Компьютеры на СБИС. Том 1

Скачать DjVu (3,74 МБ)

Описание

Книга является переводом восьмого тона 11-тонной серив по микроэлектронике, напнсаиной япоискини специалистами. Посвящена вопросам проектирова-мия конпьютеров па основе наиболее перспективных СБИС. Значительное внимание уделено структурным решениян построения процессоров, запоминающих устройств, снетен ввода-вывода данных. Даны рекомендации по использованию для этих целей снстен автонатизированного проектирования.

Для специалистов в области электроники и вычислительной техники, а также для аспирантов и студентов соответствующих специальностей.

Предисловие редактора перевода

Схемотехнический (конструктивно-технологический) и системотехнический (архитектурный) аспекты разработки средств вычислительной техники тесно связаны друг с другом, что играет важную роль при выборе оптимальной стратегии проектирования компьютеров. С ростом возможностей интегральной технологии, а также с усилением требований к производительности, надежности и другим характеристикам компьютеров эти вопросы приобретают все большее значение. Поэтому не случайно, что в 11-томной серии по микроэлектронике, подготовленной японскими специалистами, два тома (восьмой и девятый) посвящены схемотехническим и системотехническим аспектам проектирования. ЭВМ с использованием СБИС.

В предлагаемом вниманию читателей переводе восьмого тома рассматриваются современные универсальные машины и анализируются пути их развития с применением СБИС.

Одним из направлений совершенствования универсальных машин является повышение производительности при одновременном улучшении надежностных, габаритно-весовых, энергетических и других характеристик. Проблема повышения производительности вычислительных машин решается различными методами — конструктивно-технологическими, структурными, алгоритмическими. Эффективность этих методов определяется возможностью распараллеливания вычислительного процесса. Распараллеливание необходимо, например, при одновременном обслуживании многих потребителей, которое часто осуществляется в реальном масштабе времени. Параллельная организация выполнения однотипных процессов создает предпосылки для повышения надежности вычислительного процесса в целом.

Структура книги в некотором смысле напоминает многие монографии и учебники по организации вычислительных машин: отдельные главы отведены построению процессоров, памяти, устройств ввода-вывода, т. е. подсистемам, традиционно выделяемым в архитектуре компьютера. Однако здесь эти подсистемы рассматриваются с использованием концепций многоуровневой и параллельной обработки на примерах современных средств вычислительной техники, что представит интерес для разработчиков вычислительных машин.

В ходе изложения авторы неоднократно прибегают к термину «пятое поколение». Однако четкого определения этого термина не дается. Как и в большинстве работ, называются лишь отдельные характеристики, которые должны быть присущи машинам пятого поколения: высокая степень интеграции компонентов в ИС, распараллеливание, способность «интеллектуальной» обработки и т. д.

Эта книга интересна тем, что в ней нашли отражение конкретные достижения многих зарубежных, в том числе японских, фирм, занимающихся разработкой и изготовлением компьютеров на СБИС. Кроме того, с ее помощью можно получить широкое представление о важнейших направлениях развития вычислительной техники на современном этапе и в обозримом будущем.

В. М. Кисельников

Предисловие

Такие достижения микроэлектроники, как микропроцессорные средства и полупроводниковая память, оказывают огромное влияние на вычислительную технику. Однако большие и сверхбольшие интегральные схемы, являющиеся наиболее перспективными элементами микроэлектроники, находятся на стадии внедрения в информационную технику, основу которой составляют вычислительные машины. Другими словами, актуальной задачей дальнейшего развития микроэлектроники является поиск путей реализации в вычислительной технике тех возможностей, которые предоставляют БИС и СБИС.

В настоящее время не существует единого взгляда на принципы классификации компьютеров по поколениям, но чаще всего современные вычислительные машины относят к поколению 3,5 или 3,75. Можно назвать по крайней мере две причины, не позволяющие считать их машинами четвертого поколения. Одна из них состоит в том, что в архитектуре современных универсальных ЭВМ еще далеко не в полной мере реализована техника БИС. Другая причина заключается в том, что архитектура этих машин в значительной степени соответствует архитектурным принципам ЭВМ третьего поколения.

Данный том посвящен рассмотрению проблем, возникающих при внедрении СБИС в современные универсальные машины. Использование СБИС создает предпосылки для проектирования специальных устройств обработки информации, принципиально новых по сравнению с традиционно существующими в вычислительной технике. Эти вопросы рассматриваются в 9-м томе серии (часть 2), являющемся продолжением данного. Здесь же основное внимание уделяется путям совершенствования существующих средств вычислительной техники на основе применения СБИС и анализу различных аспектов влияния техники СБИС на архитектуру ЭВМ.

В гл. 1 дается исторический обзор развития вычислительных машин и обсуждаются особенности архитектуры компьютеров, в наибольшей степени способствующие реализации потенциальных возможностей СБИС. Анализируется связь между проблемами функционального развития компьютеров, распараллеливанием процессов обработки и возможностями техники СБИС.

Глава 2 посвящена устройствам управления средствами обработки информации, имеющими различную структуру. Здесь рассматриваются на уровне команд машинного языка машины с управлением традиционными устройствами, машины с управлением потоками данных и машины с управлением по запросам. При этом предполагается, что системы управления имеют многоуровневую организацию. Системы с микропрограммным управлением рассматриваются на уровне регистровых передач. В конце главы подчеркиваются моменты, которые необходимо учитывать при логическом проектировании на уровне вентилей, ориентированном на применение СБИС.

В гл. 3 описывается организация памяти. Анализируется место памяти в компьютерах, обсуждается влияние, оказываемое на нее применением техники СБИС, исследуются состояние и перспективы развития элементов памяти и запоминающих устройств. Наряду с многоуровневыми структурами памяти и виртуальной памятью рассматриваются структуры памяти более высоких форм организации, т. е. память с объектной направленностью и проблемно-ориентированная память.

Гл. 4 посвящена организации систем ввода-вывода. Сначала рассматривается архитектура систем ввода-вывода и анализируется влияние на нее техники СБИС. Затем описывается применение избыточных кодов для передачи данных. С целью единообразного подхода к рассмотрению систем ввода-вывода и» классификация проводится с использованием понятия виртуального терминала. Затрагиваются вопросы обработки аналоговых данных и автоматизации лабораторных исследований. Наконец, описываются способы управления, находящие все более широкое применение в системах управления вводом-выводом и передачей данных.

В гл. 5 речь идет о системах автоматизированного логического проектирования. В отличие от описанных в третьем и четвертом томах настоящей серии по микроэлектронике САПР для СБИС, которые представляют собой системы проектирования низкого уровня (от проектирования элементов до проектирования реального устройства), в этой главе рассматриваются САПР высокого уровня (от формирования технических требований до синтеза логических схем). Прослеживается процесс проектирования, начиная с анализа технических требований, и описываются средства автоматизации, используемые на каждом из этапов этого процесса. Особое внимание при этом уделяется предотвращению ошибок, характерных для различных этапов проектирования компьютеров на СБИС. С точки зрения формализации процесса проектирования рассматривается язык описания аппаратной части компьютера. Наряду с обсуждением общих вопросов, связанных с синтезом логических схем и их проверкой, уделяется внимание кремниевым компиляторам, назначением которых является автоматизация синтеза СБИС. Глава заканчивается рассмотрением моделей, служащих для проверки работоспособности спроектированных систем и оценки их характеристик.

Таким образом, данная книга позволяет познакомиться с принципами построения современных универсальных ЭВМ, а также проблемами и новыми возможностями, которые сопутствуют внедрению техники СБИС в эти машины.

В написании тома принимали участие следующие авторы: Т. Мотоока, гл. 1, Архитектура компьютеров на СБИС. С. То-мита, гл. 2, Структура процессоров. X. Таиака, гл. 3, Структура систем памяти. Т. Сайто, гл. 4, Структура систем ввода-вывода. Т. Уэхара, гл. 5, Системы автоматизации логического проектирования.

Авторь* выражают благодарность сотрудникам издательства «Иванами сётэн», оказавшим помощь в подготовке и издании настоящего тома.

Октябрь 1984 г.
Т, Мотоока

Оглавление

Предисловие редактора перевода

Предисловие

Глава 1. Архитектура компьютеров иа СБИС

1.1. История развития архитектуры компьютеров

1.2. Методы повышения производительности

1.3. Тенденция к параллелизму в обработке

Глава 2. Структура процессоров

2.1. Многоступенчатая обработка

2.2. Машины, управляемые контроллерами

2.3. Машины, управляемые потоками данных

2.4. Машины, управляемые запросами

2.5. Влияние СБИС на структурирование процессорных устройств

2.6. Принцип действия и особенности организации микропрограммного управления

2.7. Типы микрокоманд

2.8. СБИС и микропрограммное управление

2.9. Логическое проектирование, ориентированное на СБИС

Глава 3. Структура систем памяти

3.1. Память и архитектура ЭВМ

3.2. Элементы и устройства памяти

3.3. Иерархическая структура памяти

3.4. Виртуальная память

3.5. Структура объектно-ориентированной памяти

3.6. Структура памяти с проблемной ориентацией

Глава 4. Структура систем ввода-вывода

4.1. Характеристики систем ввода-вывода

4.2. Коды графики и управления

4.3. Устройства ввода-вывода различных типов

4.4. Аналоговый ввод-вывод и автоматизация лабораторных исследований

4.5. Управление вводом-выводом

4.6. Системы управления связью

Глава 5. Системы автоматизации логического проектирования

5.1. Спецификация требований и САПР

5.2. Языки описания аппаратных средств

5.3. Синтез и верификация логических схем

5.4. Моделирование и оценка производительности

Предметный указатель