A számítógépek konstrukciós fejlődése
A számítógépek konstrukciós fejlődése
A számítógépek konstrukciós rendszerének, az architektúrának két szintje van. Az egyik a programok számára látható, ún. külső architektúra, ami elsősorban az utasításkészletben és a címezhető tárterületben nyilvánul meg. Ezt a programozói szintű architektúrát konkrét belső konstrukció, az ún. belső architektúra valósítja meg. A számítógép teljesítőképessége főként attól függ, hogy mennyire teljes értékű a külső architektúra, és mennyire hatékony a megvalósítására kidolgozott belső konstrukció. Az architektúrák mindkét szintjét ugyanakkor egyetlen tényező határozza meg: hány tranzisztor áll rendelkezésre a programokat végrehajtó legfontosabb elem, a processzor konstrukciójának megvalósításához. Mindezt a mikroprocesszorok fejlődésével lehet a legjobban megvilágítani, hiszen az egyetlen (esetleg 2–3) áramköri lapkán (az ún. chipen) történő megvalósítás követelménye igen szigorúan megköti a konstruktőrök kezét.
A mikroelektronika hajnalán mindössze néhány ezer kapcsolóelemet vehettek igénybe a központi feldolgozóegység egyetlen lapkán történő megvalósításához. Ez a korlátozottság eredményezte az ún. 8 bites mikroprocesszorokat, még a 70-es évek első felében. Az ilyen processzorok aritmetikai és logikai műveleteket végző egysége, az ún. ALU csak 8 bites adatokkal végzett elemi számításokat. A 16 vagy 32 bites adatokkal végzett műveleteket még az utasításkészletbe sem vezették be, mivel 8 bites elemi műveletek egymásutánjaként való végrehajtásuk túlzottan hosszú ideig tartott volna, és a bonyolultabb vezérlés miatt még több tranzisztorra lett volna szükség. Hasonló megfontolásokból a tár címzésére is általában csak 16 bitet használtak, ami mindössze 64 kbájt tárterület címzését tette lehetővé. (Mindkét döntéssel a miniszámítógépeseket követték a mikroprocesszorok fejlesztői.)
A szűk utasításkészlet és a kis méretű tár rendkívüli módon korlátozta a 8 bites gépek használhatóságát. A valós igényeknek megfelelő alkalmazásokban ugyanis gyakran előfordulnak a 16 vagy 32 biten ábrázolható egész számokkal végzett műveleteket támogató, ún. lebegőpontos aritmetikákról, amelyek a 8 bites gépekből eleve hiányoztak. Speciális alprogramok segítségével ezért maguknak a programozóknak kellett műveletvégzési szempontból teljes értékűvé tenni a 8 bites gépeket. Egy-egy alprogram a hiányzó műveletet programszinten szimulálta, ami képzelhetjük, mennyire csökkentette az általános teljesítőképességet. A kis méretű tár esetében még ilyen segítség sem volt. A programozóknak valóságos bűvészmutatványt kellett produkálniuk ahhoz, hogy az összetett feladatokat megvalósító programok bináris kódja és a futáshoz szükséges adatterület a lehető legkisebb legyen.
A 70-es évek végén már lényegesen fejlettebb volt az áramköri technológia, és sokkal több (több tízezer) tranzisztort vehettek igénybe a mikroprocesszor megvalósításához. Ennek megfelelően 16 bitesre tervezték az aritmetikai-logikai egységet, a 16 bites adatokkal végzett műveleteknek megfelelő utasításokat is bevezették az utasításkészletbe, és jelentősen növelték a címezhető tárterületet (1 Mbájt vagy még azt is meghaladó tárkapacitás). Egyúttal gyarapították a processzor saját tárolóelemeinek, az ún. regisztereknek a számát is, a lebegőpontos aritmetikát pedig külön társprocesszorral valósították meg. Így alakult ki az ún. 16 bites konstrukciós rendszer. A fejlettebb architektúrának köszönhetően csak speciális, nagy erőforrásigényű alkalmazásoknál kellett a 8 biteshez hasonló problémákkal megküzdeniük a programozóknak.
A 80-as évek közepén az áramköri technológia már egyáltalán nem korlátozza a felépítési rendszer kialakítását (több százezer tranzisztor egyetlen lapkán). Olyan konstrukciókkal jelentkeztek ekkor a mikroprocesszorok gyártói, amelyek hosszú távon képesek kielégíteni a várható igényeket, és programozói szempontból teljes értékűeknek mondhatók. A 8, 16 és 32 bites adatokkal végzett műveleteknek megfelelő gépi utasítások, a legalább 8 darab processzorregiszter, a lebegőpontos társprocesszorok különböző teljesítményű változatai, a maximálisan 4 Gbájt operatív tár és az ennél lényegesen nagyobb, ún. virtuális tár jellemzik az ilyen, ún. 32 bites architektúrát.
Az utóbbi tárat a gyors, félvezető tárlapkákból álló operatív tár és a mágneslemezes háttértár együttese képezi, és bevezetésével óriási mértékben megnőtt a címezhető tárterület. Tipikus megoldás, hogy az éppen futó program a virtuális tárból 4 Gbájtos részt tud címezni (ez éppen megfelel a 32 bites címnek). Mivel a számítógép egyszerre több programot is végrehajt (ún. multitasking), annyiszor 4 Gbájt tárterület áll elvben rendelkezésre, ahány program a számítógépen éppen fut. A virtuális tár kétszintű, az operatív tárból és a lemezes háttértárból álló kialakítása egyébként teljesen áttetsző a programoknak, vagyis úgy tűnik nekik, mintha egyetlen, egységes tárban foglalnának helyet (innen a virtuális tár elnevezés). A hatékony megvalósításról megfelelő belső konstrukciók gondoskodnak. A virtuális tár előnye nemcsak a nagyobb kapacitás, hanem a gazdaságosság is. Mágneslemezeken ugyanis olcsóbb a tárolás, mint a félvezető tárlapkákban.
A fejlettebb áramköri technológia nemcsak a processzor megépítéséhez igénybe vehető tranzisztorok számának növekedésével járt, hanem a kapcsolási sebesség növekedésével is. Mindez a processzor sebességének jelentős növelését eredményezte. A feldolgozóegység elemi műveleteit egy elektronikus óra ütemezi. Ennek működési frekvenciája (a működési periódusok másodpercenkénti száma), amit MHz-ben adunk meg (Mega, azaz millió), szoros összefüggésben van az áramköri sebességgel és ezzel együtt a processzor elemi műveletvégzési teljesítményével.
A 8 bites mikroprocesszoroknak legfeljebb néhány MHz volt az órafrekvenciájuk, azaz legfeljebb néhány millió elemi műveletet hajtottak végre másodpercenként. A 16 bites mikroprocesszoroknál 10 és 12,5 MHz (10, ill. 12,5 millió elemi működési periódus másodpercenként) volt a tipikus határ, míg a 32 biteseknél már 25 és 33 MHz (25 és 33 millió elemi működési periódus másodpercenként) a jellemző határérték.
A 8 bites mikroprocesszoroknak legfeljebb néhány MHz volt az órafrekvenciájuk, azaz legfeljebb néhány millió elemi műveletet hajtottak végre másodpercenként. A 16 bites mikroprocesszoroknál 10 és 12,5 MHz (10, ill. 12,5 millió elemi működési periódus másodpercenként) volt a tipikus határ, míg a 32 biteseknél már 25 és 33 MHz (25 és 33 millió elemi működési periódus másodpercenként) a jellemző határérték.
Programok futtatásánál nemcsak az utasítások egy-egy végrehajtási lépéséhez (a végrehajtás egyes fázisai, mint az utasításlehívás, dekódolás stb.) szükséges elemi műveletek időtartama lényeges, hanem az is, hogy átlagosan mennyi ideig tart egy utasítás végrehajtása. Ezt az időt az egyes utasításokhoz szükséges elemi műveletek számának csökkentésével és az egymást követő utasítások futószalagszerű, átlapolt (ún. csővezeték, pipeline architektúra) vagy más módon párhuzamosított végrehajtásával lehet csökkenteni. (A leggyakrabban alkalmazott csővezeték architektúra esetében azt használják ki a tervezők, hogy a tipikus programoknál 5–10, a tárban egymás után következő gépi utasítást általában egymás után kell végrehajtani, és csak ezután következik egy másik utasításszekvenciára való áttérés. Így jó esélye van annak, hogy a különböző fázisaikban párhuzamosan végrehajtott utasítások ugyanahhoz a szekvenciához tartoznak.)
Az igénybe vehető tranzisztorok számának növekedésével a hatékonyságnövelés mindkét módját kihasználták a fejlesztők, és lényegesen hatékonyabb belső konstrukciókat valósítottak meg. Ennek eredményeként egészen drámai módon csökkent az utasítás-végrehajtás ideje. Amíg a 8 bites és az első 16 bites mikroprocesszoroknál jóval több, ill. több mint 10 óraciklusnyi volt egy átlagos utasítás végrehajtási ideje, addig a később megjelent 16 bites egységeknél és a 32 bites processzoroknál ez az érték 2,4 és 6,3 közötti óraciklusra csökkent. A legújabb, ún. leegyszerűsített utasításkészletű (RISC) mikroprocesszoroknál pedig egészen fantasztikus, 1,2 és 2,0 közötti óraciklus időtartamot értek el.
A processzorok teljesítménynövekedését egy általános mérőszámmal lehet megvilágítani. A számítógépgyártóknál régi gyakorlat, hogy nagyszámú programon végzett méréssel megállapítják az egyes utasítások használati gyakoriságát, és processzoraikat ennek megfelelően tervezik. Az utasítások gyakorisága alapján összeállított mérőprogram (az ún. utasításkeverék) segítségével kapott mérőszám – az angol megnevezéséből vett rövidítés alapján MIPS-nek (millió utasítás/másodperc) nevezett érték – mutatja a processzor tényleges teljesítményét. Amíg a 8 bites mikroprocesszorok legfeljebb 0,1–0,2 MIPS közötti teljesítményűek voltak (nem is beszélve igen kicsiny műveleti erejükről), addig a 16 biteseknél 0,3–2,1 MIPS között volt a teljesítmény, a 32 biteseknél pedig 0,6–13,2 MIPS között. A RISC mikroprocesszorok legújabb generációjánál 11,9–20,0 MIPS közötti a teljesítmény, és a felső határ jelentősen növekszik majd az elkövetkező években.
Érdemes a hagyományos, tehát nem egyetlen áramköri lapkán megvalósított processzorokkal összehasonlítani mindezt. A klasszikus, 16 bites miniszámítógépek (pl. a DEC PDP–11 és az ennek megfelelő, szocialista gyártmányú MSZK gépek) processzorainak teljesítménye 0,05-0,6 MIPS között van. A 32 bites szuperminik első technológiai változatát jelentő DEC VAX-11 gépek (és az ennek megfelelő szocialista gyártmányok) 0,3–1,0 MIPS közötti teljesítményűek. A VAX következő technológiai változatának (hazánkban embargós okok miatt nincs és szocialista gyártmányú hasonmása sincs) processzorai 1,0–6,1 MIPS közötti teljesítményűek.
A hazánkban ismert IBM 4300-as sorozat első technológiai változata 0,2–0,6 MIPS közötti teljesítményű volt, a második változat 0,4–1,2 MIPS közötti (ebből csak a kisebb modelleket vásárolhatjuk meg), és az 1988-ban megjelent ötödik változat is csak 2,3–4,7 MIPS közötti (embargós okok miatt már nem hozzáférhető). Még az IBM 1985 végén megjelent szuperteljesítményű (a szocialista országok kínálatában teljesen ismeretlen kategória) 3090-es gépének processzora is csak 15 MIPS teljesítményre képes. A kategóriában pillanatnyilag vezető, 1988-ban megjelent Amdahl 5990-es gépek processzora is mindössze 25 MIPS teljesítményű. Jól látható tehát, hogy a mikroszámítógépek behozták a hagyományos számítógépekkel szemben néhány évvel ezelőtt még fennállt hátrányukat.
Még a szakemberek mindegyike sincs tisztában ezzel a konstrukciós fejlődéssel. Különösen az irritál sokakat, hogy a kis méretükben a korábbiakhoz hasonlító 32 bites mikroprocesszorok teljesítménye elérte a szuperminik és a nagyszámítógépek processzoraiét. Egyszerűen elképzelhetetlennek tartják, hogy a miniatűr méretekben megvalósított konstrukció ugyanarra vagy egyenesen nagyobb teljesítményre képes, mint a méreteivel is lenyűgöző szupermasina. Évtizedes tapasztalatuk azt sugallja, hogy csakis az lehet igazán nagy teljesítményű berendezés, amelyik rengeteg „gyors” áramköri lapkából épül fel, és nem az, amelyik mindössze egyetlen lapkából áll.
A rejtély nyitja pedig éppen az egyetlen áramköri lapkán történő megvalósítás. Az áramköri működés alapját képező tranzisztorokat vezetékek kötik össze egymással, legyen szó sok-sok lapkán vagy egyetlen lapkán történő megvalósításról. Az egyetlen lapkán megvalósított processzornál ugyanakkor jóval rövidebbek ezek a vezetékek, és egyedül az alkalmazott mikroelektronikai technológián múlik, hogy milyen kapcsolási frekvenciával képesek működni az egyes tranzisztorok, és összesen hány tranzisztor fér el egy lapkán.
Az ún. fém-oxid-félvezető (MOS) technológián alapuló félvezető tárak iránt jelentkező, semmi mással ki nem elégíthető és egyre növekvő igény a MOS technológiák rendkívüli ütemű fejlődését eredményezte. A mikroprocesszor-gyártóknak így nem kellett külön mikroelektronikai technológiát kifejleszteniük, hanem mindig a tárlapkákhoz használt, éppen legkorszerűbb MOS technológiát vehették igénybe. Mivel a tárlapkák gyártásában csak az maradhatott versenyben, aki időről időre, tipikusan háromévente megnégyszerezte a lapkák tárkapacitását és a működési sebességet is folyamatosan növelte, a mikroprocesszor-gyártók ideális technológiai bázishoz jutottak. A tárlapkáknál ugyanis speciális hűtési módszerek nélkül is állandóan növelni kellett az áramköri működés sebességét, a négyszeres kapacitást pedig végső soron csak az egy lapkán kialakítható tranzisztorok számának mindenkori megnégyszerezésével lehetett elérni.
A hagyományos felépítésű processzoroknál nem MOS áramköri technológiát használtak a gyártók, hanem a tranzisztorok kialakításában „klasszikusnak” számító, ún. bipoláris áramköröket. A bipoláris technológia legkorszerűbb változata még napjainkban is a leggyorsabb lapkaszintű működést teszi lehetővé, hát még évekkel, vagy 10–12 évvel ezelőtt. A piacon bevezetett számítógépek gyártói nem is gondolkodhattak másban. A 80-as évek közepére azonban minimálisra csökkent a két technológia közötti sebességkülönbség. A félvezető tárlapkák a MOS technológiák példátlan méretű javulását kényszerítették ki. Amíg a bipoláris áramkörök kapcsolási sebessége 1975 és 1985 között mindössze négyszeresére növekedett, addig a MOS áramköröké a harmincszorosára. A bipoláris áramkörök évi 15%-os javulásával szemben, a MOS áramkörökre az évi 40%-os javulás volt jellemző.
Így azután semmi csodálatos sincs abban, hogy a legújabb MOS technológián alapuló mikroprocesszorok órafrekvenciája nagyobb, mint a nagyszámítógép- és szupermini-processzorok többségéé. Az Intel, a Motorola, a National Semiconductor és más gyártók, mint a MIPS és az AMD, legalább 25 MHz-es mikroprocesszorokat kínálnak, miközben a DEC VAX8000-es gépei 22,2 MHz-esek, az IBM legújabb 4381-esei pedig mindössze 18 MHz-esek. Az alkalmazható tranzisztorok óriási száma azt is lehetővé tette, hogy sokkal fejlettebb legyen a mikroprocesszorok konstrukciós rendszere.
A National Semiconductor 32532-es mikroprocesszorának legújabb változata átlagosan 2,4 óraciklusnyi idő alatt hajt végre egy utasítást. A processzorlapkán nem kevesebb mint 370000 tranzisztor található. A 33 MHZ-es órafrekvenciával elért 13,8 MIPS-es teljesítmény alig marad el az IBM 3090-es processzor 15,6 MIPS-es teljesítményétől. A kontraszt óriási, mivel az IBM gépnek nemcsak a mérete hatalmas, hanem olyan sok hőt is termel, hogy működéséhez igen komoly hűtőrendszer szükséges.
A programozói szintű architektúra radikális megújításával még ennél is jobb eredményt ért el a MIPS cég. 25 MHz-es órafrekvencia mellett mikroprocesszorának legújabb változata 20 MIPS teljesítményű. Az utasításkészletet a nagymértékben párhuzamosított, egyszerre 5 egymás utáni utasítást végrehajtani képes belső konstrukcióhoz igazították. Ezzel együtt kidolgozták a C-nek nevezett, igen hatékony programozási nyelvről történő optimális fordítás rendszerét is. Így ez sokkal nagyobb programozói hatékonyságot biztosít, mint amire az eddigi processzorok képesek voltak.
A MIPS cég nem áll egyedül komplex megközelítésével. Más fejlesztők is úgy találták, hogy a legnagyobb hatékonyságot olyan leegyszerüsített utasításkészlettel lehet elérni, amely jól igazodik a belső konstrukcióhoz, és ezért hatékonyan végrehajtható. (Innen származik az architekturális megközelítés neve: leegyszerűsített utasításkészletű számítógép –RISC.) A MIPS-hez hasonlóan ezek a gyártók is úgy vélik, hogy az optimális fordítási technikákkal közvetlenül magasszintű nyelvről előállított kód is hatékonyabb, mint az önkényes megfontolások alapján minél „gazdagabbra” tervezett, összetett utasításkészlet. Nem férhet hozzá kétség, hogy a jövő szuperteljesítményű mikroprocesszorainak általános architekturális megoldásáról van szó.
A hagyományos elven, tehát az optimális fordítási technikáktól és a párhuzamos végrehajtás belső konstrukciójától függetlenül kialakított, ún. összetett utasításkészletű (CISC) mikroprocesszorok gyártói sem fognak azonban jelentősen lemaradni. A National legújabb processzorához hasonló teljesítményekre lesz képes a két legnagyobb gyártó, az Intel és a Motorola várhatóan 1989-ben megjelenő következő 32 bites egységei, az Intel 80486 és a Motorola 68040 is. Ezzel a hagyományos számítógépgyártók teljesítménymonopóliuma végérvényesen megszűnik.
Az Intel mikroprocesszorainak példája
A mikroprocesszorok generációi
A 32 bites processzorok különböző kategóriáinak teljesítőképessége (a VAX–11/780 kivételével mind a legújabb típus)
Az Intel mikroprocesszorai
Az Intel mikroprocesszorok programozói szintű architektúrája
Az Intel mikroprocesszorok szorzási képessége
A MOS tárlapkák (az ún. dinamikus RAM-ok) generációi
