плотностью на кристалл соответственно 1СР и 10 вентилей. В ближайшие годы реальна разработка БИС и СБИС с функциональной плотностью 10 - 10 вентилей на кристалл. Разработка таких схем должна стать одним из решающих факторов создания сверхвысокопроизводительных систем четвертого поколения. Начиная с 1976 г. разрабатываются и серийно выпускаются 16-разрядные микро-ЭВМ, реализован ные на одном кристалле.

Общеизвестна закономерность ускорения во времени темпов научно технического прогресса, сокращения сроков от формирования определенной научной идеи до ее практической реализации. Развитие средств вычислительной техники и микропроцессорных систем, сокращение сроков разработки и эксплуатации отдельных поколений машин и систем подтверждает это положение.

§ 1.2. РАЗВИТИЕ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛ,Ч-ЕЛЬНОЯ ТЕХНИКИ

Анализ развития вычислительной техники убедительно иллюстрирует соотношение между многофункциональными и специализП рованнымн техническими средствами на различных этапах развития. При этом необходимо выделить два параллельно идущих процесса: эволюцию функций и эволюцию технологий.

Можно отметить четыре этапа развития вычислительных систем.

Первый этап (1944 - 1955 гг.) - ламповые ЭВМ универсальногс назначения, ориентированные на решение научно-технических задач. Использование пакетов стандартных программ.

Второй этап (1955- 1964 гг.) - ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах, расширение сфер применения ЭВМ. Широкое внедрение управляющих ЭВМ. Развитие специализированных ЭВМ, обладающих повышенными характеристиками надежности и быстродействия, уменьшение аппаратурных затрат за счет узкой специализации. Развитие алгоритмических языков.

Третий этап (1964 - 1971 гг.) - ЭВМ третьего поколения на основе ИС. Разработка программно-совместимых и аппаратурно-расширяе-мых ЭВМ для научно-технических и коммерческих расчетов, а также агрегатных средств вычислительной техники для управления производственными процессами. Создание бортовых информационно-управляющих систем. Разработка современных систем программного обеспечения (ПО).

Четвертый этап (1971 - 1975 гг.) - развитие ЭВМ четвертого поколения на основе БИС. Интенсивное развитие проблемно-ориентированных микро- и мини-ЭВМ. Развитие систем с разделением времени, систем коллективного пользования.

Пятый этап (с 1975 г.) - разработка последующих поколений ЭВМ на основе БИС повышенной степени интеграции, ЦМД н оптоэлектронных принципов. Создание распределенных вычислительных систем с «.интеллектуальными» абонентскими пунктами. Совершенствование периферийного оборудования. Создание специализированных функциональных модулей - «расширителей» - для повышения производительности вычислительных и управляющих систем, н

Как правило, на всех этапах наблюдаются две взаимно дополняющие друг друга тенденции: стремление к созданию универсальных систем высокой производительности и стремление к со;-данию децентрализованных средств, приближенных к источникам информации и управления.

Указанные этапы развития систем в достаточной мере условны, так как имеют место естественное наложение и преемственность этапов. Кроме того, имеется сдвиг в развитии средств вычислительной техники по отдельным странам; также необходимо различать время появления первых оригинальных разработок и время массового использования новых средств. При всех условностях необходимо отметить .жатие во времени сроков отдельных этапов развития систем, что соответствует отмеченному выше сжатию по временной оси диалектической спирали развития систем.

Скорость работы ЭВМ за два последних десятилетия возросла на 6 - 7 порядков, объем оперативной памяти увеличился на 5 -6 порядков. За 35 лет сменилось четыре поколения ЭВМ.

Еще более динамичным является развитие МПС. Первое поколение МПК БИС представляло набор модулей с жесткой структурой, ориентированных на применение в конкретных системах с большим объемом выпуска (бытовая техника, калькуляторы и т.д). Последующие поколения МПК БИС благодаря использованию принципов микропрограммирования нашли широкие области применения ввиду появившейся возможности проблемной ориентации. Микропроцессор является примером многофункционального модуля с микропрограммной реализацией основных функций.

Исключительно высокими темпами развивается интегральная технология. Степень интеграции БИС удваивается ежегодно. В настоящее время уже имеются БИС со степенью интеграции до 500 ООО элементов на кристалле. Стоимость вентиля - элементарного «функционального кирпича» БИС - уменьшается каждые 10 лет в 10- 10* раз. Стоимость выполнения элементарной функции ежегодно снижается в 2 раза.

В связи с быстрым развитием элементной базы и расширением областей применения средств вычислительной техники назревает необходимость осмысливания, обобщения и развития традиционных методов разработки систем обработки информации. Наблюдается поляризация основных этапов проектирования систем обработки информации - перераспределение основного внимания на системный и технологический (микроэлектронный) уровни.

Следует отметить, что времена разработки и освоения систем в производстве становятся соизмеримыми с жизненным циклом систем. Учитывая соизмеримость сроков разработки и внедрения систем со сроками их морального старения, возможны следующие выходы нз создавшегося положения: сокращение сроков проектирования за счет использования типовых проектных решений и автоматизации процессов проектирования; разработка систем с учетом «экстраполяции» их развития.

Первый аспект достаточно хорошо осознай и все шире используется создателями систем различного назначения. Второй, Несмотря на боль-

шой потенциальный выигрыш от его применения, внедряется значительно медленнее. В данном случае речь идет о системах, способных к реконфигурации, к развитию. Подобный подход используется, например, при создании семейств программно-совместимых вычислительных машин (ЕС ЭВМ, АСВТ, СМ ЭВМ).

Системы, способные к расширению функции, наращиванию мощностей, использующие модульный принцип построения, адаптивно-перестраиваемые в соответствии с алгоритмом функционирования и степенью работоспособности модулей, - таковы особенности «развивающихся» систем.

Хорошим примером развивающейся системы является телефонная сеть, непрерывно расширяющаяся и предоставляющая все больший объем услуг.

Непрерывно расширяется сфера применения МПС - вычислительных и управляющих систем различного назначения, реализуемых на основе МПК БИС. К 1975 г. было известно 2 ООО применений МПС, в настоящее время их насчитывается уже около 200 ООО.

Основными областями применения МПК БИС являются: информационно-измерительная техника (16%); управление производством (18%); авиация и космос (15%); системы связи (14%); вычислительная техника (13%); военная техника (9%); бытовая техника (3%); медицина (3%); транспорт (2%); другие области (7%).

Развитие вычислительной техники можно сравнить с развитием авиации и космонавтики. За 70 лет в авиации сменилось четыре поколения самолетов, в вычислительной технике за 10 лет сменилось четыре поколения МПС.

§ 1.3. ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ БИС

Изменения элементно-технологической базы привели к изменению сложившихся в рамках предыдущих поколений принципов проектирования вычислительных средств, таких как жесткая структура, последовательное центральное управление, линейная организация памяти, отсутствие воаможности адаптации структуры к особенностям решаемой задачи.

На смену классическим принципам организации вычислительных систем приходят идеи проблемной ориентации систем, параллельной и конвейерной обработки информации, использования табличных методов обработки данных и принятия решений, развиваются принципы регулярности и однородности структур на различных уровнях организации, становится реальной возможностью идея создания адаптивно-перестраиваемых вычислительных систем, конфигурация которых изменяется в процессе решения задачи для наиболее эффективной организации вычислительного процесса и обеспечения живучести системы.

Характерной тенденцией развития средств ВТ является аппаратная реализация функций программного обеспечения, что позволяет сущест-Ьенно повысить производительность вычислительных систем. Даль-16

нейшее развитие получает принцип ЗМ - модульность, магистраль-ность, микропрограммируемость.

Модульная организация систем. Принцип модульной организации предполагает построение вычислительных и управляющих машин и систем на основе набора модулей. Под модулем в данном случае понимается конструктивно, функционально и электрически законченное вычислительное устройство, позволяющее самостоятельно или в совокупности с другими людулями решать вычислительные или управляющие задачи заданного класса.

Следует ра,зличать функциональные и конструктивные модули. Вопросы взаимного соответствия функциональных и конструктивных модулей для различных поколений ЭВМ подробно рассмотрены в следующих разделах.

Модульный подход при проектировании микро-ЭВМ позволяет обеспечить создание семейств (рядов) ЭВМ, отличающихся функцио-. нальными возможностями и характеристиками, перекрывающих значительный диапазон применений, способствует стандартизации элементов все более высоких уровней и сокращению затрат на проектирование систем, а также упрощает наращивание мощности и реконфигурацию систем, отодвигает время морального старения технических средств.

При решении вопроса о функциональном составе модулей в соответствии с рассмотренными выше закономерностями развития систем необходимо учитывать две диалектические противоположности - многофункциональность и специализацию модулей. Повышение универсальности модулей рассматривается как средство, обеспечивающее сокращение номенклатуры, снижение затрат на проектирование и изготовление, высокую серийность, а следовательно, и низкую стои-"мость. Специализация модулей - средство достижения высокой эффективности систем за счет оптимального согласования структуры вычислительных средств и реализуемых ими алгоритмов и функций, а также уменьшения избыточности структуры модулей.

Универсальность и специализация широко используется при разработке средств вычислительной техники. Например, МП является устройством, в котором реализован принцип универсальности. Однако низкая эффективность использования МП в ряде применений, являющаяся следствием несоответствия их структуры характеру выполняемых задач, недоиспользование значительной доли аппаратной и прот граммной частей комплектов, сложная программная реализация сравнительно простых функций и т. д. привели к появлению огромного числа типов МПК, расширению их состава, включению специализированных БИС, реализующих главным образом функции обмена и связи с внешними устройствами.

Специализация модулей низшего конструктивного уровня приводит

несоблюдению основного требования при проектировании БИС- минимизации числа их типов и, за исключением создания систем специального назначения с экстремальными параметрами, не может быть выдвинута в качестве основной концепции проектирования модулей. г--

Практика подтвердила целесообразность создания систем в виде совокупности многофункциональных и специализированных модулей проблемно- и функционально-ориентированных в рамках определенны: классов задач, алгоритмов, функций.

Магистральный способ обмена информацией. Среди способов органп зации связи элементов внутри модулей и между модулями в системе можно выделнть два: с помощью произвольных связей, реализующих принцип «каждый с каждым», и с помощью упорядоченных связей (магистральный), позволяющий минимизировать число связей.

Магистральный способ обеспечивает обмен информацией между функциональными и конструктивными модулями различного уровнг с помощью магистралей, объединяющих входные и выходные шины • Различают одно-, двух- трех- и многомагистральные связи. В МПС обычно выделяются следующие магистрали: шины данных адресные шины и шины управления. Адресные шины и шины данны; обычно однобайтные или двухбайтные. Использование магистральноД организации обмена информацией является одним из способов обеспе чения регулярности как структуры БИС МПК, так и связей между конструктивными модулями МПС. Магистральный способ обмена позвоЛ ляет минимизировать количество связей между блоками, повысит?" регулярность операционного устройства и устройства управления обеспечить стандартизацию интерфейсов, сократить число выводо1 БИС. Необходимо отметить взаимосвязь схемотехнических и струк турных решений, которая проявляется при реализации данного спо соба обмена в виде создания специальных двунаправленных буфер ных каскадов с тремя устойчивыми состояниями и при использовани" временного мультиплексирования каналов обмена.

Микропрограммная организация управления. Микропрограммно( управление обеспечивает наибольшую гибкость при организации MHoroi функциональных микропроцессорных модулей и позволяет осуществит! проблемную ориентацию МПС. Он также позволяет использоват макрооперации в МПС, что эффективнее использования стандарт! ных подпрограмм и соответствует адаптации МПС к реализуемому ал* горитму.

Микропрограммное управление повышает гибкость устройств (з; счет возможности смены микропрограмм), увеличивает их регулярност! (за счет широкого использования матричных структур типа памяти) обеспечивает параллелизм решения задач (при рассредоточенном управ Ленин и распределенности памяти), повышает надежность устройст за счет применения серийно освоенных БИС памяти, упрощает koi троль функционирования устройства (контроль блока микропрограл много управления сводится по существу к контролю содержимого ЗУ

Передача управляющих слов в виде зашифрованных кодовых по следовательностей соответствует условиям минимизации числа выводо* БИС и снижению числа межсоединений в модулях.

Регулярность структуры. Принцип регулярности предполагае1 закономерную повторяемость элементов структуры и связей межд. ними. Регулярность системы следует рассматривать на различны уровнях ее организации.

Применение данного принципа позволяет повысить эффективность интегрального исполнения устройств вследствие увеличения интегральной плотности, уменьшения длин связей на кристалле, упрощения и сокращения времени топологического и схемотехнического проектирования БИС, упро1цения процедур контроля топологии (возможность визуального контроля нарушения повторяемости элементов), уменьшения числа пересечений, сокращения числа типов функциональных и конструктивных элементов, повышения серийности и снижения стоимости средств.

Основными способами увеличения регулярности структуры систем обработки информации являются широкое использование структур и устройств памяти (ОЗУ, ПЗУ, программируемых логических матриц н др.), применение регистровых структур, отказ от закрепления определенных микроопераций за регистрами, выполнение регистров общего назначения в виде ячеек ОЗУ, использование магистрального способа обмена, стандартизация интерфейсов, использование принципа микропрограммного управления, вертикальное (поразрядное) разбиение структуры ЭВМ на БИС, развитие многопроцессорных параллельных систем.

§ 1.4. МНОГОФ/!>К1.<ИОНАЛЬНОСТЬ И ПРОБЛЕМНАЯ ОРИЕНТАЦИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

Многофункциональность определяется совокупностью функций, реализуемых системой. Для определения степени многофункциона.!ь-ности системы необходимо, с одной стороны, зафиксировать урогни ее члементов, а с другой - определить набор функций, выполняемых элементами каждого уровня. Понятие функция при этом может быть употреблено как в смысле назначения элемента, так и в смысле реализуеьюй им математической или логической зависимости.

Многофункциональность элементов позвол;[ет на основе универсального оборудования создавать специализированные системы.

Анализ развития функциональных и конструктивных модулей систем позволяет выявить тенденцию отображения функциональных модулей более высокого уровня на конструктивные модули нижних уровней системы. Аналогичный анализ, выполненный на уровне элементов БИС, позволил выявить закономерность реализации konj-понентами БИС все более сложных функций.

Возможность аппаратно-программной реализации функций привела к созданию большого класса пшогофункциональных модулей, объединенных в МПК БИС. Большинство разработанных и проектируемых вычислительных и управляющих модулей являются устройствами в Определенном смысле многофункциональными. Многофункциональность позволяет: сократить число типов модулей, унифицировать схемотехнические, технологические, структурные и алгоритмические решения, увеличить серийность и, следовательно, снизить стоимость устройств.

Необходимо отметить, что единство универсальности и специализации проявляется в специализации элементов систем многоцелевого