Светофор и пешеходный переход на микроконтроллере. Значение и чередование сигналов

Под гордым названием «Эльбрус» вышла серия суперкомпьютеров, которая была разработана советским ученым Всеволодом Сергеевичем Бурцевым (70-80-е ).

Эти компьютеры внесли ряд новшеств в теорию вычислительных машин, такие как суперскалярность (обработку более одной инструкции за один такт), реализацию защищенного программирования с аппаратными типами данных, параллельную обработку нескольких инструкций. Но главной особенностью советских суперкомпьютеров была их ориентация на языки высокого уровня. Советско-американский ученый Владимир Мстиславович Пентковский, участвовавший в разработке «Эльбрус», создал высокоуровневый язык программирования Эль-76.

Кроме усовершенствования сферы советских вычислительных машин, компьютер стал базой для создания 64-разрядных универсальных микропроцессоров «Эльбрус 4-С» и следующего поколения «Эльбрус 8-С». Они разбавили рынок американских производителей Intel, AMD и IBM. Локальная разработка и производство процессоров было обусловлено потребностью найти собственные решения для оборонной отрасли, где применение отечественных устройств более желательно.

История развития

Разработка архитектуры компьютера «Эльбрус» началась в 70-х в ИТМиВТ им. Лебедева. Перед разработчиками стояла задача создать вычислительную систему имеющую производительность 100 млн оп/с. Бурцев занимался системой управления и конструирования ЭВМ и стал главным конструктором проекта.

В 1980 г. «Эльбрус-1» с общей производительностью 15 млн оп/с успешно прошел государственные испытания. Это была первая ЭВМ в Советском Союзе, построенная на базе ТТЛ-микросхем. Особенностью машины стала масштабируемая архитектура, которая поддерживала одновременную работу до 10 процессоров. Оперативная память достигала 64 МБ (220 машинных слова). Организация передачи потоков данных между переферийными устройствами и оперативной памятью осуществлялась с помощью специальных процессоров ввода-вывода. Подобных процессоров в системе могло быть около 4-х и они обладали собственной памятью, работая параллельно с центральным процессором.

«Эльбрус-1» использовался во многих системах военного назначения - ПРО, Центре контроля космического пространства и т.д.

Следующим этапом в разработке компьютера «Эльбрус» стал перенос архитектуры первой модели на новую элементную базу. Таким образом возник «Эльбрус-2», который основывался на базе ЭЛС интегральных схем. Его производительность достигала 125 млн оп/с. Увеличился и объем оперативной памяти - до 144 МБ. Тактовая частота достигала 20 МГц.

В 1985 г. «Эльбрус-2» был запущен в серийное производство. Он применялся в областях, где требовались большие вычисления. Также компьютер активно использовали в оборонной отрасли, в Центре управления космическими полетами и в ядерных исследовательских центрах (в Арзамасе-16, в Челябинске-70). С 1991 г. компьютер работал в системе противоракетной обороны А-135 и на других военных объектах.

Вместе с суперкомпьютерами выпускалась и ЭВМ общего назначения «Эльбрус 1-КБ» (1988 г.). Эти машины пришли на замену БЭСМ-6 с которыми у них существовала полная обратная программная совместимость. Ее дополнили новым режимом работы с увеличенной разрядностью чисел и адресов.

Сравнительная характеристика БЭСМ-6 и «Эльбрус 1-КБ»

Следующим был выпущен «Эльбрус-3», в котором разработчики впервые реализовали «постсуперскалярный» подход. Этот компьютер разрабатывался с 1986 по 1994 гг. сотрудниками ИТМиВТ под руководством советского ученого Бориса Арташесовича Бабаяна.

«Эльбрус-3» не был выпущен в серийное производство, но его архитектура вошла в основу развития микропроцессоров Эльбрус 2000 и Эльбрус-3М1.

Серия Эльбрус было по достоинству оценена советским руководством. Разработчики Бабаян, Бурцев, Бардиж получили премии и ордена. Остальные участники работы также были награждены государственными премиями.

Эра процессоров МЦСТ

Российская компания МЦСТ была основана в 1992 г. на базе коллектива разработчиков «Эльбрус-3». Она стала правопреемником ТОО «Московский центр SPARC-технологий» (отсюда и название МЦСТ). Аббревиатура SPARC пришла от основного партнера МЦСТ американской корпорации Sun Microsystems, продвигающей вычислительные машины с архитектурой SPARC.

МЦСТ производила микропроцессоры с архитектурой SPARC (МЦСТ-R100, МЦСТ-R150, МЦСТ-R500 и МЦСТ-R500S) и на их базе создавали вычислительные системы. Но в 2007 г. вышел одноименный процессор «Эльбрус». Пиковая производительность устройства в 64-разрядном режиме достигала 2,4 GFLOPS. Рабочая тактовая частота была 300 МГц. В процессоре было 75,8 млн транзисторов. Рассеиваемая мощность 6 Вт.

На основе процессора был разработан вычислительный комплекс «Эльбрус-3М1», применявшийся для оборонной отрасли. Этот комплекс предоставлялся с защищенной операционной системой МСВС-Э (Мобильная система Вооруженных Сил), базирующейся на Linux версии 2.6.14. «Эльбрус-3М1» был обратно совместим с первым и вторым «Эльбрусами».

Вычислительный комплекс имел два варианта конструктивного исполнения - серверный, который можно было использовать как настольный и в исполнении CompactPCI (системной шины). В основе серверного варианта лежало устройство вычислителя УВ 3М1. В случае CompactPCI «Эльбрус-3М1» занимал два модуля формата «Евромеханика» 6U. Аппаратура исполнения обоих вариантов оснащалась сетевым оборудованием для сверхскоростных обменов с аналогичными вычислительными комплексами.

В 2010 г. на выставках «ChipEXPO-2010» и Softool общественности была представлена система на кристалле «Эльбрус-S». В данном процессоре увеличилось количество транзисторов - до 218 млн. Также до 500 МГц поднялась тактовая частота и выросла пиковая производительность: до 4 GFLOPS в 64-разрядном и до 8 GFLOPS в 32-разрядном режимах.

Вместе с «Эльбрус-S» был представлен контроллер периферийных интерфейсов (КПИ).

В 2011 г. МЦСТ презентовала двухъядерный процессор следующего поколения «Эльбрус-2С+». Помимо 2 основных ядер (архитектура Эльбрус), работающих на тактовой частоте 500 МГц, в модели присутствовало еще дополнительных 4 ядра встроенного цифрового сигнального процессора (архитектура Мультикор). В процессор был добавлен канал ввода/вывода, с помощью которого возможно подключить еще один КПИ. Также «Эльбрус-2С+» дополнила поддержка памяти DDR2 с эффективной частотой 800 МГц. Выросла производительность процессора - до 28 GFLOPS в 32-разрядном режиме. Количество транзисторов достигло 368 млн.

Разработчики реализовали версию компилятора языка C, чтобы воспроизводить код для ядер DSP и наладить эффективное взаимодействие основной программы на ядрах CPU и действий на DSP.

По расчетам создателей, «Эльбрус-2С+» должен был использоваться в системах цифровой интеллектуальной обработки сигнала (радары, анализаторы изображений и т.д.). Но процессоры оказались лучше адаптированными под гражданские задачи. К примеру, компанией Kraftway была запущена тестовая серия моноблочных компьютеров на базе кристаллов «Эльбрус-2С+».

Процессор «Эльбрус-4С»

В апреле 2014 г. компания представила усовершенствованные четырехъядерные процессоры «Эльбрус-4С».

Технические характеристики «Эльбрус-4С»

В первую очередь стоит обратить внимание на переход производства процессора на 65 нм технологический процесс. Также возросла и тактовая частота, пропускная способность каналов оперативной памяти. Эти и другие улучшения существенно повлияли на рост производительности новых процессоров. Каждое ядро за один такт способно исполнить до 23 операций. В операциях с плавающей запятой пиковая теоретическая производительность четырёх ядер составляет около 50 GFLOPS одинарной точности и 25 GFLOPS двойной точности. Если сравнивать с предыдущей моделью «Эльбрус-2С+», то в 64-разрядном режиме - это более чем в три раза выше. В новом процессоре более сложный кристалл, который содержит 986 млн транзисторов, имеет полезную площадь в 380 мм2.

Специалисты МЦСТ создали собственную операционную систему «Эльбрус» специально под выпущенный процессор. ОС основывается на базе ядра Linux версии 2.6.33. В ее составе насчитывается свыше 3000 программных пакетов (из дистрибутива Debian 5.0) и есть менеджер пакетов. Включен полный набор инструментов разработчика, в том числе и компиляторы оптимизации для языков программирования высокого уровня С, С++, Фортран-77 и Фортран-9.

ОС «Эльбрус» была сертифицирована по второму классу защиты от несанкционированного доступа и второму уровню контроля за недекларированными возможностями. Но компьютеры на базе процессоров «Эльбрус-4С» работают и с версиями ОС Windows.

Тандем процессора и настольного компьютера

Одним из проектов компании стала разработка первого российского настольного компьютера на базе процессора «Эльбрус-4С». Он получил название «АРМ Эльбрус-401» (где АРМ расшифровывается, как автоматизированное рабочее место). Модель разработана под офис в корпусе стандарта MiniTower. Но может применяться в разных сферах с повышенными требованиями к информационной безопасности.

У компьютера есть технологический процесс 65 нм с тактовой частотой 800 Гц, порты SATA-2 и USB 2.0, предустановленный SSD 120 ГБ с интерфейсом mSATA и поддержкой DDR3-1600 с ECC. Базовая конфигурация предлагается 24 ГБ оперативной памяти (с возможностью расширения до 96 ГБ). Среди особенностей архитектуры «АРМ Эльбрус-401» можно выделить следующие: наличие 6 параллельно работающих каналов арифметико-логических устройств; регистровый файл из 256 84-разрядных регистров; аппаратную поддержку циклов; поддержку спекулятивных вычислений и однобитовых предикатов; команду, которая может задать в одном такте до 23 операций при максимальном заполнении. Также в компьютер установлена видеокарта AMD Radeon серии 6000.

Процессор нового поколения - «Эльбрус-8С»

Разрабатывает процессор «Эльбрус-8С» компания МЦСТ при участии Институт электронных управляющих машин (ИНЭУМ) им. И.С. Брука. Архитектура, схемотехника и топология микропроцессора были созданы российскими специалистами. У процессора восемь ядер с улучшенной 64-разрядной архитектурой «Эльбрус». Тактовая частота достигает 1,3 ГГц, объем кеш-памяти второго и третьего уровня - 4 и 16 МБ. Предполагаемая производительность достигает 250 GFLOPS.

Технические характеристики «Эльбрус-8С»

У компьютера присутствует своя архитектура «Эльбрус», которая разработана в ЗАО «МЦСТ». Векторные ускорители систем команд помогают сделать шифрование и обработку сигналов более быстрым.

Взаимодействие аппаратной части с ОС происходит через собственный микрокод BIOS. Процессор совместим с дистрибутивами Linux, FreeBSD, QNX, Windows XP, но рекомендованная операционная система «Эльбрус» на базе ядра Linux 2.6.33. Применение специализированных средств разработки (оптимизирующие компиляторы с языков C и C++, Фортран, Java и т.д.) дает возможность оптимизировать код программы с учетом архитектуры «Эльбрус».

омпанией уже разрабатываются служебные программы и вспомогательные компоненты, оптимизированные для работы на процессорах. Это все - средства для работы с сетью и периферийными устройствами (утилиты, библиотеки общего назначения, сервисы, поддержка баз данных, графическая подсистема).

«Эльбрус-8С» должен работать в паре с КПИ 2 - контроллером периферийных интерфейсов российского производства.

Процессор прошёл Государственные испытания в марте 2014 года Тактовая частота 800 МГц 4 ядра L2$ 8 МБ, До 23 операций/такт на ядро 3 канала памяти DDR межпроцессорных канала (16 ГБ/с) 1 канал IO-link (4 ГБ/с) Улучшения в микро архитектуре Количество транзисторов – 968 млн Рассеиваемая мощность – ~45 Вт Технология – 65 нм, 9 слоев металла Площадь кристалла мм 2 Эльбрус-4С

Процессор завершил гос. испытания в 2014 году Тактовая частота 300 МГц, 2 ядра «Эльбрус» L2$ 2 * 1 МБ 2 канала DDR межпроцессорных канала (по 4 ГБ/с) 2 канала IO-link (2 ГБ/с) Количество транзисторов: 300 млн Рассеиваемая мощность: ~20 Вт Технология: 90 нм, 10 слоёв металла Площадь кристалла: 320 мм 2 Производство на фабрике Микрон Эльбрус-2СМ

КПИ Тактовая частота – 250 МГц 2 канала I/O (2 * 1 ГБ/с). Интерфейсы PCI Express 1.0a x8 PCI 2.3 (33/66 МГц, 32/64 бит) Gigabit Ethernet, 4 * SATA 2.0, 2 * USB 2.0 RS 232/485, IEEE1284, Audio, SPI, I2C, GPIO Количество транзисторов – 30 млн Рассеиваемая мощность – 5 Вт Технология – 0.13 мкм, 9 слоев металла Размер кристалла – 10,6 х 10,6 мм

Асинхронная пред подкачка Устройство асинхронной подкачки данных (AAU) Асинхронная программа Кэш 2-го уровня (L2$) Оперативная память Регистровый файл (RF) Основная программа Арифметико-логические устройства (ALU) Буфер предварит. подкачки данных (APB) данные асинхронные данные адреса Вычисляет адреса Подкачивает данные Управляет синхронной подкачкой данных

Пиковая производительность лин.уч. циклы Int (8) / FP (9) / St (2) / Ld (4) Обработка предикатов Передача управления Загрузка литерала 32/64- 4/2 + Асинхронная загрузка в РФ- 4 + Адресная арифметика- 4 + Обработка счетчика цикла Всего:18/16 23

SPEC CPU2000 FP

2015: Эльбрус-8С 1.3 ГГц 8 ядер Эльбрус 250 Гигафлопс L2$ 8*512КБ, L3$ 16 МБ 4 канала памяти DDR межпроц. канала по 16 ГБ/с 1 канал IO-link (16 ГБ/с) 320 мм 2, 2,7 млрд транзисторов 28 нм, энергопотребление ~60 Вт Получены первые инженерные образцы

2015: КПИ-2 1 канал IO-link (16 ГБ/с) PCI Express 2.0 x20 3 * Gigabit Ethernet 8 * SATA * USB * GPIO... Технология 65 нм Энергопотребление 12 Вт Получены первые инженерные образцы

Сервер на базе четырёх процессоров Эльбрус-8С 4 процессора Эльбрус-8С Южный мост КПИ-2 Оперативная память до 256 Гбайт на сервер Интерфейсы: SATA 3.0 – 8 каналов, Gigabit Ethernet – 3 канала, PCI Express 2.0 x20, PCI, интерконнект Высота корпуса 1U Мощность сервера – 1 Терафлопс 40 Тфлопс в стойке Сервер Эльбрус-8С Макетный образец четырёхпроцессорного сервера

Gflops SP TSMC Микрон Эльбрус-4С 65 нм, 4 я 50GF Эльбрус-8С 28 нм, 8 я 250GF Эльбрус-16С 16 нм, 8…16 я 0,5 … 1TF Эльбрус-32С 10 нм, 32 я 4TF Эльбрус-4СМ 65 нм, 4 я 50GF Эльбрус-8СМ 32 нм, 8 я 250GF Дорожная карта Эльбрус-2СМ 90 нм, 2 я 10GF Эльбрус-1С+ 40 нм, 1 я + GPU 24GF Индексом «М» (зелёным цветом) отмечены модели, планируемые к выпуску на отечественной фабрике Микрон (Зеленоград)

«Защищённый режим»: контроль ошибок во время исполнения Аппаратно контролируются ошибки программы в работе с памятью и гарантируется целостность указателей Обращение за границы объекта (массива) Обращение по указателю на уже освобождённую память объекта, закончившего жизненный цикл Чтение неинициализированных данных Обращение по неадресным данным как по указателю Результат: Рост производительности труда программиста – на порядок Возможность создавать надёжные программы, устойчивые к кибернетическим атакам Замедление скорости работы программ – около 20%

Защищённый режим Эльбруса. Структура дескриптора 32 bit40 bit32 bit24 bit8 bit Текущее положение База ГраницаВремя жизни + служебные биты Теги 128 bit 32 bit2 bit Данные или часть дескриптора Теги Дескриптор: Значения тегов: 00 - Неинициализированное 10 – Данные, 01 и 11 - Часть дескриптора Структура машинного слова в памяти:

«Защищённый режим»: контроль ошибок во время исполнения Исполнение программ на обычном компьютере – как езда по шоссе с разметкой. Пока все программы действуют без ошибок «по правилам», всё хорошо работает… … но если нарушить правила, под угрозой будет безопасность всей вычислительной машины Защищённый режим – как разделитель: даёт «железные» гарантии, что все корректно работающие программы будут в безопасности

ОС Эльбрус Используется структура пакетов Debian Отпортировано более 3000 базовых пакетов из набора Debian 5.0 (Lenny) и многие другие, в том числе: LibreOffice 3.6 Firefox PostgreSQL 9.2 Qt 5.0 Основана на ядре Linux Встроена поддержка режима реального времени Двоичный транслятор приложений: слой кросс-архитектурной виртуализации x86 Elbrus, совместимый с эмулятором WINE Средства разработки – компиляторы С/С++/Fortran, Java-машина (OpenJDK 6)