление памятью, параллельный и последовательный обмен с внешними устройствами, реализацию векторных прерываний, ПДП и др.

Многие идеи, заложенные в архитектуру систем на базе 8-разрядного микропроцессора i8080, неизменными используются и в современных мощных микропроцессорах.

Постоянное стремление к увеличению быстродействия ЭВМ привело разработчиков микропроцессоров "на поле" биполярной интегральной технологии, прежде всего — ТТЛ, где были выпущены микропроцессоры, отнесенные к третьему поколению, причем архитектура этих микропроцессоров существенно отличалась от их предшественников.

Известно, что для любого электронного прибора справедливо соотношение:

где — энергия переключения, — время переключения.

ТТЛ-транзисторы в составе ИС обладали (в то время) на порядок большим (по сравнению с n-МОП) быстродействием и соответственно на порядок большим потреблением мощности. Технологические трудности в то время не позволяли широко использовать активные способы отвода тепла от кристалла, поэтому единственный способ сохранения работоспособности кристалла в этих условиях — снижение степени интеграции.

Первый из выпущенных микропроцессоров третьего поколения — i3000 был двухразрядным! Очевидно, сохранение в этом случае традиционной архитектуры, характерной для микропроцессоров второго поколения, не привело бы к увеличению производительности системы, несмотря на то, что тактовая частота кристалла увеличивалась значительно (на порядок).

Решение этой проблемы повлекло значительные структурные изменения в микропроцессорах третьего поколения по сравнению со вторым:

□ микропроцессоры выпускались в виде секций со средствами межразрядных связей, позволяющими объединять в одну систему произвольное число секций для достижения заданной разрядности. В состав секций включалось АЛУ, РОН и некоторые элементы устройства управления;

□ устройство управления выносилось на отдельный кристалл (группу кристаллов), общий для всех процессорных секций;

□ за счет резерва внешних выводов (малая разрядность) предусматривались отдельные шины адреса, ввода и вывода данных, причем данные от разных источников вводились по различным шинам;

□ кристаллы управления представляли собой управляющий автомат с программируемой логикой, что позволяет достаточно легко реализовать практически любую систему команд на фиксированной структуре операционного устройства.

Таким образом, разработчики систем на базе микропроцессоров третьего поколения получали две "дополнительные степени свободы" — возможность выбрать произвольную разрядность процессора (кратную разрядности секции) и самостоятельно реализовать практически произвольную систему команд, оптимизированную для решения задач конкретного класса.

Поскольку микропроцессор в такой архитектуре размещался на нескольких кристаллах БИС: арифметико-логические секции, схемы управления вместе с БИС памяти микрокоманд, вспомогательные БИС (например, схемы ускоренного распространения переноса для АЛС) и др., то подобные микропроцессоры стали называть многокристальными, в отличие от однокристальных микропроцессоров второго поколения.

Очевидно и то, что разработка систем на многокристальных микропроцессорах требовала значительно больших усилий, времени и квалификации разработчиков, по сравнению с разработкой системы на "готовых" микропроцессорах второго поколения с фиксированной структурой и системой команд,

В конце 70-х и начале 80-х годов прошлого века значительное число отечественных и зарубежных фирм разрабатывали и выпускали серии БИС многокристальных микропроцессоров, причем разрядность секций постепенно увеличивалась до 4, 8 и даже 16 битов.

К тому времени технология уже не являлась решающим фактором классификации МП, ибо появились разновидности технологий одного типа, обеспечивающие очень широкий спектр характеристик МП, широкое распространение получили комбинированные технологии (например, И²Л+ТТЛШ). Поэтому многокристальные МП выпускались как по биполярной, так и по МДП-технологиям.

Одной из наиболее удачных разработок этого направления можно считать комплект БИС серии Am2900 фирмы AMD и близкую ему по архитектуре отечественную серию К1804 [13].

Параллельно интенсивно развивалась архитектура однокристальных микропроцессоров, наиболее характерным представителем которой можно считать семейство x86 фирмы Intel. Развитие этого направления отличал безудержный рост производительности процессоров, обусловленный увеличением разрядности процессоров, тактовой частоты, реализацией параллелизма на всех уровнях работы процессора и применением других архитектурных решений, характерных ранее для, "больших" ЭВМ.

Быстро возрастающие возможности микропроцессоров позволяли "захватывать" в область цифровой обработки Информации все новые сферы человеческой деятельности (достаточно вспомнить появление и распространение персональных ЭВМ).

Однако в сфере применения микропроцессоров всегда существовали задачи, для решения которых не требовалась высокая производительность процессора (например, управление несложным инерционным технологическим оборудованием, бытовыми приборами). В этих случаях на первый план выступали такие параметры, как надежность, простота реализации (стоимость). Для решения таких задач использование мощных однокристальных микропроцессоров становилось существенно избыточным.

Возрастающие возможности технологии в этом случае использовались не для увеличения производительности процессора, а для размещения на кристалле, наряду с относительно простым процессором, тех устройств, которые в традиционной архитектуре располагались на плате рядом с микропроцессором в виде отдельных БИС (СИС): тактовый генератор, ПЗУ, ОЗУ, порты параллельного и последовательного обмена, контроллер прерываний, таймеры и др.

Таким образом, были получены полностью "самодостаточные" однокристальные микроЭВМ (ОМЭВМ). Это направление стало интенсивно развиваться, вначале на базе 8-разрядной архитектуры. Наиболее популярными из них можно считать ОМЭВМ семейств MCS-51 фирмы Intel, MC68HC11 фирмы Motorola, PIC 16 и PIC18 фирмы Microchip.

По мере развития на кристаллах ОМЭВМ стали, помимо перечисленных выше устройств, размещать аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, блоки энергонезависимой памяти (EEPROM), сложные таймерные системы, схемы управления специализированными ВУ (например, семисег-ментной индикацией) и др.

Дальнейшее развитие технологии привело к появлению 16- и даже 32-разрядных однокристальных микроЭВМ (наиболее известные — от фирмы Motorola), включающих, наряду с мощным центральным процессором, специализированные процессоры — таймерный и ввода/вывода, работающие независимо от центрального, широкий набор блоков памяти и внешних устройств. Модульность архитектуры кристалла ОМЭВМ позволяет в рамках одного семейства варьировать в широких пределах набор параметров кристалла: состав и объем блоков памяти, набор внешних устройств и даже тип помещаемого на кристалл центрального процессора.

Таким образом, пользователю предоставляется возможность выбора в очень широких пределах архитектуры и параметров ОМЭВМ. При этом он получает "готовую" ЭВМ, не требующую схемотехнических и архитектурных доработок. В итоге современные ОМЭВМ практически полностью заняли ту нишу, в которой долгое время существовали многокристальные микропроцессоры.