Содержание
Содержание
Введение.............................................................................................................. 6
1.
Основные ограничения создания высокопроизводительных микропроцессоров.... 8
1.1.
Факторы снижения надежности микросхем.............................................. 8
1.2.
Проблемы повышения потребляемой мощности микросхем................... 9
1.3.
Методы снижения динамического тока потребления............................. 13
1.3.1.
Снижение напряжения питания и уменьшение
проектных норм................................................................................ 13
1.3.2.
Динамическое управление частотой и напряжением питания...... 14
1.3.3.
Включение дополнительных тактов останова в конвейер.............. 14
1.3.4.
Использование нескольких напряжений питания
на одном кристалле.......................................................................... 15
1.3.5.
Применение технологии «кремний на изоляторе»......................... 15
1.3.6.
Метод селективного отключения синхросигнала........................... 17
1.3.7.
Использование средств САПР......................................................... 19
1.3.8.
Принцип понижения энергопотребления адиабатических
логических элементов...................................................................... 20
1.3.9.
Использование обратимой логики.................................................. 21
1.4.
Синхронная и асинхронная логика, самосинхронные схемы................. 28
1.5.
Ограничения, связанные с предельными технологическими
нормами производства микросхем........................................................... 39
2.
Основные радиационные эффекты в микросхемах ........................................ 41
2.1.
Эффекты накопленной дозы.................................................................... 41
2.1.1.
Эффекты накопленной дозы в подзатворном оксиде.................... 42
2.1.2.
Эффекты накопленной дозы в оксиде по краям затвора................ 46
2.1.3.
Эффекты накопленной дозы в полевом оксиде.............................. 47
2.2.
Одиночные сбои........................................................................................ 47
2.3.
Множественные сбои................................................................................ 49
2.4.
Множественные сбои и биполярный эффект.......................................... 50
2.5.
Кратковременные переходные процессы................................................ 51
2.6.
Одиночное защелкивание......................................................................... 52
2.7.
Модель кратковременного переходного процесса.................................. 55
3.
Основные методики повышения надежности микросхем................................... 56
4.
Тестирование и верификация микросхем.......................................................... 59
4.1.
Методы функциональной верификации RTL-моделей
микропроцессоров.................................................................................... 60
4.2.
Метод коверификации микропроцессоров.............................................. 72
4.3.
Тестирование микропроцессоров............................................................. 74
4.4.
Методы, применяемые для верификации с использованием
специализированных аппаратных устройств........................................... 79
4.5.
Валидация кристаллов микросхем........................................................... 82
4.6.
Метрики тестового (функционального) покрытия,
применяемые при верификации моделей................................................ 84
5.
Маршрут проектирования микросхем.............................................................. 89
5.1.
Классификация микросхем...................................................................... 93
5.2.
Маршрут разработки БМК и БК.............................................................. 97
5.3.
Маршрут проектирования полузаказных БИС на БМК и БК................ 98
5.4.
Маршрут проектирования заказных схем................................................ 99
5.5.
Разработка полностью заказных узлов....................................................110
6.
Архитектура микропроцессоров......................................................................118
6.1.
Расположение и порядок битов и байтов................................................118
6.2.
Синхронизация асинхронных сигналов..................................................121
6.3.
Производительность вычислительных систем........................................123
6.4.
Классификация микропроцессоров........................................................124
6.5.
CISC-процессоры.....................................................................................126
6.6.
RISC-процессоры.....................................................................................126
6.7.
VLIW- и EPIC-процессоры......................................................................131
7.
Организация подсистемы памяти....................................................................134
7.1.
Методы доступа к памяти .......................................................................134
7.2.
Иерархия подсистемы памяти.................................................................136
7.3.
Полностью ассоциативная кеш-память .................................................140
7.4.
Индикаторы состояния строки................................................................144
7.5.
Кеш-память с прямым отображением памяти .......................................146
7.6.
Кеш-память, ассоциативная по множеству............................................148
7.7.
Многопортовость кеш-памяти................................................................149
7.8.
Когерентность системы памяти ..............................................................151
7.9.
TLB и виртуальная память ......................................................................153
8.
Основные архитектуры параллельных ЭВМ...................................................156
8.1.
Симметричные мультипроцессорные системы.......................................157
8.2.
Системы с неоднородным доступом к памяти........................................157
8.3.
Системы с массовым параллелизмом......................................................158
8.4.
Кластерные системы................................................................................160
8.5.
Неоднородные системы...........................................................................161
8.6.
Программное обеспечение параллельных компьютеров........................162
8.6.1.
Модель SPMD.................................................................................163
8.6.2.
Модель MPMD................................................................................164
8.6.3.
Межпроцессные взаимодействия...................................................165
8.6.4.
Стандартные средства поддержки межпроцессных
взаимодействий в ОС UNIX...........................................................165
9.
Компьютерные сети ......................................................................................168
9.1.
Классификация компьютерных сетей.....................................................169
9.2.
Основные типы топологий сетей.............................................................174
9.2.1.
Топология «точка-точка»................................................................174
9.2.2.
Топология «шина»...........................................................................174
9.2.3.
Топология «звезда»..........................................................................175
9.2.4.
Топология «полносвязная сеть»......................................................176
9.2.5.
Топология «частичносвязная сеть».................................................177
9.2.6.
Топология «дерево».........................................................................177
9.2.7.
Топология «трехмерный тор»..........................................................178
9.2.8.
Топология «решетка».......................................................................178
9.2.9.
Комбинация топологий..................................................................178
9.3.
Протоколы локальных вычислительных сетей.......................................181
9.3.1.
Классификация локальных сетей...................................................181
9.3.2.
Типы и методы доступа...................................................................181
9.3.2.1.
Протоколы с разделением канала.....................................182
9.3.2.2.
Протоколы случайного доступа.........................................183
9.3.2.3.
Протоколы с передачей права...........................................184
9.3.3.
Основные сетевые протоколы........................................................185
9.3.3.1.
Asynchronous Transfer Mode (ATM).....................................185
9.3.3.2.
Ethernet................................................................................185
9.3.3.3.
Token Ring............................................................................190
9.3.3.4.
USB......................................................................................190
9.3.3.5.
IEEE 1394 Fire Wire Serial Bus.............................................206
9.3.3.6.
CAN.....................................................................................207
9.4.
Основные типы коммуникационных сред..............................................209
9.4.1.
HyperTransport (HT)........................................................................210
9.4.2.
PCI Express. ASI...............................................................................212
9.4.3.
Ethernet 10Gbit.................................................................................215
9.4.4.
VME extensions. VXS........................................................................215
9.4.5.
StarFabric..........................................................................................216
9.4.6.
InfiniBand.........................................................................................217
9.4.7.
Myrinet ............................................................................................219
9.4.8.
RapidIO ...........................................................................................220
Заключение.......................................................................................................253
Литература.......................................................................................................255
Введение
Вычислительные системы в современном мире во многом определяют про-
гресс общества, удобство и комфорт жизни людей. От того, насколько надежны-
ми, быстродействующими и удобными в пользовании являются вычислительные
системы, зависят комфорт и качество нашей жизни. Производительность являет-
ся основной характеристикой вычислительных систем. Для того чтобы получить
требуемые высокопроизводительные системы, требуется решение комплекса мер
по поднятию производительности с одновременным учетом таких факторов, как
ограничения по потребляемой мощности, стоимости, размеру кристалла, надеж-
ности функционирования.
Основным фактором повышения производительности ЭВМ является созда-
ние высокопроизводительного микропроцессора. Производительность микро-
процессора определяется рядом факторов: частотой его функционирования, архи-
тектурой, возможностью одновременного выполнения нескольких инструкций,
обработки нескольких потоков данных, наличием нескольких ядер, архитектур-
ными особенностями (например возможностью аппаратного выполнения слож-
ных функций, таких как sin x, бабочка и пр.), наличием большого объема встроен-
ной кеш-памяти различного уровня (встроенная подсистема памяти) и системой
команд.
Следующим фактором является организация подсистемы памяти в целом.
Особенно острой является проблема повышения скорости обмена данными
с ОЗУ для задач с большими объемами данных, не позволяющих эффективно ис-
пользовать кеш-память. В таких случаях ускорение возможно прежде всего за счет
введения режимов прямого доступа к памяти (DMA), предвыборок, увеличения
частоты и ширины памяти, создания нескольких каналов памяти.
Для систем реального времени и многопроцессорных систем важны аппарат-
ное выполнение функций синхронизации процессов, организация прерываний
и контроля функционирования вычислительной системы и ее отдельных узлов.
Большие потери производительности (до нескольких раз для отдельных за-
дач) вычислительных систем происходят при обмене между отдельными микро-
схемами в силу ограничений по скорости передачи данных по плате. Поэтому ин-
теграция функций на одном кристалле и создание систем на кристалле приводят
не только к повышению надежности системы и уменьшению ее габаритов в силу
уменьшения числа компонент, но и к повышению производительности системы
в целом.
При создании систем в корпусе (SiP) возможна оптимизация выводов кри-
сталлов с учетом их характеристик и числа в микросборке и соответствующее
снижение емкости контактов. Это приводит к уменьшению потребления питания
и увеличению скорости обмена данными.
Уменьшение числа мостовых схем приводит к уменьшению задержки на пе-
редаваемые данные.
Создание комплектов СБИС под вычислительные системы позволяет опти-
мизировать потребляемую мощность, габариты и повысить производительность
системы.
Введение сопроцессоров под выделенные задачи позволяет в несколько раз
поднять производительность систем на таких задачах. Для примера: в современ-
ных коммуникационных микропроцессорах имеются десятки встроенных со-
процессоров, аппаратно выполняющих функции сжатия данных, криптографии,
контроля, TCP и пр. [1].
Следующим шагом повышения производительности является создание мно-
гопроцессорных модулей и систем. Эффективность многопроцессорной системы
во многом зависит от решаемых задач (возможности параллельного выполнения
отдельных частей программы) и программного обеспечения, позволяющего осу-
ществлять параллельное выполнение задач. Особая роль в таких системах с точки
зрения достижения требуемых параметров производительности отводится комму-
никационным системам.
Повышение производительности вычислительных систем сдерживается ря-
дом факторов. Переход на глубокие субмикронные технологические нормы из-
готовления кристаллов микросхем приводит к снижению надежности, значитель-
ному росту токов утечки и статическому потреблению. Создание требуемых вы-
сокопроизводительных микропроцессорных систем невозможно без разработки
новых методов проектирования микросхем, создания новых систем проектирова-
ния и верификации микросхем.