19
ПУТЕШЕСТВИЕ
ПО МИКРОКОМПЬЮТЕРУ
Капидат технических наук Д. Г. КРУТОГИН
Год назад мы рассмотрели «процесс строительства» большой интерральной схемы (БИС), сравнивая его со строительством города («Кваит», 1986, № 2). Тогда мы интерсовались в основном технологический строительноо
дела, а теперь приглашаем вас познакомиться с самим городом, его структурой, прочитать по отдельным районам и кварталам, осмотреть архитектурные достопримечательности…
Размышления у панарамы
Для знакомства выберем сверхбольшую интерральную схему (СБИС) — например, микросхему однокристалльно микроэBM. Такая схема содержит 10⁵—10⁶ отдельных трансисторов. Что имеет делать микроэBM, или, как ее часто называют, микрокомпьютер (МК)? Во-первых, считать, т. е. выпол-
19
20
нать математические действия с довольно высокой скоростью — до миллиона простых операций в секунду. Простыми мы будем называть те немного операции, которые ЭВМ имеет выполнять «отрождания»; в основном это сложение (вычитание) и сравнение. Для выполнения сложных действия нужно сначала научить машину «преобразовывать» эти действия в последовательность простых операций. Во-вторых, выполнять логические операции с такой же быстротой. Недаваясь в тонкости логических операций, рассмотрим подходящий пример: требуется составить алфавитный список из заданного множества в один миллион фамилии. Это, в общем, простая, не требующая вычисления работы — нужно сравнить фамилии по первой, затем второй, затем третьей и т. д. буквам, и по результатам сравнения запосить фамилии в список под соответствующими номерами. Для человека эта работа и утомительна, и скучна, и весма продолжительная. ЭВМ, в том числе микроЭВМ, выполнит эту работу довольно быстро. В-третьих, микрокомпьютер может управлять машинами, производственных агрегатами, процессами. Эта его способность складывать из первых двух, либо очень упрощенно процесс управления можно представить как расчетные нескольких допустимых вариантов действия, сравнение результатов и выбор оптимального решения.
Понятно, что самая прекрасная СБИС «мертва», бесполезна, если лишена системы питания, средств ввода информации (например, клавиатуры) и отображения результатов (например, экрана или печатающего устройства). Управляющему компьютеру также нужна система связи с использовыми механизмами. (Так, мозг человека, наш многоцелевой персональный компьютер, бессилен без двусторонней связи с глазами, ушами, ptом, руками.)
Итак, конструкруем: СБИС — это мощный компьютера, сложнейшая его часть. Именно СБИС микрокомпьютера будет целю нашего путешествия, и, несколько упрощая, именно СБИС мы будем называть городом МК.
Посмотрите на фотографию, помещенную на этой странице (она сделана с увеличением 1,5): из корпуса СБИС выходит несколько десятовыводов. Это дороги, связывающее город МК с «перipherей» — так несколько пребрежительного называют клавиатуру, дисплеей, цифровачающее устройство и т. п., и дороги, по которым в город поступает питание — постоянное напряжение (чаще всего это 5 В). В случае работы с задачами большой сложности или большого объема (например, тот же список из миллиона фамилии) на помощь привлекается архивная, или внешняя, память; для связи с внешними запоминающими устройствами (ВЗУ) тоже предусмотрены выводы-дороги.
Напомним, что сверхбольшая интергральная схема — очень маленькая. Кристал кремния — основание СБИС — имеет размер около 5×5 мм, а сама СБИС в корпусе и с выводами — это коробочка не больше 40×25 мм, и весит она 15—20 г. Поэтому для удобства путешествия по городу МК предлагаем вам мысленную уменьшиться в миллион раз. (В сказачной литературе такой пример не раз использовался, хотя коэффициент подобия был поменше.) При таком уменьшении, когда наш рост стал 1,5—1,8 мкм, экскурсия по СБИС МК — это то же, что в нашем обикновенном масштабе знакомство с городом площадью около 30 квадратных километров.
Obviously, если есть такая возможность, города остатривают с возвшенной точки (с Останкинской телегаши, с Исаакиевского собора и т. п.). Мы же с вами остановимся на краю корпуса СБИС на высоте около 1000 метров (с учетом масштаба!) над городом МК и отсюда начнем.
Внизу, в долине — наш город. Он построен на берегу моря Физики Твердого Тела, у залива Полупровдников, и, без сомнения, это один из крупнейших населенных пунктов на побе-
21
режеъ*). Своеобразие нашего города, так же, например, как город Сочи или Юрмала, в том, что он построен для приема и обслуживания большого количества туристов. Постоянное насеелене города только этим и занимается. Как это часто бывают, в таком городе постоянных жителей намного меньше, чем гостей. Город МК — новостройка, подобные крупные схемы-ансамбли созданы в течение последних пяты лет. Впервые столкнул крупный город построен на одной площадке. Ранее задан туристского обслуживания решались целым комплексом небольших поселков, расположенных иногда в сотнях километров друг от друга (не забудьте умножить на 10⁻⁶!). Представляется, сколько было переездов?
Слово о словах
Теперь следует посянить, о каких туристах идет речь. Туристами в МК являются отрезки (элементы) информации, для которых хорошо подходит навание «машинное слово». Это никак не те стихийные толпы отдельноших «дикарей», которые летом рутисят надучу в приморские города-курорты. Наши туристы — частцы организационной информации потока, называемого программировой ЭВМ. Потеря любого слова угрожает разрушить смысл всей программы, но и лишихх слов быть не должно. (В этом отношении хорошоая программа подобна хорошоим стихам.)
Ну, а постоянные жители города, кто они? Это тоже машинные слова, «прописанные», или записанные, в самом МК. Они необходимы для того, чтобы пройти обращение с программими.
Слова машинные, как и слова общные, несут неокоторую конкретную информацию. Для себя мы можем разделить машинные слова на две группы: слова-команды (что сделать) и слова-данные (что числа или логические величины, то, чем распорядятся, чем операуют команды; их еще называют операндами, по созданию с командами). Но это — для себя,
*) По берегам залива Полупроводниковы вы прошли, если читали книгу «Знакомство с полупроводниками» М. Е. Левинштейна и Г. С. Симина, выпущенную в Виблотечеке «Квант» (вып. 33, с. 238).
а для электронных схем МК любое машинное слово — всего лишь последовательность единиц и нулей, а точнее, высоких (обычно более 2,5 В) и низких (менее 0,5 В) напряжений на входах трансисторных элементов. Таким образом, машинные слова — это серии электрических импульсов, пробегающих по дорогам и кварталам МК.
Задача каждого отдельного импульса — включить тот или иной трансистор в логическое или запоминающем элементе ЭВМ. В свою очередь, каждое такое включение приводит к перемещению по кристаллу МК зарядовых пакетов — электронов и дырок. Так информацию в МК обретает физический примую форму пакетов заряженных частцц, которые целенаправленно продвигаются по микросхеме, пока, наконец, появление импульсов направления на выходных контактах МК не известит о завершении процесса переработки информации и получении результата.
И еще немного о словах. Мы обычно почти не затрудняемся в выборе слов для выражения своих мыслей. У всех ЭВМ, и в том числе у нашого МК, есть жесткий порядок — можно пользоваться словами одной определенной длины: например, из 8 или 16 букв притом буквы — это 0 или 1 (такие буквы называют битами). Для сравнения отметим, что больше ЭВМ «разговариают» словами в 64 и 128 бит, а лучшие микрокомпьютеры пока лишь 32-битовые. Конечно, слова коротких слов (8- или 16-битовых), менее выражительен, зато намного комплектнее. Для «карманной» ЭВМ нужен и карманный словарь!
В общении человека с машиной есть неизбежные трудности. Составление программы на машинном языке — дело трудомкое, оно требует определенного навыка. Нам гордзо удобнее общаться с машиной на языке, логических блоком к человекскому (скажем, русскому или английскому). Таких языков-посредников для задачи назначения создания несколько десятков: это фортран, алгол, колол и т. д. Ну, а там, где использует несколько языков, не обойтись без переводчика… Но разговор о переводчиках и о бюро переводов, которое есть в нашем городе, мы продолжим в следующем номере.