1.1. Лекция. От нуля до единицы 1План игр 2Искусство управления сложностью
 Скачать 2.34 Mb.
|
|
От нуля до единицы 1.1 План игры 1.2 Искусство управления сложностью 1.3 Цифровая абстракция 1.4 Системы счисления 1.5 Логические элементы 1.6 За пределами цифровой абстракции 1.7 КМОП транзисторы* 1.8 Потребляемая мощность 1.9 Краткий обзор главы 1 и того, что нас ждет впереди Упражнения Вопросы для собеседования 1 Глава 1 От нуля до единицы 3 1.1 ПЛАН ИГРЫ За последние тридцать лет микропроцессоры буквально изменили наш мир до неузнаваемости. Сегодняшний ноутбук обладает большей вычислительной мощностью, чем большой компьютер недавнего прошлого, занимавший целую комнату. Внутри современного автомобиля представительского класса можно обнаружить около пятидесяти микропроцессоров. Именно прогресс в области микропроцессорной техники сделал возможным появление сотовых телефонов и Интернета, значительно продвинул вперед медицину и радикально изменил тактику и стратегию современной войны. Объем продаж мировой полупроводниковой промышленности вырос с 21 миллиарда долларов в 1985 году до 300 миллиардов долларов в 2011 году, причем микропроцессоры составили львиную долю этих продаж. И мы убеждены, что микропроцессоры важны не только с технической, экономической и социальной точек зрения, но и стали одним из самых увлекательных изобретений в истории человечества. Когда вы закончите чтение этой книги, вы будет знать, как спроектировать и построить ваш собственный микропроцессор, а навыки, полученные на этом пути, пригодятся вам для разработки и многих других цифровых систем. Мы предполагаем, что у вас уже есть базовые знания по теории электричества, некоторый опыт программирования и искреннее Глава 1 От нуля до единицы 4 желание понять, что происходит под капотом компьютера. В этой книге основное внимание уделяется разработке цифровых систем, то есть систем, которые используют для своей работы два уровня напряжения, представляющих единицу и нуль. Мы начнем с простейших цифровых логических элементов – вентилей (digital logic gates), которые принимают определенную комбинацию единиц и нулей на входе и трансформируют ее в другую комбинацию единиц и нулей на выходе. После этого мы с вами научимся объединять эти простейшие логические элементы в более сложныe модули, такие как сумматоры и блоки памяти. Затем мы перейдем к программированию на языке ассемблера – родном языке микропроцессора. И в завершение, из кирпичиков логических элементов мы с вами соберем полноценный микропроцессор, способный выполнять ваши программы, написанные на языке ассемблера. Огромным преимуществом цифровых систем над аналоговыми является то, что необходимые для их построения блоки чрезвычайно просты, поскольку оперируют не непрерывными сигналами, а единицами и нулями. Построение цифровой системы не требует запутанных математических расчетов или глубоких знаний в области физики. Вместо этого, задача, стоящая перед разработчиком цифровых устройств, заключается в том, чтобы собрать сложную работающую систему из этих простых блоков. Глава 1 От нуля до единицы 5 Возможно, микропроцессор станет первой спроектированной вами системой, настолько сложной, что ее невозможно целиком удержать в голове. Именно поэтому одной из тем, проходящих красной нитью через эту книгу, является искусство управления сложностью системы. 1.2 ИСКУССТВО УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНОСТЬЮ Одной из характеристик, отличающих профессионального инженера- электронщика или программиста от дилетанта, является систематический подход к управлению сложностью многоуровневой системы. Современные цифровые системы построены из миллионов и миллиардов транзисторов. Человеческий мозг не в состоянии предсказать поведение подобных систем путем составления уравнений, описывающих движение каждого электрона в каждом транзисторе системы, и последующего решения этой системы уравнений. Для того, чтобы разработать удачный микропроцессор и не утонуть при этом в море избыточной информации, необходимо научиться управлять сложностью разрабатываемой системы. Глава 1 От нуля до единицы 6 1.2.1 Абстракция Критически важный принцип управления сложностью системы – абстракция, подразумевающая исключение из рассмотрения тех элементов, которые в данном конкретном случае несущественны для понимания работы этой системы. Любую систему можно рассматривать с различных уровней абстракции. Политику, участвующему в выборах, например, нет нужды учитывать все детали окружающего его мира, ему достаточно абстрактной иерархической модели страны, состоящей из населенных пунктов, областей и федеральных округов. В области может быть несколько населенных пунктов, а федеральный округ включает в себя разные области. Если политик борется за пост президента, то его, скорее всего, интересует то, как проголосует федеральный округ в целом, при этом ему не обязательно знать, какое количество Рис. 1.1 Уровни абстракции электронной вычислительной системы Глава 1 От нуля до единицы 7 голосов он наберет в каждом конкретном населенном пункте этого округа. Для политика федеральный округ – это его уровень абстракции. С другой стороны, бюро переписи населения обязано знать количество жителей в каждом городе или поселке страны и потому должно оперировать на самом низком уровне абстракции данной системы – на уровне населенных пунктов. На Рис. 1.1 показаны уровни абстракции, типичные для любой электронной компьютерной системы вместе со строительными блоками, характерными для каждого уровня абстракции этой системы. На самом низком уровне абстракции находится физика, изучающая движение электронов. Поведение электронов описывается квантовой механикой и системой уравнений Максвелла. Рассматриваемая нами современная электронная система состоит из полупроводниковых устройств (devices), таких как транзисторы (а когда- то это были электронные лампы). Каждое такое устройство имеет четко определенные точки соединения с другими подобными устройствами. Эти точки мы будем называть контактами (в англоязычной литературе используется термин terminal). Любое электронное устройство может быть представлено абстрактной математической моделью, описывающей изменяющуюся во времени взаимозависимость тока и напряжения. Такие же изменения тока и напряжения можно наблюдать на экране осциллографа, если подключить осциллограф к контактам Глава 1 От нуля до единицы 8 реального устройства. Данный подход означает, что, если рассматривать систему на уровне устройств, функции которых однозначно определены, то можно не учитывать поведение электронов внутри отдельных устройств этой системы. Следующий уровень абстракции – это аналоговые схемы (analog circuits), в которых полупроводниковые устройства соединены таким образом, чтобы они образовывали функциональные компоненты, такие как усилители, например. Напряжение на входе и на выходе аналоговой цепи изменяется в непрерывном диапазоне. В отличие от аналоговых цепей, цифровые схемы (digital circuits), такие как логические вентили, используют два строго ограниченных дискретных уровня напряжения. Один из этих дискретных уровней – это логический нуль, другой – логическая единица. В разделах этой книги, посвященных разработке цифровых схем и устройств, мы будем использовать простейшие цифровые схемы для построения сложных цифровых модулей, таких как сумматоры и блоки памяти. Микроархитектурный уровень абстракции, или просто микроархитектура (microarchitecture), связывает логический и архитектурный уровни абстракции. Архитектурный уровень абстракции, или архитектура (architecture), описывает компьютер с точки зрения программиста. Например, архитектура Intel x86, используемая Глава 1 От нуля до единицы 9 микропроцессорами большинства персональных компьютеров (ПК), определяется набором инструкций и регистров (памяти для временного хранения переменных), доступным для использования программистом. Микроархитектура – это соединение простейших цифровых элементов в логические блоки, предназначенные для выполнения команд, определенных какой-то конкретной архитектурой. Отдельно взятая архитектура может быть реализована с использованием различных вариантов микроархитектур с разным соотношением цены, производительности и потребляемой энергии, и такое соотношение зачастую выбирается как баланс между этими тремя факторами. Процессоры Intel Core i7, Intel 80486 и AMD Athlon, например, используют одну и ту же архитектуру x86, но реализованную с использованием трех разных микроархитектурных решений. Теперь мы перемещаемся в область программного обеспечения. Операционная система (operating system) управляет операциями нижнего уровня, такими как доступ к жесткому диску или управление памятью. И, наконец, программное обеспечение использует ресурсы операционной системы для решения конкретных задач пользователя. Именно принцип абстрагирования от маловажных деталей позволяет вашей бабушке общаться с внуками в Интернете, не задумываясь о квантовых колебаниях электронов или организации памяти компьютера. Глава 1 От нуля до единицы 10 Предмет этой книги – уровни абстракции от цифровых схем до компьютерной архитектуры. Работая на каком-либо из этих уровней абстракции, полезно знать кое-что и об уровнях абстракции, непосредственно сопряженных с тем уровнем, где вы находитесь. Программист, например, не сможет полностью оптимизировать код без понимания архитектуры процессора, который будет выполнять эту программу. Инженер-электронщик, разрабатывающий какой-либо блок микросхемы, не сможет найти компромисс между быстродействием и уровнем потребления энергии транзисторами, ничего не зная о той цифровой схеме, где этот блок будет использоваться. Мы надеемся, что к тому времени, когда вы закончите чтение этой книги, вы сможете выбрать уровень абстракции, необходимый для успешного выполнения любой стоящей перед вами задачи, и оценить влияние ваших инженерных решений на другие уровни абстракции в разрабатываемой вами системе. Каждая глава этой книги начинается с иконок (см. Рис. 1.1 ), символически изображающих уровни абстракции электронной системы, которые мы перечислили выше. Иконка темно-синего цвета указывает на тот уровень абстракции, которому уделяется главное внимание в этой конкретной главе. Иконки более светлого оттенка синего указывают на другие уровни абстракции, также затронутые в этой главе. Глава 1 От нуля до единицы 11 1.2.2 Конструкторская дисциплина Конструкторская Дисциплина – это преднамеренное ограничение самим конструктором выбора возможных вариантов разработки, что позволяет работать продуктивнее на более высоком уровне абстракции. Использование взаимозаменяемых частей – это, вероятно, самый хорошо знакомый всем нам пример практического применения конструкторской дисциплины. Одним из первых примеров использования взаимозаменяемых деталей и узлов стала унификация при производстве кремнёвых ружей. До начала 19-го века такие ружья производились вручную и в штучном порядке. Высококвалифицированный оружейный мастер тщательно подтачивал и подгонял комплектующие, произведенные несколькими не связанными друг с другом ремесленниками. Конструкторская дисциплина для обеспечения взаимозаменяемости деталей и узлов произвела революцию в оружейной промышленности. Ограничение ассортимента комплектующих деталей до стандартного набора с жестко установленными допусками для каждой детали позволило собирать и ремонтировать ружья гораздо быстрее и использовать при этом менее квалифицированный персонал. Оружейный мастер перестал тратить свое время на разрешение проблем, связанных с нижними уровнями абстракции, такими как доводка какого-то Глава 1 От нуля до единицы 12 конкретного ствола или исправление формы отдельного взятого приклада. В контексте данной книги соблюдение конструкторской дисциплины в виде максимального использования цифровых схем играет очень важную роль. В цифровых схемах используются дискретные значения напряжения, в то время как в аналоговых схемах напряжение изменяется непрерывно. Таким образом, цифровые схемы, которые можно рассматривать как подмножество аналоговых цепей, в некотором смысле уступают по своим характеристикам более широкому классу аналоговых цепей. Однако цифровые цепи гораздо проще проектировать. Ограничивая использование аналоговых схем и по возможности заменяя их цифровыми, мы можем легко объединять отдельные компоненты в сложные системы, которые, в конечном итоге, для большинства приложений превзойдут по своим параметрам системы, построенные на аналоговых цепях. Примером тому могут служить цифровые телевизоры, компакт-диски (CD) и мобильные телефоны, которые уже практически полностью вытеснили своих аналоговых предшественников. Глава 1 От нуля до единицы 13 1.2.3 Три базовых принципа В дополнение к абстрагированию от несущественных деталей и конструкторской дисциплине разработчики электронных систем используют еще три базовых принципа для управления сложностью системы: иерархичность, модульность конструкции и регулярность. Эти принципы применительно как к программному обеспечению, так и к аппаратной части компьютерных систем. Иерархичность – принцип иерархичности предполагает разделение системы на отдельные модули, а затем последующее разделение каждого такого модуля на фрагменты до уровня, позволяющего легко понять поведение каждого конкретного фрагмента. Модульность – принцип модульности требует, чтобы каждый модуль в системе имел четко определенную функциональность и набор интерфейсов и мог быть легко и без непредвиденных побочных эффектов соединен с другими модулями системы. Регулярность – принцип регулярности требует соблюдения единообразия при проектировании отдельных модулей системы. Стандартные модули общего назначения, например, такие как блоки питания, могут использоваться многократно, во много раз снижая количество модулей, необходимых для разработки новой системы. Глава 1 От нуля до единицы 14 Капитан Мериуэзер Льюис – один из руководителей знаменитой экспедиции Льюиса и Кларка на северо-запад США, был, пожалуй, одним из самых ранних сторонников взаимозаменяемости. В 1806 году в своем дневнике, касаясь унификации деталей кремнёвых ружей того времени, он написал следующее: «Ружья Дрюера и сержанта Прайора одновременно вышли из строя. На ружье Дрюера сломался ударно-спусковой механизм, и мы заменили его на новый. У ружья сержанта Прайора был сломан курковый винт, вместо которого мы поставили запасной курковый винт, заранее изготовленный специально для ударно-спускового механизма этого ружья на мануфактуре Харперс Фейри, где это оружие и было произведено. Если бы не предусмотрительность, заключавшаяся в том, что мы заранее позаботились о запасных частях для ружей, и не мастерство Джона Шилдса, выполнившего всю работу, то большинство ружей нашей экспедиции к этому времени было бы полностью непригодно для какого-либо использования. И я имею полное право записать в своем дневнике, что, к счастью для нас, все наше оружие находится в прекрасном состоянии». См. История экспедиции Льюиса и Кларка в четырех томах под редакцией Элиота Куэса. Первое издание: Харпер, Нью-Йорк, 1893; переиздание: Довер, Нью-Йорк (3 тома), 3:817. Для иллюстрации трех базовых принципов вновь воспользуемся аналогией из оружейного производства. Нарезное Кремнёвое ружьё Глава 1 От нуля до единицы 15 было одним из самых сложных устройств массового применения в начале 19-го века. Используя принцип иерархичности, мы можем разделить его на три главных модуля, как показано на Рис. 1.2 : ствол, ударно-спусковой механизм и приклад с цевьем. Ствол – это длинная металлическая труба, через которую при выстреле выбрасывается пуля. Ударно-спусковой механизм производит выстрел. Деревянные приклад и цевье соединяют воедино остальные части ружья и обеспечивают стрелку надежное удержание оружия при выстреле. В свою очередь, ударно-спусковой механизм включает в себя спусковой крючок, курок, кремень, огниво и пороховую полку. Каждый из этих компонентов также может рассматриваться как следующий иерархический уровень и может быть разделен на более мелкие детали. Принцип модульности требует, чтобы каждый компонент выполнял четко определенную функцию и имел интерфейс. Функция приклада и цевья – служить базой для установки ствола и ударно-спускового механизма. Интерфейс для приклада и цевья – это их длина и расположение крепёжных элементов, таких как винты или шурупы. Ствол ружья, изготовленного с соблюдением принципа модульности конструкции, может быть установлен на приклады и цевья от разных производителей, если все соединяемые части имеют правильную длину и подходящие крепёжные элементы. Функция ствола – разогнать пулю Глава 1 От нуля до единицы 16 до необходимой скорости и придать ей вращение, чтобы увеличить точность стрельбы (примечание переводчика: кремнёвые ружья не были нарезными и использовали круглые пули). Принцип модульности требует также, чтобы при соединении модулей не возникало никаких побочных эффектов: конструкция приклада и цевья не должна препятствовать функционированию ствола. Принцип регулярности учит тому, что взаимозаменяемые детали – это хорошая идея. При соблюдении принципа регулярности поврежденный ствол может быть с легкостью заменен на идентичный. Стволы могут изготовляться на поточной линии с гораздо большей экономической эффективностью, чем в случае штучного производства. В данной книге мы будем постоянно возвращаться к этим трем базовым принципам: иерархичности, модульности и регулярности. |