Вычислительное устройство: основы построения электронно-вычислительной машины по Лебедеву
Вычислительное устройство – это программируемое электронно-вычислительное устройство, которое используется для передачи, обработки и хранения информации.
Основы построения электронно-вычислительных машин, которые были разработаны советским ученым Лебедевым С.А., заключаются в следующих принципах:
- В состав электронно-вычислительной машины обязательно должны входить устройства памяти, ввода-вывода данных, управления и арифметики.
- Программа всех вычислений кодируется и хранится в памяти в виде чисел.
- Для кодирования команд и чисел необходимо использовать двоичную систему счисления.
- Все вычисления должны осуществляться автоматически, основываясь на хранящихся в памяти машины программы и операций над командами.
- Кроме арифметических операций вводятся такие логические операции, как конъюнкция, дизъюнкция, отрицания, сравнения, а также безусловного и условного перехода.
- Память машины должна быть построена по иерархическому принципу.
- Для вычислений должны быть использованы численные методы решения задач.
Проектирование вычислительного устройства на примере проектирования процессора
Процессор – это устройство, которое используется для обработки информации и является центральной вычислительной составляющей компьютера.
Сейчас в процессе проектирования процессоров наметилось несколько тенденций Первая из них заключается в увеличении логического объема устройств. Современные микросхемы благодаря развитию высоких технологий могут содержать в себе миллионы эквивалентных вентилей. Высокая плотность составляющих является стимулом реализации большого количества функций, не ограничивая их необходимыми функциями сферы, где они применяются. Еще одна тенденция заключается в возрастании сложности разработки. Границы емкости, в пределах которых возможна реализация эффективной системы, на сегодняшний день оценивается в 100 000 - 500 000 эквивалентных логических вентилей. Другая тенденция - рост сложности верификации. Сложность разрабатываемых систем растет непропорционально росту их логического объема, причина данного явления заключается в росте числа взаимосвязей. Также, с переходом на новые технологические нормы растет стоимость самой разработки и исправления допущенных ошибок, поэтому существует тенденция сведения их количества к минимуму.
Процесс проектирования можно разделить на три основных больших этапа:
- Разработка системной модели.
- RTL-представление.
- Разработка топологии
Системная модель является верхним самым абстрактным уровнем проектирования процессора. На данном этапе основное внимание уделяется обобщенной модели проектируемого объекта. В этом случае инструментом проектирования выступает компилятор языка высокого уровня, при помощи которого разрабатывается программа, имитирующая поведение процессора на таком уровне, который доступен проектировщикам: состояние периферийных устройств, а также содержание регистров и памяти. Работка проектируемого процессора описывается при помощи переменных и операторов языка программирования (переменные в данном случае представляют собой модели памяти и регистров). Таким образом, вместо проектирования объекта, который способен сложить содержимое двух регистров, достаточно написания оператора, который способен сложить две переменные. Отличительными особенностями системной модели являются высокая скорость работы, относительная простота внесения каких-либо изменений, гибкость процесса проектирования. Данная модель используется для проверки функционирования основных составляющих процессора и выполнения ранней интеграции аппаратного и программного обеспечения.
Под RTL-представлением подразумевается представление устройства в виде схемы соединения регистров и комбинаторной логики. Да данном уровне работают инженеры-схемотехники, задача которых заключается в описании принципиальной электрической схемы проектируемого объекта при помощи языков описания аппаратного обеспечения.
Топология процессора представляет собой объект разработки для специализированных дизайн-центров. Результатом работы таких специализированных центров является предоставление всей необходимой информации о размещении составляющих полупроводникового кристалла. Эти данные предоставляются в формате GDSII и требует дорогих и сложных в освоении системы автоматизированного проектирования в совокупности с библиотеками компонентов, которые предоставляются конкретными фабриками по производству полупроводников.
