MP!? Tas ir ļoti vienkārši!
Autors
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
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