MP!? Tas ir ļoti vienkārši!

 

Mikroprocesors, tā attīstība un lietojumi sakaru tehnikā

 

Mikroprocesors (MP) – šī mazā mikroshēma, kas faktiski sāka vispārējās ciparizācijas tendences pasaulē, tika izgudrota 1971. gadā. Pirmais 4 bitu MP sastāvēja no 2300 tranzistoriem un darbojās 108 kHz taktsfrekvencē. Modernākie mūsdienu MP satur jau vairākus simtmiljonus tranzistoru, bet taktsfrekvence pārsniedz 2 GHz. Tātad šie raksturlielumi auguši par 4-5 kārtām – ar tādu progresu nevar lepoties neviena cita cilvēces darbības joma! Šis fakts tad arī ir ciparizācijas nenovēršamības pamatā.

 

Atskats vēsturē

Pēc tam, kad 1959. gadā I. S. Kolbi un R. N. Noiss bija patentējuši pirmo IMS (integrālā mikro-shēma) un uz silīcija kristāliņa jeb čipa kļuva iespējams izvietot aizvien lielāku tranzistoru daudzumu, radās arī objektīvi priekšnoteikumi digitālo IMS ienākšanai sadzīvē.

Par ļoti svarīgu pagrieziena punktu jāuzskata nu jau nedaudz vairāk kā pirms 30 gadiem, 1971. gada decembrī, firmā Intel (Santaklāra, Kalifornija, ASV) izstrādātais pirmais 4 bitu MP, ko apzīmēja, firmas nosaukumam pievienojot 4004. MP bija izveidots uz viena silīcija čipa, kopumā sastāvēja no 2 300 tranzistoriem, kas darbojās 108 kHz taktsfrekvencē. Tā bija Intel firmas datortehnikas un IMS speciālista M. E. Hoffa ideja: izveidot IMS (1. zīm.), kas varētu izpildīt datora centrālajam procesoram līdzīgas funkcijas. Mikroshēma nodrošināja programmējamu datu apstrādi, izpildot 45 instrukcijas (komandas).

Lai gan F. Faggina (vēlāk Zilog firmas pamatlicējs) vadībā izgatavotais pirmais MP bija projektēts visai pieticīgi – kā uzlabotu kalkulatoru galvenā sastāvdaļa, izstrādātājiem varbūt pat nenojaušot, tika likti pamati nepieredzēti straujai datorizācijai. Milzīgie elektronu skaitļojamo mašīnu skapji ar radiolampām (1946.-1955.) un prāva ledusskapja lielumā ar diskrētiem tranzistoriem pieblīvētās, t. s. miniskaitļojamās mašīnas (1955.-1968.) kļuva par datoru attīstības seno un viduslaiku reliktiem.

Tikai tagad tā īsti nojaušam Hoffa nenovēršamā izgudrojuma un MP fantastiskās attīstības sekas – šogad pasaulē jau pārdots miljards datoru, un speciālisti prognozē, ka to demogrāfiskā izplatība turpmākajos piecos gados dubultosies. Bet datori rauj sev līdzi citas tehnikas nozares!

 

MP (sinonīms – mikrodators)

Ar MP saprotam ar programmu vadāmu IMS, kas paredzēta digitālās informācijas apstrādei un kas pēdējā laikā tiek būvēta, tāpat kā pirmais MP, tikai uz viena čipa. MP veic divas svarīgas lietas: programmējamu datu apstrādi un šī procesa vadību, tādējādi kļūstot par no IMS veidota datora galveno sastāvdaļu. MP sastāv no vadības bloka (kontrollera), ALU (Arithmetic - Logical Unit, aritmētiski loģiskā bloka) un atmiņas (2. zīm.). Visi bloki savstarpēji saistīti ar kopnēm. Iekšējā atmiņa sastāv no programmu (instrukciju) un datu operatīvās RAM (Random Access Memory) brīvpieejas un ROM (Read Only Memory) energoneatkarīgas, pastāvīgas lasāmatmiņas. Iekšējā atmiņa nosaka ātru instrukciju un datu pārvades izpildi. Lai palielinātu atmiņas apjomu, kopnes tiek pievienotas ārējai atmiņai (RAM, ROM, EPROM - Electrically Programmable Read Only Memory – elektriski programmējama ROM). Ja MP ir peldošā komata procesors, tas vēl satur DMA (Direct Memory Access) bloku, kešatmiņu (skat. tālāk) un komplicētāku kopņu sistēmu.

 

Dažādie MP

Jebkuru informācijas apstrādes algoritmu, to skaitā video/audio signālu t. s. avota kodēšanu MPEG2 standartā, var īstenot divējādi – ar sastādītu programmu, ko realizē, piemēram, ar Pentium procesora datoru, vai ar aparatūru – koderu, kuru stūrē specializēts MP, kam vajadzīgais datu apstrādes algoritms jau ierakstīts atmiņā. Nepievēršot uzmanību algoritma mērķiem, MP tādēļ var iedalīt divās lielās grupās – plaša lietojuma, universālajos (GPP - General Purpose Processors) un konkrētam uzdevumam specializētos procesoros, ko pēdējā laikā dēvē par DSP (Digital Signal Processing). Pirmais DSP procesors bija 1980. gadā japāņu firmas NEC izstrādātais NEC 7720, kas bija paredzēts telekomunikāciju lietojumos.

 

MP sfēra un procesoru kari

GPP procesorus izmanto visdažādākās datoru modifikācijās, sākot ar superdatoriem un beidzot ar plaukstdatoriem, bet DSP procesorus – visās iespējamās ražošanas un pakalpojumu jomās, ieskaitot sakaru tehniku un telekomunikācijas; datortīklus, digitālās telefonijas iekārtas, digitālā radio iekārtas, retranslatorus, datu bāzes un datu pārvades sistēmas, video/audio un digitālās TV koderus un dekoderus, portatīvās sakaru sistēmas, modemus utt.

GPP un DSP MP lietojumu sfēru robežas pēdējā laikā var arī pārklāties vai kļūt ļoti nosacītas. Tā, piemēram, Tektronix firmas modernākos digitālās televīzijas mērinstrumentus var uzskatīt drīzāk par datoru, nevis mēraparātu. Tādā gadījumā to komandē un stūrē nevis DSP, bet GPP – kāds no Pentium tipa procesoriem.

Tāpat nebūs brīnums, kad kādā jaunā limuzīnā bez vairākiem desmitiem DSP tipa MP, kas kontrolē un vada pašas automašīnas darbību, ņemot vērā tajā iebūvētās sarežģītās telekomunikāciju sistēmas (piemēram, parastais un digitālais radio, digitālā televīzija, firmas Clarion navigācijas sistēma, kas māk izlobīt no tuvējā FM raidītāja visiem mirstīgiem nomaskētos, kodētos navigācijas RDS signālus, uz displeja parādot karti ar brauciena ceļamērķi) kopējo automašīnas vadību arī uzņēmies kāds no GPP MP paveidiem – Pentium vai Athlon procesors.

Firmas, kas projektē un ražo GPP, ir nonākušas nepārtrauktā, kaut arī netiešā konkurences cīņā ar firmām, kas tirgū laiž DSP procesorus. To izraisa nevis tirgus; bet gan gandrīz identiskā ražošanas tehnoloģija un daļēji līdzīgā programmatūra. Žurnāli raksta gan par procesoru kariem, gan dažādām sacīkstēm, vēl jo vairāk tādēļ, ka gandrīz katru jauninājumu, to nedaudz pārveidojot, var pārnest no viena procesora veida uz otru (un otrādi).

 

GPP pret DSP

GPP procesori ir ātrdarbīgāki. Piemēram, serveriem paredzētie Intel Pentium IV un Intel Xeon ar atbilstoši 2,53 GHz un 2,40 GHz taktsfrekvencēm.

Toties tie ir (nav):

·       daudz dārgāki (piemēram, Intel Xeon maksā 245 latus);

·       ar lielāku elektroenerģijas patēriņu;

·       tiem parasti nav izvērsti attīstības līdzekļi (tools): lietojumu piemēri un detalizētas programmu bibliotēkas, asamblera kompilatori, linkeri, augsta līmeņa valodu kompilatori u. c.;

·       tiem bieži nav DSP procesoru komplektā ietilpstošo perifērijiekārtu: seriālie AD/DA pārveidotāji, komunikāciju porti, speciālie interfeisi.

Tāpat programmētājiem ļoti grūti prognozēt instrukciju izpildes laiku.

Ļoti daudzos DSP procesoru lietojumos datu apstrādes ātrums nav noteicošais faktors. Piemēram, video/audio iekārtu procesoriem pirmplānā izvirzās tādi raksturlielumi kā:

·       mazas sistēmas izmaksas;

·       pēc iespējas mazāks elektroenerģijas patēriņš;

·       tikai visnepieciešamākā atmiņas ietilpība;

·       pēc iespējas mazāki čipa izmēri, MP pakojuma izmēri un minimāls izvadu skaits;

·       pietiekami kompakta programmatūra.

DSP procesori parasti izmanto relatīvi īsus instrukciju vārdus – 16 vai 32 bitu garumā.

Savukārt GPP procesoru galvenais trumpis – to lietojums datoros, ar ko skaidrojams arī plašāks un sazarotāks to tirdzniecības tīkls. Turklāt to rīcībā ir pirmklasīga programmatūra. GPP procesoru projektētāji nodrošina programmatūras savietojamību dažādām GPP MP paaudzēm, ko panāk ar komplicētāku MP arhitektūru. Piemēram, Pentium procesors var izmantot programmas, kas paredzētas iepriekšējo modeļu (Intel 80486) arhitektūrai, izpildot divas instrukcijas vienā darba taktī. Tādējādi patērētāji (visdažādākās firmas) var uzlabot sistēmas, nepārveidojot programmatūru.

 

Neimana/Harvarda arhitektūra

Digitālās video/audio iekārtās izmanto MP ar Neimana un Harvarda arhitektūru. Pirmā ir 1946. gadā ungāru matemātiķa Dž. fon Neimana un viņa kolēģu G. Goldsmita un A. Berksa formulētā un mūsdienās datortehnikā vispārpieņemtā bloku darbības principu un to mijiedarbes kārtība. Harvarda arhitektūru savukārt iedibināja Harvarda universitātes līdzstrādnieku grupa, kas ieteica MP modeli nevis ar kopējām kopnēm, bet datiem un instrukcijām nodalītām, atsevišķām kopnēm (2. zīm.). Tātad smalks nosaukums samērā vienkāršai lietai. Video/audio iekārtās izmantotos MP parasti iedala trīs grupās: sarežģīto instrukcijkopu (CISC), sašaurināto instrukcijkopu (RISC) un jau aplūkotos DSP procesoros. To galvenās iezīmes skat. 1. tabulā.

Jāņem vērā, ka CISC un RISC procesori pieskaitāmi GPP procesoru grupai, bet attiecībā uz arhitektūrām tas, ka pēdējā laikā dominē Harvarda arhitektūra [2].

 

1. tabula

CISC, RISC un DSP tipa MP galvenās iezīmes [1]

 

CISC - Complex Instruction Set Computer

·       Neimana arhitektūra;

·       asamblera programmēšana;

·       liels instrukciju skaits;

·       datoru saimes;

·       kompilatoru izmantošana;

·       lietojums: universālie mikrodatori

 

RISC - Reduced Instruction Set Computer

·       Neimana/Harvarda arhitektūra;

·       instrukciju skaits <100;

·       adrešu modu skaits <4;

·       instrukciju formāti <4;

·       aparatūrā ierakstīta instrukcija (neizmanto mikroinstrukcijas);

·       vairums instrukciju apstrādā vienā darba taktī;

·       optimizēti kompilatori augsta līmeņa valodām;

·       lietojums: darbstacijas un serveri

 

DSP - Digital signal Processor

·       Harvarda arhitektūra;

·       atšķirīgas iekšējās datu kopnes;

·       asamblera programmēšana;

·       paralēla dažu instrukciju apstrāde vienā darba taktī;

·       optimizēti kompilatori augsta līmeņa valodām;

·       reālā laika sistēmas;

·       lietojums: reālā laika signālapstrāde

 

MP trīs posmi

MP darbības, tātad datu apstrādes pamatā ir trīs posmi:

·         instrukciju piegāde MP kodolam;

·         datu piegāde katrai instrukcijai;

·         un katrai instrukcijai nepieciešamās operācijas izpilde.

Aplūkosim galvenos jauninājumus, kas laiku gaitā uzlaboja šo trīs posmu izpildi. Bet vispirms - par instrukciju garumu un paralēlo bloku darbību.

 

Instrukciju garums

Palielinot instrukciju garumu no 16 uz 32 bitiem, izdodas izbēgt no ierobežojumiem, piemēram, kuri no reģistriem tiek izmantoti operācijām. Tas tāpēc, ka, jo garāks instrukcijas vārds, jo vairāk atšķirīgu instrukciju var apzīmēt, tā pieļaujot instrukciju kopai veidot vairāk kombināciju izpildāmo operāciju un reģistru (vienkāršākā atmiņa) starpā. Šo ierobežojumu noņemšana dod iespēju daudz vienkāršāk veidot efektīvu MP kompilatoru. Tātad instrukcijām nepieciešami garāki vārdi?

 

Paralēlisms

Pēdējā laikā uz čipa izvieto vairākus MP, kas sajūgti paralēlai darbībai. Tā ir CMP (Chip Multiprocessor) arhitektūra. Starpprocesoru informācijas apmaiņu uz viena čipa var realizēt daudz ātrāk nekā ar blokiem ārpus čipa. CMP iedibināja IBM firma 2000. gadā. CMP izmanto gan GPP, gan DSP procesoros. Taču pastāv būtiskas atšķirības, kā CMP šajos MP tiek realizētas.

 

VLIW un superskalārā arhitektūra

DSP procesoros izmanto ļoti gara instrukcijas vārda arhitektūru – VLIW (Very Long Instruction Word). Ar VLIW apzīmē instrukciju, ko var sagrupēt paralēlai darbībai. Piemēram, firmas Texas Instruments MP TMS 320C6XXX lieto VLIW, kas sastāv no astoņiem 32 bitu vārdiem! Kopā sanāk 256 bitu instrukcija! Šādu MP arhitektūru skat. 3. zīm. GPP procesoros paralēlismam izmanto t. s. superskalāro (superscalar) arhitektūru. Abas arhitektūras atšķiras galvenokārt ar to, kā instrukcijas paralēlai izpildei tiek grupētas. Vienīgais zināmais DSP procesors ar superskalāro arhitektūru ir firmas Logic Inc. (Milpitas, Kalifornija, ASV) LSI40XX procesors.

 

SIMD

Cits ceļš uz paralēlismu ir SIMD (Single Instruction Multiple Data) metode, kas procesoram pieļauj izpildīt to pašu operāciju, lietojot vienu instrukciju daudzkārtēju, neatkarīgu datu kopu apstrādē. MP ar SIMD atbalstu var apstrādāt datus, piemēram, 64 bitu reģistrā kā četrkārt mazāku datu, t. i., 16 bitu, vārdu. Turklāt tiek veiktas tās pašas operācijas, bet izejā tiek ģenerēti neatkarīgi lielumi! SIMD arhitektūra kļuva populāra pagājušā gadsimta 90. gados vektororientētiem algoritmiem (piemēram, MPEG2, MPEG4), lai paaugstinātu centrālā procesora veiktspēju multimediju un videosignālu apstrādes lietojumos.

SIMD bija tas, kas nodrošināja GPP procesoru (Intel Pentium III, Motorola PowerPC G4) līdzināšanos vai pārākumu ātrdarbības ziņā pār DSP procesoriem. Kaut arī sākotnēji paredzēta tikai GPP procesoriem, SIMD vēlāk plaši izmantota jaunākajās DSP izstrādnēs.

 

Video/audio MP

Digitālo video/audio iekārtu procesoru darbība tiek pārbaudīta ar īpašām testprogrammām. Pazīstami, piemēram, BDTI (Berkeley Design Technology Inc.) – neatkarīgas DSP analīzes un programmatūras firmas (Berklija, Kalifornija, ASV) standarttesti. Tie ietver telekomunikāciju un multimediju digitālo iekārtu visizplatītāko algoritmu [FIR (Finite Impulse Response) - digitālie filtri, FFT (Fast Fourier Transform) - ātrā Furjē transformācija] pārbaudi. BDTI standartprogrammas palīdz ērtāk salīdzināt dažādu firmu MP veiktspēju(skat. 2. tabulu).

 

2. tabula

 

Turpinājums sekos.

 

 

Arnolds VĪTOLS,

ekskluzīvi SP