Посвящение в радиоэлектронику

Совсем не так устроена оперативная память. Поскольку главное требование к ней высокое быстродействие, никаких движущихся частей она не содержит. Запись в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) ведется в электронные ячейки.

Четыре поколения ЭВМ сменилось за время жизни одного человеческого поколения! Любопытно, что элементная база обновлялась чаще, чем структурные схемы. Часто даже одинаковые по структуре ЭВМ выполнялись на совсем разных элементах. В 60-х годах строили машины даже на параметронах — электрически управляемых диодах с переменной емкостью. Магнитные усилители, электронные лампы, транзисторы, туннельные диоды — все это использовалось в ЭВМ. Побеждает все-таки полупроводниковая интегральная технология. Но и там был широкий выбор. Диодно-транзисторная логика (ДТЛ), транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ), логика на элементах с эмиттерной связью (ЭСЛ). А в последнее время все чаще используют совсем уже микромощную элементную базу на МОП (металл-окисел-полупроводник) и КМОП (то же, но с комплементарными парами транзисторов) интегральных схемах. И за всеми этими аббревиатурами, которые сразу и запомнить-то нелегко, стоят годы упорного труда многих сотен и тысяч людей.

Претерпела изменения и структурная схема машины. Вы, наверное, заметили, что одни и те же устройства нужны для разных целей. Например, в памяти записывается и программа, и массивы данных. Возникла мысль — объединить провода, по которым циркулируют данные, команды и прочие сигналы, нужные в ЭВМ, в общие шины. Чтобы пакеты данных не путались, их снабжают «адресом» — несколькими цифрами или знаками в начале посылки. Адрес однозначно определяет, куда и зачем послан этот пакет данных. Остальные устройства, подключенные к общей шине, на эту посылку попросту не реагируют.

Описанная идея оказалась очень плодотворной. Она позволила создавать ЭВМ с гибкой структурой, наращивать число периферийных устройств (ввода-вывода), число блоков памяти, а иногда даже — и число процессоров!

Большие ЭВМ теперь имеют очень мощные процессоры, выполняющие миллионы операций в секунду. Оказалось неразумным использовать всю эту мощность для решения какой-либо одной задачи. Ведь процессор фактически простаивает, пока идет накопление данных, обращение к памяти и тому подобные вспомогательные операции. Неопытный оператор, например, долго будет смотреть на экран дисплея, размышляя, что делать дальше. Да и опытному оператору нужно несколько секунд, чтобы осмыслить полученный результат и дать машине следующее распоряжение. В режиме диалога временные шкалы человека и машины просто несовместимы. Если считать по числу выполненных элементарных операций и исключить из рассмотрения такие, не совсем еще понятные явления, как интуиция, то оказывается, что машина «думает» в миллион раз быстрее.

Выход из создавшегося положения был найден. Процессор стал решать параллельно несколько задач, работая в режиме разделения времени. Пока для одной задачи накапливаются данные, решается другая, пока выводится к терминалам ее результат, снова решается первая или еще одна задача. Число терминалов ЭВМ резко возросло, одновременно возросли и вычислительные мощности.

Сейчас во всех без исключения областях человеческой деятельности используются ЭВМ. В считанные минуты они решают задачи, на которые при прежних методах понадобились бы годы упорного труда больших коллективов ученых и вычислителей. Обработка информации с помощью ЭВМ значительно повышает эффективность производства, позволяет создавать автоматизированные системы управления, освобождает людей от рутинного труда, обеспечивает информационными услугами широкий круг пользователей. Но большие ЭВМ целесообразно устанавливать в специальных вычислительных центрах (ВЦ), где их эффективная работа обеспечивается высококвалифицированными инженерами, техниками и программистами. В то же время объекты автоматизации, конструкторские бюро, НИИ, источники и потребители информации-территориально рассредоточены и могут находиться очень далеко от ВЦ.

Ну что ж, вынесем терминалы и дисплеи к потребителям! Это не так просто, поскольку терминал соединяется с ЭВМ не одним проводником! Но все-таки сделать это можно, только у потребителя надо установить аппаратуру для накопления и преобразования данных, фактически мини-ЭВМ, и организовать канал связи — канал передачи цифровой информации по двухпроводной линии или по уже имеющимся каналам связи телефонным, радиорелейным, спутниковым — каким угодно. Именно так и делают. Более того, большие ЭВМ объединяют в региональные или даже общенациональные сети, и пользователь зачастую даже понятия не имеет, в каком уголке страны решается в данный момент его задача.

Сложилась несколько парадоксальная ситуация — исчезли как класс средние ЭВМ. Большие ЭВМ становятся все мощнее и производительнее (речь идет теперь о сотнях миллионов операций в секунду), для доступа к ним нужны сети связи, а также мини- и микроЭВМ. Но микроЭВМ имеют и огромное самостоятельное значение, решая определенные конкретные задачи на местах. И вот появилось маленькое, но очень важное устройство.

Теперь уже можно смело сказать, что микропроцессор произведет в технике столь же революционные преобразования, как в свое время транзисторы, а затем интегральные схемы. Немного об истории его появления.

К началу 70-х годов стало возможным создавать сверхбольшие интегральные микросхемы (СБИС), содержащие десятки тысяч транзисторов на одном кристалле. Но проектирование таких микросхем — очень дорогой и трудоемкий процесс. Ведь необходимо расположить на кристалле все транзисторы, все соединения между ними, изготовить фотошаблоны и т. д. Стоимость проектирования огромна. И если изготовить всего несколько СБИС, то стоимость золота не будет идти ни в какое сравнение с их стоимостью. Но при массовом производстве стоимость СБИС в расчете на одну выпущенную единицу резко снижается, т. е. чтобы они стали дешевле, надо их больше производить. Следовательно, надо выпускать только СБИС универсального применения, пригодные для решения самых различных задач. Этого можно добиться, если специализация СБИС будет достигаться не схемными, а программными средствами. СБИС должны быть программируемыми! Вот та радикальная идея, которая привела к появлению микропроцессоров СБИС со структурой, аналогичной структуре ЭВМ.

Сфера применения микропроцессоров обширна. На них можно построить микрокалькуляторы, электронные часы, настоящие ЭВМ, системы автоматического регулирования, блоки управления домашним радиокомплексом, стиральной машиной, кухонной плитой — одним словом, чем угодно. Специализация микропроцессора для конкретных функций, выполняемых им в аппаратуре, достигается записью в его память соответствующих программ. Встроенные микропроцессоры придают разнообразным приборам, устройствам и механизмам вполне «разумный» характер. Микропроцессор — неотъемлемая часть станков с числовым программным управлением, манипуляторов и роботов, систем управления транспортными средствами, обучающих систем. Где угодно, вплоть до детских игрушек, может применяться микропроцессор.

Столь многообещающий прибор заслуживает, чтобы мы подробнее познакомились с его устройством. Внешне микропроцессор выглядит как обычная интегральная микросхема в пластмассовом или металлическом корпусе, только он чуть-чуть крупнее, да и выводов имеет больше. Его габаритные размеры измеряются сантиметрами, но большую часть объема занимают корпус и выводы. В середине расположен кристалл, на котором размещены десятки тысяч транзисторов со всеми сопутствующими компонентами и соединениями. Только вдумайтесь в эту цифру: десятки тысяч транзисторов в одном корпусе!

Обратимся к функциональной схеме микроЭВМ, показанной на рисунке. Процессор и ряд вспомогательных устройств образуют процессорный модуль. В него входит также тактовый генератор, определяющий ритм вычислений, и формирователь шин, т. е. наборов соединительных проводников, объединяющих одноименные выводы всех периферийных моделей. По роду передаваемой информации различают пишу данных, шину адресов и шину управления. По шинам данных передается в двоичном коде обрабатываемая информация, причем в обоих направлениях — от периферийных устройств к процессору и обратно. Информация передается в большинстве микропроцессоров восьми- или шестнадцатиразрядными числами, которые называют байтами.