В СТРАНАХ-ЧЛЕНАХ СЭВ
удк 681.32-181.4
М. Б. Игнатьев , Ю. Д. Чернышев
Применение микропроцессоров и микроЭВМ
(ПО МАТЕРИАЛАМ ТРЕТЬЕГО СИМПОЗИУМА СТРАН — ЧЛЕНОВ СЭВ)
В октябре 1983 года в Будапеште
проходил третий симпозиум специа-
листов стран — членов СЭВ (с учас-
тием представителей других стран)
по применению микропроцессоров и
микроЭВМ. Было заслушано и об-
суждено более 100 докладов по сле-
дующим секциям: архитектуры, язы-
ков и систем программирования, уп-
равления и измерения, человеко-ма-
шинного интерфейса, распределен-
ных вычислительных систем связи об-
работки сигналов, автоматизации про-
ектирования и моделирования, тести-
рования, систем отладки аппаратур-
ного и программного обеспечения. В
докладах нашел отражение широкий
спектр применений микропроцессоров
и микроЭВМ в самых различных от-
раслях.
В последнее время в рамках СЭВ
был заключен ряд важных соглаше-
ний по созданию и производству ма-
шин и оборудования на базе широко-
го использования роботов, микропро-
цессорной техники и микроэлектрони-
ки. Прошедший симпозиум — одно
из мероприятий, направленных на ре-
ализацию этих соглашений. Одновре-
менно проходило международное со-
вещание по терминологии микропро-
цессоров, проводилась выставка вен-
герских микроЭВМ и персональных
компьютеров (см. цветную вклейку).
В 1982 году на мировом рынке
появились 32-разрядные микропроцес-
соры. Параллельно совершенство-
вались характеристики и архитектура
16-разрядных микропроцессоров. Про-
веденный анализ архитектуры 16- и
32-разрядных микропроцессоров поз-
воляет сделать вывод о наметившей-
ся ее стабилизации.
Оценивая достижения микропро-
цессорной технологии, следует отме-
тить продолжающееся развитие архи-
тектур типа «бит-слайс» (bit-slice,
разрядно-наращиваемые микропро-
цессоры). В мае 1983 г. фирма Te-
xas Instruments объявила о начале
выпуска нового мощного набора это-
го класса, основой которого является
микропроцессорная секция SN74
AS888. Можно предположить, что
данный набор составит серьезную кон-
куренцию весьма популярному набо-
ру 2900 фирмы Advanced Micro Devi-
sers.
Важнейшие характеристики 32-
разрядных микропроцессоров приве-
день в табл. 1, а архитектурные осо-
бенности современных микропроцес-
соров—в табл. 2. Характерными чер-
тами их архитектуры являются: мик-
ропрограммирование и поточная об-
работка последовательности инструк-
ций * программы с глубиной конвейе-
ра, достигающей трех фаз. В боль-
шинстве моделей регистры общего на-
значения (РОНы) расположены на
кристалле микропроцессора (регист-
ровая архитектура), однако в прибо-
ре TI 99000 фирмы Texas Instruments
в качестве РОНов применяется быст-
рая память, так называемая «память—
память», расположенная на отдель-
ном кристалле. Фирмой Intel быст-
рая память использована в микро-
процессорном наборе iAPX-432.
При высокой степени интеграции,
достигнутой в современных сверх-
больших интегральных схемах, эконо-
мически целесообразно выполнение
в составе процессорных кристаллов
Таблица 1
Характеристики 32-разрядных микропроцессоров
Таблица 1
Характеристики 32-разрядных микропроцессоров
|
|
|
|
|
Время |
Количество |
|
Типы
микропроцес-
соров |
Год
выпуска |
Технология |
Тактовая
частота,
мГц |
сложения
32-раз-
рядных
целых,
НС |
доступа
к 32-раз-
рядному
слову
памяти,
мкс |
транзи-
сторов |
!
выводов |
основных
инструк-
ций |
РОН |
|
NS 16032 |
1982 |
3,5 мкм—МОП |
10 |
1600 |
1.5 |
60 000 |
48 |
82 |
8 |
|
НР32 |
1932 |
1,5/1,0 мкм —МОП |
18 |
390 |
0,56 |
450 000 |
83 |
230 |
28 |
|
NCP/32 |
1932 |
3,0 мкм —МОП |
13,3
а |
150 |
0,45 |
40 000
# |
68 |
256
(микроинст-
рукций) |
16 |
|
МАС32 |
1982 |
2,5 мкм КМОП |
10 |
4С0 |
0,95 |
146 000 |
84 |
169 |
16 |
Архитектурные особенности современных микропроцессоров
Архитектурные особенности современных микропроцессоров
|
Типы микропроцессоров |
Микро-
програм-
мирова-
ние |
Вынесен-
ная мик-
ропамять |
Поточ-
ная об-
работка |
Аппарат-
ный ум-
ножитель |
Цикличе-
ский
сдвига-
тель |
Самоте-
стирова-
ние |
Регист-
ровая
архитек-
тура |
Архитек-
тура на
основе
памяти |
|
32-разрядные МАС-32
НР-32 |
+
+ |
|
+
+ |
|
+
4-
t |
|
4-
■ I ■
1 |
|
|
iAPX-432 |
+ |
|
+ |
|
+ |
+ |
|
+ |
|
NCP/32 ' |
+ |
+ |
+
* • |
|
|
|
+ |
|
|
16-разрядные Toshiba 88000
TI 99000 |
+
+ |
|
+
+ |
+ |
• + |
+ |
+ |
4- |
|
Intel 8086 |
+ |
|
+ |
+ |
|
|
+ |
|
|
Motorola 68000 |
+ |
|
|
|
|
|
+ |
|
|
National 16000 |
+ |
+ |
+ |
|
|
|
+ |
|
специализированных аппаратных
функциональных блоков. Во всех 32-
разрядных микропроцессорах преду-
смотрены сдвигатели, способные за
один такт выполнить сдвиг на любое
число разрядов; в приборах HP и
Toshiba есть еще и аппаратный ум-
ножитель.
Конструкции 32-разрядных микро-
процессоров достигают уже такого
уровня сложности, при котором ста-
новится целесообразным выделение
площади на кристалле для хранения
в микропрограммном ЗУ программы
самотестирования. Благодаря этому
процессор может осуществлять само-
проверку при каждом включении пи-
тания, сбросе в исходное состояние и
после выполнения какой-либо коман-
ды. Существующие технико-экономи-
ческие предпосылки для реализации
самотестирования, диагностики и
коррекции приведут к росту надежно-
сти, и в конечном итоге — к созда-
нию ультраустойчивых вычислитель-
ных структур.
Существуют многоразрядные
компьютеры со сложной системой
команд — CISC (complex—instruction-
set—computer).
Вместе с тем нельзя не отметить
наличие альтернативы сложным 16- и
32-разрядным приборам. Это направ-
ление в научно-технической литера-
туре обозначается аббревиатурой
RISC (reduced—instruction—set—com-
puter) компьютеры с сокращенной си-
стемой команд. Интенсивная дискус-
сия между сторонниками RISC и
CISC направлений отражена в докла-
де профессора Дортмундского инсти-
тута (ФРГ) Л. Рихтера, посвящен-
ном этому вопросу.
Обоснование архитектуры RISC
базируется на отказе от использова-
ния в микропроцессоре сложных
команд и заключается в следующих
принципах: все команды системы на-
столько элементарны, что могут быть
выполнены за один такт; реализация
команд должна быть преимуществен-
но аппаратная, а не микропрограм-
мная; конвейеризация — неотъемле-
мое условие реализации; обеспечение
максимальной непрерывности конвей-
ера, его прерывание допускается
только для случаев информационной
зависимости команд; большинство
ссылок на адреса реализуется без об-
ращения к памяти (для этого на кри-
сталле необходимо обеспечить боль-
шой набор регистров). Реализация
этих принципов обеспечивает очень
высокое быстродействие—до 10 млн.
операций в секунду.
Основной тезис развития RISC —
пользователем архитектуры любого
компьютера является не человек-про-
граммист, а программа—компьютер.
Поэтому максимальная эффектив-
ность микропроцессора достигается
формированием оптимальных после-
довательностей команд с помощью
компилятора. Разработчик аппарату-
ры должен обеспечить малое количе-
ство команд, выполняемых с боль-
шим быстродействием. Микропроцес-
соры с архитектурой RISC необходи-
мо дополнить мощными средствами
отладки, которые являются эффек-
тивным и легко осваиваемым инст-
рументарием. При сопоставлении ар-
хитектур RISC и CISC дискутирует-
ся проблема разрыва между требо-
ваниями конкретных приложений
компилятора и архитектурой аппарат-
ных средств. Обычно считается, что
чем меньше этот разрыв, тем проще
построить транслятор.
На симпозиуме сравнивались сис-
темы RISC и CISC по быстродейст-
вию, реализации языков высокого
уровня, архитектуре. Преимущество
было отдано системе RISC.
Свойства базовой архитектуры
оценивались в понятиях регулярно-
сти, ортогональности и комбинируе-
мости. Примером регулярности может
служить адресация операндов: раз-
мерность здесь подразумевает одина-
ковый способ разрядности операн-
дов во всех командах программы.
Ортогональность определяется как
независимость различных компонент
архитектуры (коды операций, операн-
ды, типы данных и управляющие кон-
струкции); ортогональность как прин-
цип изоляции; комбинируемость, ос-
нованная на регулярности и ортого-
нальности, строит регулярные и ор-
тогональные компоненты выборочным
способом — каждый способ адреса-
ции с каждым кодом операции и ти-
пом данных.
При сравнении архитектур RISC
и CISC рассматривались и количест-
венные характеристики, такие как
производительность на уровне машин-
ного языка. Меньшее число вариаций
(т. е. большая регулярность) позво-
ляет RISC одержать верх над CISC.
Однако, связанная с этим нагрузка
на компилятор RISC значительно
превышает таковую для CISC. Бла-
годаря простой структуре управления
RISC микропрограммирование стано-
вится излишним. С другой стороны,
очень гибкие микропрограммные ар-
хитектуры, подобные NCR/32, элемен-
тарные микрооперации могут повы-
сить производительность системы
CISC до уровня производительности
системы RISC.
В то время как для RISC слож-
на компиляция, наиболее трудная за-
дача для микропрограммных архитек-
тур — осуществить эмулируемый язык
машинного уровня; реализация же
компилятора с языка высокого уров-
ня хорошо известна и трудностей не
представляет.
В многочисленных выступлениях
на симпозиуме отмечались трудности
в оценке технико-экономической эф-
фективности решений. На первое ме-
сто выдвигается суммарная трудоем-
кость при разработке изделия и его
программирования и реализации на
нем конкретных применений.
Достигнутые успехи в разработке
больших и сверхбольших интеграль-
ных схем позволяют перейти к созда-
нию мультимикропроцессорных сис-
тем. В докладе итальянских ученых
А. Фаро М. Рута, Л. Вита, М. Дато,
А. Валенцано рассматривалась рас-
пределенная мультимикропроцессор-
ная сеть для управления технологи-
ческими процессами, удовлетворяю-
щая требованиям международной ас-
социации стандартов и других меж-
дународных ассоциаций (ISO, CCITT,
IEC, IEEE). Главной была проблема
кооперации пользовательских про-
цессоров, решаемая путем примене-
ния своеобразной системы семафоров,
почтовых ящиков и многоуровневого
управления. Модульность и гибкость
— принципиальные преимущества
этой системы, реализованной в
1983 г. для связи сетей MODIAC и
локальных сетей ETHERNET.
В другом докладе итальянских
специалистов Ф. Тисато и Р. Цикари
из Миланского политехнического ин-
ститута рассматривалась абстрактная
машина с Х-кодами, созданная для
моделирования процессов взаимодей-
ствия в сложных мультимикропро-
цессорных системах при реализации
национальной итальянской програм-
мы по вычислительной технике.
В докладе венгерского ученого
П. Каксука из Института Видеотон
рассматривались вопросы параллель-
ного программирования мультипро-
цессорных систем в рамках потоко-
вых моделей (generalized data flow
model). Эта тема была продолжена в
докладе Д. Вернера из Технического
университета в Дрездене.
Болгарские специалисты П. Пет-
ров, К- Дьямбазов, X. Корсемов,
А. Николов, К. Атанасов представи-
ли 8/i6 мильтимикропроцессорную сис-
тему для управления технологически-
ми процессами, построенную из
8-битных модулей, архитектура кото-
рой отличается наличием быстрой
общей шины (higway) и локальных
шин разных уровней.
Польские ученые Ж- Жует и
Е. Эвербах представили распределен-
ную систему, устойчивую к отказам
за счет системной реконфигурации.
Для решения этой задачи введено
специальное интеллектуальное про-
граммное обеспечение.
Важно отметить, что по мнению
многих докладчиков при создании
сложных вычислительных систем не-
обходимо отказаться от принципов
Фон-Неймана. Венгерские ученые
Р. Петер и другие внесли большой
вклад в разработку теории рекурсив-
ных функций применительно к вычис-
лительной технике.
В обзорном докладе профессора
Б. Соучека из Загребского универси-
тета (Югославия) были рассмотрены
средства программирования четвер-
того и пятого поколений. Отмечалось,
что если сейчас свыше полумиллио-
на людей заняты в программирова-
нии, то для новых ЭВМ, при исполь-
зовании классических способов про-
граммирования, потребуется свыше
20 млн. программистов. Появление в
массовом масштабе сверхбольших ин-
тегральных схем требует новых прин-
ципов программирования. Специаль-
ные фирмы по средствам программи-
рования будут производить модуль-
ные, 'гибкие, легко приспосабливае-
мые средства программирования для
пользователей. Тогда обычный поль-
зователь сможет обойтись без про-
граммиста. Средства программиро-
вания четвертого поколения предо-
ставляют пользователям большое ко-
личество блоков, модулей и подпро-
грамм.
Связь человек—машина осуществ-
ляется через запросы, сообщения, ге-
нерирующие программы и языки
очень высокого уровня. Задача пос-
тавщиков мини- и микроЭВМ в том,
чтобы пользователь мог разработать
обращение (заявку) без программи-
ста. Все чаще переходят от средств
программирования к аппаратной ча-
сти, которая насыщается специализи-
рованными блоками памяти и проб-
лемно-ориентированными процессора-
ми, чтобы максимально облегчить
программирование. Большое приме-
нение получают методы искусственно-
го интеллекта. На микропроцессорах
реализуются экспертные системы зна-
ний и самообучающие системы. В до-
кладе доктора Е. Пиллера (Австрия)
рассматривалась проблемно-ориенти-
рованная микропроцессорная систе-
ма, реализованная на микропроцес-
сорах iAPX-432. в которой проявля-
ются новые возможности программи-
рования путем создания набора бази-
сных операций для прямого манипу-
лирования над структурой данных.
Большое внимание на симпозиуме
было уделено инструментальным ком-
плексам отладки программного и ап-
паратного обеспечения микропроцес-
сорных систем. Так, в докладе поль-
ских ученых Дж. Сцинка, С. Познен-
ского и А. Плута рассмотрена сис-
тема отладки ЕМИ-48, предоставля-
ющая пользователю большой набор
возможностей. В докладах венгерских
ученых предложены три системы от-
ладки различных микропроцессорных
систем.
Исследования международной ор-
ганизации по стандартизации насчи-
тывают более 200 тысяч применений
микропроцессоров и основная часть
докладов была посвящена конкрет-
ным применениям. Например, на сек-
циях по контролю и измерениям об-
суждались доклады по ' автоматиза-
ции различных приборов на основе
встроенных микропроцессорных сис-
тем, встроенным микропроцессорным
системам в системах связи различно-
го уровня, в управлении различными
технологическими процессорами и
гибкими производственными система-
ми.
В целом следует отметить, что
симпозиум прошел на высоком науч-
ном уровне, позволил обменяться
мнениями по вопросам микропроцес-
сорных систем представителям раз-
личных стран. Следующий симпозиум
намечно провести также в Будапеш-
те в 1985 году.
(Обзор составлен по материалам
сборника докладов, сделанных на со-
вещании стран—членов СЭВ).
Статья поступила 23 декабря 1983 г.
НА КНИЖНОЙ ПОЛКЕ
Прангишвили И. В., Под-
лазов В. С., Стецюра Г. Г.
Локальные микропроцессорные вычи-
слительные сети. М.: Наука. 1984.
Книга посвящена вопросам логи-
ческой организации и технической ре-
ализации локальных микропроцессор-
ных вычислительных сетей (ЛМВС).
В ней анализируются проблемы обес-
печения живучести-и повышения эф-
фективности ЛМВС.
Системы управления информаци-
онных сетей. М.: Наука, 1983.
Сборник посвящен построению си-
стем управления в сетях передачи и
обработки информации. Исследуются
вопросы адаптивного управления по-
токами информации на сетях связи и
организации программного обеспече-
ния. Излагаются методы выбора
структуры и анализа надежности
мультимикропроцессорных систем уп-
равления. Ряд статей посвящен тео-
рии телетрафика.
Алексенко А. Г., Гали-
ны н А. А., И в а н н и к о в А. Д.
Проектирование радиоэлектронной
аппаратуры на микропроцессорах. —
М.: Радио и связь, 1983, 15 л.,
1 р. 10 к.
Даются основные принципы проек-
тирования цифровой аппаратуры на
основе микропроцессорных средств.
Оснозное внимание уделяется разра-
ботке технических средств и програм-
много обеспечения для сопряжения
микроЭВМ с управляемым объектом,
ЗУ микропроцессорных систем, комп-
лексной отладки микропроцессорных
систем с использованием аппаратно-
программных отладочных комплексов.
Подробно рассматривается процесс
проектирования терминальных уст-
ройств, систем числового програм-
много управления и цифровых фильт-
ров на основе микропроцессоров.
