Текст книги "Аппаратные средства персональных компьютеров"

На протяжении всей книги будет использоваться термин «размерность шины», например, 16-разрядная шина, 32-разрядная шина и т. д. В компьютерной индустрии это означает, что информация передается от устройства к устройству не по одному проводу, а параллельно по многим проводникам. Но, в любом случае, используется один общий провод, который называется «земля» или «общий».

На рис. 2.3 показаны четыре лампочки, управляемые четырьмя выключателями – это наглядная иллюстрация четырехразрядной шины данных.

Рис. 2.3. Иллюстрация работы четырехразрядной шины

Можно также вспомнить, как устроено освещение в квартире. Например, к люстре для включения света в комнате могут подходить 3 провода, т. е. здесь используется 2-разрядная шина.

Независимо от того, как выглядит корпус процессора (часто используется термин «чип», от англ. chip), внутри обязательно находится тонкая кремниевая пластинка площадью около 1 квадратного сантиметра, на которой вытравлены микротранзисторы, резисторы, конденсаторы. Каждый элемент на кристалле соединяется с другими тонкими проводниками, которые создаются напылением на кремний пленки золота, алюминия или меди.

Производство микросхем напоминает печать обычных фотографий с помощью фотоувеличителя. Через фототрафарет, аналог фотопленки, засвечивается фотослой, который нанесен на кремниевую пластину. Потом ее многократно травят в химических реактивах и напыляют в нужных местах слои металла. При установке кристалла в корпус микросхемы контактные площадки на кристалле с помощью тонких золотых проводников соединяют с выводами микросхемы.

В современных процессорах количество транзисторов превышает несколько десятков миллионов штук, но вот размеры кремниевых кристаллов не могут быть большими. В первую очередь, это обусловлено огромной ценой больших кристаллов, да и размеры корпуса процессора ограничены. Поэтому при изготовлении процессоров используются самые передовые технологии. Даже можно сказать, что разработка новых процессоров всегда влечет появление новых технологий, т. к. эти микросхемы содержат больше всего различных элементов на кристалле.

Наиболее выгодно сокращать размеры элементов и толщину проводников, т. к. в этом случае на одном и том же кристалле можно разместить значительно больше транзисторов. В первых процессорах использовалась технология 10 мкм, означающая, что минимальная толщина проводников или геометрические размеры транзисторов на кристалле кремния могут быть не меньше 10 мкм. В последних разработках используется технология 0,13 и даже 0,08 мкм, а это уже соизмеримо с длиной волны солнечного света. Поэтому в техпроцессе начинают применять мягкое рентгеновское излучение и пучки электронов, как в кинескопах.

Примечание

Технический термин, например, "0,13 мкм технология" означает, что размер поликремниевого затвора транзистора, созданного на кремниевой пластине, не может быть меньше 0,13 мкм. Этот параметр не только характеризует геометрические размеры, но и напрямую связан со скоростью работы микросхемы и энергопотреблением. Уменьшение размеров элементов на кристалле позволяет увеличить рабочую частоту и уменьшить потребляемый ток и напряжение. В свою очередь, уменьшение энергопотребления позволяет увеличивать рабочую частоту. Можно сказать, что ключевая проблема современной микроэлектроники заключается в том, как отвести тепло, выделяемое при работе, от кристалла. Например, без внешнего радиатора современный процессор нагреется до температуры выше 100 градусов примерно за секунду.

Начало массового использования вычислительной техники следует отнести к моменту появления микропроцессора 8080. Эта очень простая по современным понятиям микросхема дала возможность многим пытливым умам попробовать себя на поприще создания компьютеров, что ранее было доступно только хорошо оснащенным лабораториям.

О начале выпуска процессора 8080 (рис. 2.4) объявили в апреле 1974 г. Количество транзисторов на кристалле достигло 6000 (технология 6 мкм).

Рис. 2.4. Процессор 8080

У 8080 поражала тактовая частота, которая достигла 2 МГц, что позволяло выполнять 0,64 млн. операций в секунду. Самым же важным было то, что шина данных работала с байтами — самыми простыми 8-битовыми машинными словами, что позволяло очень просто разрабатывать весьма разнообразные вычислительные устройства. Соответственно, увеличение разрядности шины данных позволило организовать адресуемую память размером 64 Кбайт – поистине, в те времена, фантастическая возможность для маленькой микросхемы.

По сравнению с процессором 8008, производительность 8080 возросла в десять раз. Наиболее важным следствием появления 8080 стало то, что для создания вычислительного устройства теперь не требовалось очень много вспомогательных микросхем. То есть появилась возможность разрабатывать небольшие и надежные вычислительные системы на одной плате.

На процессоре 8080 был собран один из первых персональных компьютеров "Altair computer". Вспомнить об этом компьютере следует еще и потому, что для его самостоятельной сборки было выпущено несколько десятков тысяч комплектов, которые пользовались колоссальным успехом. В дальнейшем множество фирм использовали 8080 в самых разнообразных конструкциях. Можно вспомнить и первый в России радиолюбительский компьютер "Радио 86РК", который до появления схемы компьютера "Синклер" был самой популярной компьютерной самоделкой у радиолюбителей.

Справедливости ради надо упомянуть, что аналогичные процессоры выпускали и другие фирмы. Некоторые модели имели значительно лучшие параметры, чем 8080. Заметим также, что в то же время было абсолютно не ясно, какой процессор станет наиболее массовым, и никто не догадывался, что потомки 8080 будут использоваться в 80 % компьютерах. Вполне вероятно, что благосклонность судьбы могла бы обернуться в сторону другого процессора, тогда у нас на столах стояли бы не Intel Pentium, a DEC, Apple или еще какая-либо фирменная марка. Но сложилось так, что именно потомки Intel 8080 проникли во все уголки человеческого бытия.

Простота и ясность системы команд вызвала появление аналогов процессора Intel 8080, а самым известным из них, который до сих пор пользуется популярностью и работает во многих АОНах и игровых приставках – это Z80. Причем фирма Zilog не просто скопировала микросхему корпорации Intel, как сделали в России, выпустив полный, но уже устаревший аналог под названием К580ВМ80, а более совершенную микросхему. Заметим, что домашние компьютеры на Z80 не уступали по производительности при работе с графикой персональным компьютерам на более мощном процессоре 80286.

Самым большим недостатком у процессора 8080 было то, что ему требовалось сразу три напряжения питания: +5, —5 и +12 В. Из-за такой особенности блок питания зачастую был сложнее и конструктивно крупнее, чем контроллер или компьютер. Поэтому в марте 1976 г. появился процессор 8085, усовершенствованный вариант 8080, в котором, к сожалению, были улучшены лишь вспомогательные параметры.

В новом процессоре количество транзисторов увеличилось до 6500 (технология 3 мкм). Тактовая частота возросла до 5 МГц, а производительность до 0,37 млн. операций в секунду. Вместо трех напряжений питания требовалось лишь одно – 5 В.

Этот процессор стал основой многих микроконтроллеров в самых разнообразных изделиях: системах зажигания в автомобилях, приборах для регистрации кардиограмм, элементах управления приводами магнитных дисков в компьютерах IBM PC и т. д. Так, теряясь в лучах славы других процессоров Intel, восьмиразрядный предок выполнял черновую работу в персональных компьютерах. И если разобраться с конструкцией персонального компьютера совсем недавнего прошлого, то в нем, кроме центрального процессора из семейства x86, всегда имелось еще несколько восьмиразрядных 8085, несущих самые разнообразные функции.

В июне 1978 г. корпорация Intel выпустила процессор 8086, а ровно через год – 8088, которые и положили начало эры персональных компьютеров в современном понимании этого термина.

Процессоры 8086/8088 (рис. 2.5) стали сердцем компьютеров – сначала IBM PC, а потом и IBM PC XT. Их конкуренты, а их было немало, просто по экономическим причинам оказались не в состоянии конкурировать с Intel, IBM и фирмами Юго-Восточной Азии, занимавшимися клонированием популярных изделий.

Рис. 2.5. Процессор 8086/8088

На момент выпуска процессора 8086 его тактовая частота составляла 5 МГц, скорость выполнения операций достигала 0,33 млн. операций в секунду. Далее были выпущены более быстрые процессоры с тактовой частотой 8 и 10 МГц, у которых производительность возросла соответственно до 0,66 и 0,75 млн. операций в секунду.

Количество транзисторов на кристалле процессора 8086/88 достигло 29 000, что просто поражало воображение. В производстве использовалась технология 3 мкм, проводники такой толщины уже не видны невооруженным глазом.

Еще большее изумление вызвала возможность адресовать 1 Мбайт оперативной памяти, используя шестнадцатиразрядную шину данных. Фактически, такими возможностями тогда обладали большие вычислительные машины. В то время, например, размер оперативной памяти в 64 Кбайт казался верхом совершенства.

Можно сказать, что появление первого шестнадцатиразрядного процессора, который позволял использовать столько оперативной памяти, хотя это и было преждевременно, открывало перед программистами колоссальное поле деятельности. То есть в руки рядовых программистов попадал компьютер, не уступавший по своим возможностям труднодоступным машинам вычислительных центров.

Понимая, что шестнадцатиразрядная шина появилась преждевременно, т. к. требовала удвоенного количества интерфейсных микросхем, в июне 1979 г. корпорация Intel объявила о выпуске процессора 8088. Разница между ним и процессором 8086 состояла в том, что разрядность шины данных была сокращена до 8 битов. Это позволяло сохранять некоторую преемственность между конструкциями на восьмиразрядных процессорах и первыми процессорами линейки х86. Естественно, уменьшалась цена компьютеров, собранных на процессоре 8088, что, в общем-то, и определило успех компьютера IBM PC и его клонов.

Процессор 8088 выпускался с тактовыми частотами 5 МГц (0,33 млн. операций в секунду) и 8 МГц (0,75 млн. операций в секунду). Все остальные параметры соответствовали его предшественнику.

По мере снижения стоимости интерфейсных микросхем и увеличения их сложности процессор 8088 уступил место в компьютерах своему предку.

Для применения в различных контроллерах корпорацией Intel на базе процессора 8086/8088 в 1982 г. были выпущены процессоры 80186/80188, у которых на одном кристалле находился не только центральный процессор, но и периферийные устройства. Так как предполагалось использовать эти микропроцессоры в качестве встроенных интеллектуальных устройств для самых различных промышленных систем, то интегрированные в него периферийные устройства имели интерфейсы, не совместимые со спецификацией IBM PC.

На кристалле процессора 80186/80188 удалось расположить контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти, трехканальный таймер и генератор синхроимпульсов. Процессоры 80C186/80C188, изготовленные по более современной технологии, имели не только пониженную потребляемую мощность, но и систему управления энергопотреблением.

Присутствие на одном кристалле всех необходимых периферийных устройств позволило использовать эти микропроцессоры для управления самыми разнообразными устройствами. Например, модемы фирмы U.S. Robotics не в малой степени обязаны своей популярностью именно применением в них микропроцессоров 80186/80188. Это позволило не только удешевить конструкцию и повысить надежность работы сложного электронного устройства, но и очень быстро, за счет смены микропрограммы, выпускать на рынок новые типы модемов.

Второе поколение 16-битных процессоров в линейке x86 – это 80286, о котором объявили в феврале 1982 г. Для него впервые стало использоваться сокращенное обозначение – 286-й процессор (подобная практика использовалась потом и для процессоров 80386 и 80486, кстати, Pentium – это тот же 586).

Хотя процессор 80286 получился со многими недоработками и в большинстве случаев использовался как быстрый 8086, его появление обеспечило победу IBM PC совместимым компьютерам и операционной системе MS-DOS в конкурентной борьбе с другими фирмами.

Процессор 80286 (рис. 2.6) выпускался с тактовыми частотами 6, 10 и 12 МГц, что составляло скорость выполнения 0,9, 1,5 и 2,66 млн. операций в секунду. Количество транзисторов превысило 134 000 (использовалась технология 1,5 мкм).

Рис. 2.6. Процессор 80286

Основная задача, которую хотели решить инженеры корпорации Intel,  – это создание процессора для многопользовательских и многозадачных систем. Для этого в процессор была встроена четырехуровневая система защиты, механизм переключения задач и поддержка виртуальной памяти. Режим работы с такими возможностями был назван защищенным режимом виртуальной адресации (Protected Virtual Address Mode), сегодня для него используется термин – «защищенный режим» (Protected Mode). В этом режиме работают все многозадачные операционные системы, в том числе и Windows.

Суть этого режима вот в чем. Многопользовательский режим в однопроцессорных компьютерах реализуется на принципе выделения выполняемым задачам (программам) небольших квантов времени, в течение которых все разрешенные для данной задачи ресурсы процессора и внешних устройств принадлежат конкретной задаче. При переключении по сигналу таймера на другую задачу все текущие данные, относящиеся к первой задаче, сохраняются в специально выделенной памяти (обычно это стек), а процессор начинает выполнять инструкции другой программы. Когда приходит время выполнения первой задачи, сохраненные ранее ее текущие данные загружаются из стека, что создает видимость непрерывного выполнения задачи. Процессор продолжает выполнять прерванную задачу с того момента, когда она была отложена.

Чтобы прерванная задача могла без проблем продолжать свою работу, требуется защитить данные, которые она использует, от воздействия любых других задач. В первую очередь должны быть защищены блоки оперативной памяти, с которыми работает данная программа (отсюда и пошло название режима). Во-вторых, надо присвоить каждой задаче определенный уровень привилегий (возможность использовать те или иные ресурсы компьютера).

В защищенном режиме 24-разрядная шина адреса позволила программисту использовать 16 Мбайт памяти, а при включении механизма страничной адресации отображать до 1 Гбайт так называемой виртуальной памяти.

Для использования новых возможностей была расширена система команд 8086, что дало толчок началу процесса "простого" добавления новых команд к старым.

Если до появления чипа 80286 любая ошибка в конструкции какого-либо микропроцессора приводила к его провалу на рынке, то, начиная с этого процессора корпорации Intel, несуразицы в конструкции стали использоваться программистами и разработчиками. А самое удивительное, в последующих версиях процессоров корпорации Intel и их аналогов от других производителей такие просчеты закреплялись как стандарт de-facto. Только грубые (очевидные) ошибки исправлялись, и корпорация брала на себя обязательства по замене дефектных чипов.

Вот тут можно сказать, что случайно допущенные ошибки в архитектуре этого микропроцессора дали возможность программистам принимать весьма оригинальные решения при создании программного обеспечения. Поэтому, в дальнейшем, новые процессоры корпорации Intel и все IBM PC совместимые компьютеры вынуждены были поддерживать проблемы архитектуры 80286.

Наиболее очевидная, причем грубая ошибка – это неправильная адресация памяти в реальном режиме. Но она оказалась настолько "удачной", что ее восторженно приняли программисты, которым уже не хватало ресурсов памяти стандартной архитектуры 8086. А вот защищенный режим адресации памяти в 286 процессоре остался, в большинстве случаев, не востребованным – слишком много оказалось технических проблем, а, точнее, недоработок, которые мешали использовать такую возможность.

В заключение следует обратить внимание, что два процессора из линейки х86 – 8088 и 80386SX, являются переходными моделями, т. к. были разработаны в целях удешевления персональных компьютеров, собранных на их основе. Оба микропроцессора были как бы шагом назад по сравнению с базовым аналогом. Сохраняя все программные возможности, они имели укороченную в два раза шину данных. Такое техническое решение позволяло удешевить производство персональных компьютеров – 8088 имел 8-разрядную шину данных, сохраняя 16-разрядную архитектуру, a 80386SX для совместимости с 80286, которой на самом деле не оказалось, получил 16-разрядную шину данных.

Так как выпуск 16-разрядных процессоров был пионерской разработкой, которая внесла в компьютерный мир много нового, то именно архитектуре этих процессоров стали подражать большинство разработчиков микросхем. Теперь можно сказать, что процессор 8086 стал родоначальником семейства процессоров х86, которое явилось эталоном для подражания.

К сожалению, новые идеи и конструкции всегда несут в себе ошибки и проблемы. Не стал исключением и 8086, который как бы заложил мину замедленного действия для своих потомков.

В первую очередь – сумбурную, сложную и малопонятную систему команд, которая сегодня заставляет использовать в современном процессоре х86 две системы команд – одну для ядра, которое выполняет основные операции в процессоре, а вторую для общения с внешним миром. Отсюда необходимость специальных блоков внутри процессоров для перевода команд из одной системы в другую.

Второй серьезный недостаток – малое количество оперативных регистров – ячеек внутри процессора, которые служат для запоминания команд и операндов. Для текстового режима, в котором работали в то время все компьютеры, регистров и их размерности хватало, но в графическом режиме такая архитектура требует много лишних команд для пересылки данных из регистров в оперативную память и обратно.

Если проанализировать дальнейшее развитие семейства х86, то основные направления совершенствования, в большинстве случаев, касались преодоления проблем архитектуры 8086. Сегодня можно констатировать, что современные Pentium обладают самой сложной, не поддающейся логическому объяснению системой команд. Правда, в процессоре Pentium 4 наметились новые подходы решения накопившихся проблем.

Сегодня программисты обычно уже не вспоминают о 16-разрядных процессорах и разрабатывают новые программы с учетом того, что они будут использоваться на компьютере с процессором не ниже 80386 (конечно, с тактовой частотой 33 или 40 МГц). К тому же, только в последних моделях процессоров Intel и AMD внутренняя архитектура перестает быть улучшенным вариантом 286/386. Можно сказать, что сейчас происходит не просто увеличение разрядности процессоров и смена их поколений, а идет мучительный поиск наиболее оптимальных принципов работы будущих компьютеров.

Если вспомнить, то именно неудачная архитектура 80286 и защищенного режима, который, как надеялись разработчики, позволит реализовать для персональных компьютеров многозадачную работу, заставила инженеров корпорации Intel очень серьезно подойти к разработке архитектуры 32-разрядного процессора. Перед ними стояла непростая задача – сохранить возможность использования уже наработанного программного обеспечения и предусмотреть удобное применение процессора в многозадачных системах.

Использование в новом процессоре полной 32-разрядной архитектуры, конечно, было не совсем оправданным, но закладывало необычайно большой резерв возможностей, на которые можно будет опереться в будущем. Это подтвердил тот факт, что только Windows 95 стала первой массовой операционной системой, использовавшей все возможности Intel 386, а до этого основной режим, для которого создавалось подавляющее число программ, был 16-разрядным.

Когда, 17 октября 1985 г., было объявлено о начале выпуска 32-разрядного процессора Intel 80386, особого интереса это событие в то время не вызвало. Программистам вполне хватало возможностей 80286 процессора, а 32-разрядная арифметика считалась непозволительной роскошью. Тогда никто из рядовых пользователей не думал, что архитектура и принципы Intel 386 станут образцом на долгие годы, утвердив доминирование корпорации Intel в компьютерном мире. Только на переломе веков, спустя 15 лет, стали производиться 64-разрядные процессоры, предназначенные для применения в персональных компьютерах.