Посвящение в радиоэлектронику

При работе микропроцессора выполнение любой из команд, записанной в программе, начинается с чтения ее кода из ЗУ. Процессорный модуль выдает в шину адресов код адреса ячейки памяти, в которой записан код операции команды. Одновременно по шине управления поступает сигнал чтения из памяти ЧТЗУ. В результате код операции команды поступает из ячейки памяти в шину данных и считывается процессорным модулем. Микропроцессор декодирует код операции, определяет действия, которые ему необходимо выполнить, и приступает к выполнению команды. Во время ее выполнения микропроцессор может еще несколько раз обратиться к памяти для получения и записи данных или констант. После выполнения одной команды микропроцессор переходит к выполнению следующей, для чего снова обращается к памяти и вызывает из очередной ячейки код следующей команды.

Правильно и оптимально составлять программы для ЭВМ — непросто. Появилась специальная наука, занимающаяся именно этим делом, программирование. Программисту надо очень хорошо знать систему команд данной ЭВМ. Даже «простейший» микропроцессор, работающий с 8-разрядным кодом, может иметь до 2⁸ = 256 различных команд. Разумеется, запомнить более 200 команд, представленных 8-разрядными двоичными числами, не может даже самый талантливый программист.

Для облегчения программирования каждому коду команды ставится в соответствие мнемоническое название (мнемоника) команды. Мнемонический код команды является сокращением английских слов, описывающих ее действие. Набор мнемонических кодов образует язык, на котором и ведется программирование. Создано уже много языков программирования, например Алгол, Фортран, Паскаль, Кобол, Бейсик. Каждый из них обладает теми или иными достоинствами при решении определенных задач. Для микроЭВМ программисту достаточно иметь под руками программу перевода мнемоники команды в ее код операции. В больших ЭВМ подобные программы заложены в отдельном модуле машины, так называемом трансляторе. Достаточно набрать па клавиатуре дисплея мнемонику команды, и транслятор сам переведет ее в код операции, который оператору знать уже совсем не обязательно.

Вот, например, как происходит диалог оператора с ЭВМ на языке Фортран. Человек набирает на клавиатуре дисплея общеизвестное обращение HELLO. ЭВМ по этому обращению выполняет ряд команд, которые нас уже не касаются, но подготавливают машину к диалогу с нами. Следующее обращение, набираемое человеком, SYSTEM FORTRAN. Оно означает, что разговор (диалог) будет происходить на языке Фортран, и транслятор подготавливается к принятию команд на этом языке. Далее надо дать знать машине, с кем она имеет дело, поскольку пользователей у большой ЭВМ может быть много и работать они могут одновременно. Человек набирает NEW III или NEW SSS.

Слово «NEW» здесь означает, что работает новый (для машины) пользователь, а следующие три буквы его инициалы: Иван Иванович Иванов (III) или Семен Семенович Семенов (SSS). Вы можете выступать, разумеется, и под другим зашифрованным именем. Машине это безразлично, она будет знать вас таким, каким вы ей назоветесь. Теперь ЭВМ готова работать с вами, и она распечатывает на экране дисплея столбик номеров, которые вы должны заполнить командами и исходными данными.

Но я вовсе не собираюсь учить вас сейчас программированию. Наша задача в другом. Рассказав о сегодняшнем состоянии дел в области мини-, микро- и больших ЭВМ, пора подумать и о перспективах.

Чем меньше, тем быстрее!

Лет десять-пятнадцать назад конструкторы, всеми силами боровшиеся за повышение быстродействия ЭВМ, увидели некий «физический предел», превзойти который, казалось бы, невозможно. Дело в том, что ЭВМ второго поколения, построенные на дискретных элементах (транзисторах, диодах) или интегральных микросхемах с малой степенью интеграции (транзисторные и диодные сборки, отдельные логические элементы), имели все еще внушительные размеры. А сигналы проходят по соединительным проводникам с определенной скоростью, в любом случае не большей, чем скорость света. Этот факт установили еще до создания теории относительности.

Пусть машинный зал имеет длину 15 м, а сигналы распространяются (примем идеализированные условия) по прямым проводникам со скоростью света. Тогда, чтобы сигналу пересечь весь зал и вернуться обратно, понадобится около 0,1 мкс. Если принять это время за время выполнения одной операции, то скорость работы ЭВМ составит не более 10 млн. операций в секунду. На самом деле скорость будет намного ниже, поскольку необходимо еще время для переключения логических элементов, записи-считывания и т. п.

Сейчас проблема уже не стоит так остро, поскольку размеры ЭВМ все уменьшаются. Описанная в предыдущем разделе микроЭВМ с микропроцессором и периферийными модулями уже выполняется на одном кристалле размером не более нескольких сантиметров (вместе с выводами). Ее быстродействие определяется лишь инерционностью транзисторов. Так развитие элементной базы опровергло выводы, казавшиеся фундаментальными. Одновременно с микроминиатюризацией снижается и потребление энергии логическими элементами микросхем. И это имеет вполне разумное физическое объяснение. Переключающий транзистор срабатывает тем быстрее, чем быстрее происходит перезарядка емкости, нагружающей его коллекторный переход. Она состоит из емкости самого перехода, емкости соединительных проводников и емкости электродов других транзисторов, подключенных к данной точке. С уменьшением размеров как транзисторов, так и проводников емкость существенно уменьшается. При этом требуется меньший ток для ее перезарядки в течение того же самого времени.

Начиная с 1960 года за каждые пять лет минимальные размеры элементов интегральных схем уменьшались в два раза, и сейчас они достигли 4 мкм. Поговаривают о достижении оптического предела, возникающего при фотолитографическом процессе изготовления микросхем. Ведь оптическое изображение в принципе не может иметь детали мельче, чем длина используемой световой волны (около 0,5 мкм). Этому мешает явление дифракции, не позволяющее получать резко очерченные контуры. Внутренняя задержка сигналов в транзисторах микросхем, имеющих очень тонкую базу, приближается к одной наносекунде (1 нс = 10^{– 9} с). Столь малые размеры элементов позволили создать очень сложные СБИС.

За 15 лет сложность микросхем неимоверно увеличилась. Скорость увеличения емкости ЗУ также очень высока. Если в 1978 году изготавливались кристаллы оперативной памяти емкостью 16К байт, то сейчас речь идет о памяти емкостью до 250К. Кстати, букву К надо объяснить. Это не приставка «кило», означающая увеличение в 1000 раз (вспомните килограмм, километр), но по значению очень близка к ней. Число 1000 в двоичной системе выражается плохо, а вот 1024 = 2¹⁰ – очень удобное число. Поэтому 250К байт означает 250·1024 байт.

Теперь интенсивно развивается технология изготовления новых типов ЗУ, использующих другие принципы. Например, на ПЗС-приборах с зарядовой связью. Основа ПЗС линейка полевых МОП-транзисторов с изолированными затворами. Окисел служит хорошим изолятором, поэтому на затворе каждого транзистора заряд может храниться очень долго (часами). В зависимости от знака или величины заряда данный транзистор может быть либо открыт, либо закрыт (состояние 0 или 1). Транзисторы в линейке расположены так тесно и хитро, что, когда на общую шину линейки подается тактовый импульс, заряд с затвора одного транзистора передается на затвор следующего, и т. д. Получается готовый регистр сдвига, в который можно записать и поразрядно считать двоичное «слово» любой длины.

Вместо магнитной памяти на ферритовых кольцах с 1977 года начали использовать ЗУ на цилиндрических магнитных доменах. В этих устройствах каждая ячейка памяти имеет микроскопические размеры, и плотность записи получается очень высокой. Емкость одного кристалла памяти может достигать 100К бит. Еще большие, поистине фантастические возможности в области устройств памяти открывает использование оптических средств.

Революция без бумаги

Слова, стоящие в заголовке раздела, сказал в 1978 году А. Е. Коукелл, директор Института научной информации в г. Филадельфия (США). Что же за революцию он имел в виду? Вполне мирную революцию в области информационных систем. Традиционно в них используется бумага как основной носитель информации. Но времена меняются, и при современном развитии электроники можно говорить уже и о чисто электронных информационных системах. Что это такое? Человеку, а теперь уже и создаваемым им техническим устройствам, например роботизированным комплексам, для ориентации в среде необходима информация. Причем точность принятых решений зависит в первую очередь от полноты и необходимой информации и скорости ее получения. Пока водитель автомобиля имеет полную информацию об обстановке на дороге, авария маловероятна. Опасность его подстерегает, если он чего-то не заметил, т. е. не получил необходимой информации.