Четверте покоління комп'ютерів (з 1971 по 1986)

У 1965 році голова ради директорів компанії "Интел" Гордон Мур припустив, що кількість елементів на інтегральних мікросхемах повинна подвоюватися кожні 18 місяців. Надалі це правило, відоме як закон Мура, було застосовано до швидкості мікропроцесорів і дотеперне порушувалося.

У 1969 році компанія "Интел" випустила ще однин важливий для розвитку обчислювальної техніки пристрій - мікропроцесор. Конструкція мікропроцесора дозволяє застосовувати його для рішення широкого кола задач, створюючи при цьому різні функціональні пристрої. Використання мікропроцесорів значно спростило конструкцію комп'ютерів. Практично відразу мікропроцесори набули широкого застосування в різних системах керування від космічних апаратів до побутових приладів.

Протягом наступних десятиліть, дотримуючись закону Мура, продовжувалося усе більше збільшення швидкості й інтеграції мікропроцесорів. З'явилися зверхвеликі інтегральні схеми, що включають сотні тисяч і навіть мільйони елементів на один кристал. Це дозволило продовжити зменшення розмірів і вартості комп'ютерів і підвищити їхню продуктивність і надійність.

Практично одночасно з мікропроцесорами з'явилися мікрокомп'ютери, або персональні комп'ютери, відмінною рисою яких стали невеликі розміри і низька вартість. Завдяки своїм характеристикам персональні комп'ютери надали можливість практично будь-якій людині познайомитися з обчислювальною технікою. Комп'ютери перестали бути прерогативою великих компаній і державних установ, а перетворилися в товар масового споживання.

Одним з піонерів у виробництві персональних комп'ютерів була компанія Apple. Її засновники Стив Джобе і Стив Возняк зібрали першу модель персонального комп'ютера в 1976 році і назвали її Apple І.

У 1981 році найбільша комп'ютерна компанія ІBM представила свій перший персональний комп'ютер - ІBM PC.)

 

П'ятє покоління комп'ютерів (з 1986 по дійсний час).

 

Поява п'ятого покоління комп'ютерів зумовлена створенням процесора Pentium. Це 64 –розрядні процесори. Ці процесори працюють при меншій напрузі, з вищми тактовим частотами, мають велику кеш-память.

 

Типи процесорів та їх характеристики

 

Процесор — центральний пристрій комп'ютера. У комп'ютері він реалізує дві основні функції:

• управляє роботою всіх інших пристроїв комп'ютера;

• виконує команди програми.

Типи процесорів

Існує багато процесорів, які розрізняються призначеннями, архітектурою та характеристиками. Одна з можливих класифікацій процесорів наведена на рис. 1.

Універсальні процесори характеризуються широкою областю застосування. Серед них розрізняються CISC та RISC процесори.

У CISC (Complex Instruction Set Computer) процесорах використовуються складні команди змінної довжини з великим різноманіттям режимів адресації операторів. Такі команди нагадують оператори мов високого рівня.

У RISC (Reduced Instruction Set Computer) процесорах розмір команди постійний і, як правило, обмежений одним словом оперативної пам'яті. У таких процесорах усі операції виконуються тільки над операндами, які знаходяться в регістрах процесора. Для завантаження операндов у регістри з оперативної пам'яті існують спеціальні команди.

Очевидно, що в CISC процесорах програма під час компіляції з мови високого рівня стає більшою за кількістю команд, ніж у RISC процесорах. Це пояснюється тим, що одна складна CISC команда може компілюватись у декілька простих RISC команд. Однак складні команди повільніше виконуються, що гальмує зростання продуктивності CISC процесорів.

Утім, в останні роки помітна тенденція до зближення архітектури CISC і RISC процесорів. Так, у деяких сучасних CISC процесорах на апаратному рівні виконується трансляція складних CISC команд у прості RISC команди. Така трансляція здійснюється «прозоро» для користувача.

Спеціалізовані процесори орієнтовані на вузьку область застосування, на яку і націлена їх система команд.

Сигнальні процесори призначені для цифрової обробки різних типів сигналів (радіосигналів, відеосигналів і т. д.)- Ціллю такої обробки може бути підсилення сигналу, фільтрація його від завад, змішування двох і більше сигналів. Для цифрової обробки аналоговий сигнал перетворюється у двійковий код і останній опрацьовується процесором.

Нейропроцесори імітують роботу клітин головного мозку людини — нейронів. За допомогою відповідним чином з'єднаних між собою нейропроцесорів можна побудувати складну нейронну мережу. Після навчання на прикладах така мережа може виконувати задачі, які важко алгоритмізувати. Нейронні мережі використовуються в таких областях як розпізнавання предметів, розбиття предметів на групи за схожими ознаками тощо.

Як правило, сучасні процесори, випускаються у вигляді єдиної мікросхеми, тому їх називають мікропроцесорами. Мікроконтролер на єдиній мікросхемі містить не тільки процесор, але й пам'ять невеликої ємності, інтерфейси введення-виведення. Мікроконтролери широко застосовуються в побутовій техніці: фотоапаратах і цифрових відеокамерах, мікрохвильових печах, мобільних телефонах, автомобілях, іграшках.

У персональних комп'ютерах застосовують, як правило, універсальні CISC (рідше RISC) процесори. Поруч із цим персональний комп'ютер може містити й спеціалізовані процесори, наприклад, сигнальні для обробки мультимедійної інформації. Крім того, багато периферійних пристроїв комп'ютера мають убудовані мікроконтролери, які управляють їх роботою.

Базова структура процесора

Процесор складається з двох основних пристроїв (рис. 2):

• арифметично-логічний пристрій (АЛП);

• пристрій управління (ПУ).

АЛП призначений для виконання арифметичних і логічних операцій над даними (операндами). Арифметичні операції (додавання, віднімання, множення, ділення і т. д.) можуть виконуватись над операндами з фіксованою або плаваючою точкою, представленими двійковими кодами. Деякі процесори не підтримують арифметику з плаваючою комою.

До логічних операцій відносяться зсув двійкового коду ліворуч або праворуч, інвертування коду, операції І, АБО.

Для тимчасового зберігання вихідних операндів і результату виконання операцій у складі процесора може бути блок регістрів (БР). У багатьох процесорах для виконання операції один з операндів повинен знаходитись у спеціальному регістрі, який називається акумулятором. Результат операції також пересилається в акумулятор. Другий операнд може розміщуватись у регістрі або в комірці оперативної пам'яті.

У складі БР є також регістр ознак. У ньому зберігаються признаки виконання операцій у АЛП. Такими признаками можуть бути:

• ознака від'ємного результату для арифметичних операцій;

• ознака нульового результату для арифметичних і логічних операцій;

• ознака переповнення мантиси для арифметичних операцій.

Ці признаки використовуються ПУ. Детальніше про це мова йтиме далі.

ПУ виконує такі основні функції [4]:

• формування адреси поточної виконуваної команди програми;

• вибірка коду команди з оперативної пам'яті, розпізнавання типу операції;

• формування адреси операндів й вибірка операндів для виконуваної команди;

• виконання команд управління;

• формування управляючих сигналів для виконання функцій ПУ, а також інших пристроїв комп'ютера. ПУ складається з двох блоків:

• блоку управління командами (БУК);

• блоку мікрокоманд (БМК). Схема БУК наведена на рис. 3.

Розглянемо призначення й функціонування ос­новних елементів БУК.

Регістр команд (РгК) приймає й зберігає код ко­манди, який по шині даних (ПІД) надходить з опе­ративної пам'яті.

Команда складається з двох полів:

•поле коду операції (КОП);

•поле адрес операндів (А).

КОП поступає на дешифратор (ДшКОП). Для ко­жної операції дешифратор формує ознаку операції (ПрОп). Ця ознака поступає в БМК, де для кожної операції виробляється послідовність управляючих сигналів.

Лічильник команд (ЛК) призначений для формування адреси виконуваної команди програми. Після завантаження програми в оперативну пам'ять у ЛК заноситься операційною системою адреса початкової команди програми (Ап).

Команди в процесорі виконуються в природному порядку їх слідування в програмі. Після виконання чергової команди значення ЛК збільшується на довжину команди. Для цього на вхід «+1» лічильника подаються управляючі сигнали, які й змінюють значення ЛК. Кількість таких сигналів дорівнює довжині команди.

У програмі можуть бути команди безумовного й умовного переходів, які порушують природний порядок виконання команд. Поле адреси таких команд містить адресу наступної виконуваної команди. Різниця між командами безумовного й умовного переходів у тому, що в першому випадку перехід за значенням поля адреси здійснюється завжди, а в другому випадку — тільки у разі виконання певних умов (наприклад, якщо результат попередньої команди — від'ємний). Під час виконання команд безумовного і умовного переходів код із поля адреси заноситься на ЛК.

З виходу ЛК знімається адреса команди (Ак), яка поступає через шину адреси (ТТТА) в оперативну пам'ять для вибірки чергової виконуваної команди.

Блок формування адрес операндів (БФАоп) формує адреси операндів для виконуваної команди. У командах використовуються такі основні способи адресації операндів:

1. Пряма адресація, У полі адреси команди вказується адреса операнда. Операнд може знаходитись у комірці оперативної пам'яті або в одному з регістрів БР.

2. Побічна адресація. В адресному полі команди вказується адреса регістра, який містить адресу операнда в оперативній пам'яті.

3. Безпосередня адресація. В адресному полі команди міститься сам операнд, який звідси направляється в АЛП.

4. Базово-індексна адресація. Код з поля адреси команди сумується з кодом в одному з базових або індексних регістрів і як адреса комірки направляється в оперативну пам'ять. Як базові й індексні регістри використовуються певні регістри БР.

5. Неявна адресація. Адреса операнда визначається змістом команди. Як уже зазначалось, у багатьох процесорах при виконанні арифметичних команд один з операндів і результат знаходяться в акумуляторі. Очевидно, у таких командах нема необхідності вказувати адресу акумулятора.

Способи адресації операндів визначаються, як правило, полем КОП. Для кожної операції з БМК у БФАоп (див. рис. 3) поступають управляючі сигнали, під дією яких останній і формує адреси операндів. Ці адреси поступають у БР або в оперативну пам'ять для вибірки операндів [3].

Виконання кожної команди в процесорі розбивається на елементарні дії — мікрооперації. Прикладом мікрооперації може бути занесення коду на регістр, видача коду в шину і т. д. Послідовність таких мікрооперацій для кожної команди складає мікропрограму її виконання. Для виконання кожної мікрооперації необхідно в певному такті сформулювати відповідний управляючий сигнал. Дану функцію виконує БМК.

За засобом формування управляючих сигналів мікрооперацій розрізняють БМК з жорсткою й гнучкою (програмованою) логікою. У БМК із жорсткою логікою послідовність видачі управляючих сигналів визначається структурою блоку. Структурна схема БМК із жорсткою логікою наведена на рис. 4.

До складу БМК входить:

• лічильник тактів (ЛТ);

• дешифратор тактів (ДшТ);

• комбінаційна схема формування управляючих

сигналів мікрооперацій.

На ЛТ поступають тактові імпульси (ТІ) з генератора і лічильник із кожним тактом змінює свій стан. Код з ЛТ видається на ДшТ. Останній формує на одному з виходів Т_х,..., Т_п сигнал логічної «1», який поступає на комбінаційну схему. На комбінаційну схему поступають також ПрОп із БУК. Комбінаційна схема при наявності цих сигналів формує цілком визначену послідовність управляючих сигналів мікрооперацій, яка відповідає мікропрограмі виконуваної команди.

У БМК із гнучкою логікою інформація про послідовність управляючих сигналів зберігається в спеціальній пам'яті — пам'яті мікропрограм. Ця пам'ять може бути постійною або змінною (програмованою або оперативною). В останньому випадку можна, змінюючи вміст пам'яті мікропрограм, конструювати власні команди. Таким чином, деякі процесори (як правило спеціалізовані) можна налаштовувати на конкретні умови використання.

Кожна комірка пам'яті мікропрограм містить інформацію про мікрооперації, які слід виконати протягом одного такту. Сукупність таких мікрооперацій називається мікрокомандою.

Існує декілька варіантів кодування Інформації у комірках пам'яті мікропрограм.

При горизонтальному кодуванні кожній мікрооперації відповідає певний розряд комірки. Наявність «1» у цьому розряді означає, що мікрооперація повинна виконуватись у даному такті. Перевагою такого кодування є можливість виконання в одному такті довільного числа мікрооперацій. Це прискорює час виконання команди. Недолік горизонтального кодування — велика розрядність комірки. Число мікрооперацій у сучасних процесорах становлять сотні-тисячі, а комірки пам'яті мікропрограм такої розрядності побудувати складно.

При вертикальному кодуванні кожна мікрооперація представляється двійковим кодом. Число розрядів комірки для кодування п мікрооперацій дорівнює найбільшому цілому числу від Iog₂n, що значно менше, ніж при горизонтальному кодуванні. Однак при цьому в одній комірці неможливо вказати, а значить, І виконати в одному такті, декілька мікрооперацій. Це знижує продуктивність процесора.

Компромісом між горизонтальним І вертикальним кодуванням є комбіноване кодування. При цьому комірка пам'яті мікропрограм розбивається на декілька полів. У кожному полі можна вказати двійковий код мікрооперації. Мікрооперації, указані в полях однієї комірки, виконуються одночасно в одному такті.

Розглянемо приклад, який ілюструє різні способи кодування. Нехай мікропрограма виконання деякої команди включає 8 мікрооперацій (позначимо їх МОп₀,..., МОп₇, причому в першому такті повинні виконуватись мікрооперації МО І МОп₃, у другому такті — М0п₂1 МОп₀, у третьому — МОп₆1 МОп₇, у четвертому - МОп₄1 МОп₅.

Для горизонтального кодування мікропрограма виконання команди розміститься в пам'яті обсягом 4 комірки по 8 розрядів І буде мати вигляд (табл. 1).

Таблиця 1

№ комірки	Розряди комірки

Для вертикального кодування необхідна пам'ять обсягом 8x3 такого вмісту (табл. 2).

Таблиця 2

№
комірки
Вміст
комірки

Для комбінованого кодування достатньо пам'яті обсягом 4x6 (кожна комірка розбивається на два поля по 3 розряди) такого вмісту (табл. 3).

Таблиця З

№
комірки
	Поле 1	Поле 2	Поле 1	Поле 2	Поле 1	Поле 2	Поле 1	Поле 2
Вміст			ОІО
комірки

Схема БМК Із комбінованим кодуванням мікрооперацій наведена на рис. 5.

Блок формування початкової адреси мікропрограми (БФПА) по ПрОп, які поступають Із БУК, заносить на регістр адреси мікрокоманди (РгАМК) адресу початкової комірки мікропрограми (Апмп). У кожному такті за вмістом РгАМК з пам'яті мікропрограм на регістр мікрокоманди (РгМК) вибирається вміст чергової мікрокоманди. Дешифратори ДШ_1;..., ДШ_К, число яких визначається числом полів, перетворюють двійковий код мікрооперацій в управляючі сигнали. ЦІ сигнали поступають у пристрої комп'ютера для управління роботою комп'ютера.

З кожним тактом значення РгАМК збільшується на 1 («сигнал +1») і починається вибиратись мікрокоманда в наступній комірці. Процес повторюється доти, поки не завершиться мікропрограма.

Існують процесори (в основному спеціалізовані), які не мають команд, а мають тільки набір мікрооперацій. Для таких процесорів можна самостійно з мікрооперацій сконструювати систему команд, яка враховує особливості їх використання.