15. Аппаратная архитектура компьютера. Архитектуры sisd,misd,mimd,simd.

Архитектуры эвм

Введение

Под архитектурой ЭВМ понимается функциональная и структурная организация машины, определяющая методы кодирования данных, состав, назначение, принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.

Можно выделить следующие важные для пользователя группы характеристик ЭВМ, определяющих её архитектуру:

характеристики и состав модулей базовой конфигурации ЭВМ;

характеристики машинного языка и системы команд (количество и номенклатура команд, их форматы, системы адресации, наличие программно-доступных регистров в процессоре и т.п.), которые определяют алгоритмические возможности процессора ЭВМ;

технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ;

состав программного обеспечения ЭВМ и принципы его взаимодействия с техническими средствами ЭВМ.

К наиболее общему принципу классификации ЭВМ и систем по типам архитектуры следует отнести разбиение их на однопроцессорные и многопроцессорные архитектуры.

Исторически первыми появились однопроцессорные архитектуры. Классическим примером однопроцессорной архитектуры является архитектура фон Неймана со строго последовательным выполнением команд: процессор по очереди выбирает команды программы и также по очереди обрабатывает данные (программа и данные хранятся в единственной последовательно адресуемой памяти).

По мере развития вычислительной техники архитектура фон Неймана обогатилась сначала конвейером команд, а затем многофункциональной обработкой, и по таксономии М. Флина получила обобщенное название компьютера с одним потоком команд и одним потоком данных.

Поток команд - это последовательность команд, выполняемых ЭВМ (системой), а поток данных - последовательность данных (исходная информация и промежуточные результаты решения задачи), обрабатываемых под управлением потока команд.

1. Sisd-компьютеры

Рис. 1. SISD- архитектура

SISD (Single Instruction Single Data) или ОКОД - один поток команд, один поток данных. SISD компьютеры это обычные, "традиционные" последовательные компьютеры, в которых в каждый момент времени выполняется лишь одна операция над одним элементом данных (числовым или каким-либо другим значением).

При работе такой системы в мультипрограммном режиме, когда совместно решаются несколько задач (программы и исходные данные по каждой из них хранятся в оперативной памяти), обеспечивается параллельная работа устройств системы, происходит разделение времени и оборудования между совместно выполняемыми программами.

Но в каждый данный момент операционное устройство (АЛУ), поскольку оно является единственным, занимается обработкой информации по какой-то одной команде, т. е. одновременное преобразование информации в АЛУ по нескольким командам, принадлежащим разным участкам одной и той же программы или разным программам, невозможно. Основная масса современных ЭВМ функционирует в соответствии с принципом фон Неймана и имеет архитектуру класса SISD. Данная архитектура породила CISC, RISC и архитектуру с суперскалярной обработкой.

Компьютеры с CISC архитектурой

Компьютеры с CISC (Complex Instruction Set Computer) архитектурой имеют комплексную (полную) систему команд, под управлением которой выполняются всевозможные операции типа «память-память», «память-регистр», «регистр-память», «регистр-регистр». Данная архитектура характеризуется:

большим числом команд (более 200);

переменной длиной команд (от 1 до 11 байт);

значительным числом способов адресации и форматов команд;

сложностью команд и многотактностью их выполнения;

наличием микропрограммного управления, что снижает быстродействие и усложняет процессор.

Обмен с памятью в процессе выполнения команды делает практически невозможной глубокую конвейеризацию арифметики, т.е. ограничивается тактовая частота процессора, а значит, и его производительность.

Большинство современных компьютеров типа IBM PC относятся к CISC архитектуре, например, компьютеры с микропроцессорами 8080, 80486, 80586 (товарная марка Pentium).

Компьютеры с RISC архитектурой

Компьютеры с RISC (Reduced Instruction Set Computer) архитектурой содержат набор простых, часто употребляемых в программах команд. Основными являются операции типа «регистр-регистр».

Данная архитектура характеризуется:

сокращенным числом команд;

тем, что большинство команд выполняется за один машинный такт;

постоянной длиной команд;

небольшим количеством способов адресации и форматов команд;

тем, что для простых команд нет необходимости в использовании микропрограммного управления;

большим числом регистров внутренней памяти процессора.

Компьютеры с RISC-архитектурой «обязаны» иметь преимущество в производительности по сравнению с CISC компьютерами, за которое приходится расплачиваться наличием в программах дополнительных команд обмена регистров процессора с оперативной памятью.

Компьютеры с суперскалярной обработкой

Еще одной разновидностью однопотоковой архитектуры является суперскалярная обработка. Смысл этого термина заключается в том, что в аппаратуру процессора закладываются средства, позволяющие одновременно выполнять две или более скалярные операции, т.е. команды обработки пары чисел. Суперскалярная архитектура базируется на многофункциональном параллелизме и позволяет увеличить производительность компьютера пропорционально числу одновременно выполняемых операций. Способы реализации суперскалярной обработки могут быть разными.

Аппаратная реализация суперскалярной обработки применяется как в CISC, так и в RISC - процессорах и заключается в чисто аппаратном механизме выборки из буфера инструкций (или кэша инструкций) несвязанных команд и параллельном запуске их на исполнение. Этот метод хорош тем, что он «прозрачен» для программиста, составление программ для подобных процессоров не требует никаких специальных усилий, ответственность за параллельное выполнение операций возлагается в основном на аппаратные средства.

VLIW-архитектуры суперскалярной обработки. Второй способ реализации суперскалярной обработки заключается в кардинальной перестройке всего процесса трансляции и исполнения программ. Уже на этапе подготовки программы компилятор группирует несвязанные операции в пакеты, содержимое которых строго соответствует структуре процессора. Например, если процессор содержит функционально независимые устройства (сложения, умножения, сдвига и деления), то максимум, что компилятор может «уложить» в один пакет - это четыре разнотипные операции; (сложение, умножение, сдвиг и деление). Сформированные пакеты операций преобразуются компилятором в командные слова, которые по сравнению с обычными инструкциями выглядят очень большими. Отсюда и название этих суперкоманд и соответствующей им архитектуры - VLIW (Very Large Instruction Word - очень широкое командное слово). По идее, затраты на формирование суперкоманд должны окупаться скоростью их выполнения и простотой аппаратуры процессора, с которого снята вся «интеллектуальная» работа по поиску параллелизма несвязанных операций. Однако практическое внедрение VLIW-архитектуры затрудняется значительными проблемами эффективной компиляции.

Архитектуры класса SISD охватывают те уровни программного параллелизма, которые связаны с одиночным потоком данных. Они реализуются многофункциональной обработкой и конвейером команд.

Параллелизм циклов и итераций тесно связан с понятием множественности потоков данных и реализуется векторной обработкой. В таксономии компьютерных архитектур М. Флина выделена специальная группа однопроцессорных систем с параллельной обработкой потоков данных - SIMD.

2. SIMD-компьютеры

SIMD (Single Instruction Stream - Multiple Data Stream) или ОКМД - один поток команд и множество потоков данных. SIMD компьютеры состоят из одного командного процессора (управляющего модуля), называемого контроллером, и нескольких модулей обработки данных, называемых процессорными элементами.

Рис. 2. SIMD- архитектура

Управляющий модуль принимает, анализирует и выполняет команды. Если в команде встречаются данные, контроллер рассылает на все процессорные элементы команду, и эта команда выполняется на нескольких или на всех процессорных элементах.

Все процессорные элементы идентичны и каждый из них представляет собой совокупность управляюще-обрабатывающего органа (быстродействующего процессора) и процессорной памяти небольшой емкости. Процессорные элементы выполняют операции параллельно над разными потоками данных (ПД) под управлением общего потока команд (ПК), вследствие чего такие ЭВМ называются системами с общим потоком команд. В любой момент в каждом процессоре выполняется одна и та же команда, но обрабатываются различные данные. Реализуется синхронный параллельный вычислительный процесс.

Одним из преимуществ данной архитектуры считается то, что в этом случае более эффективно реализована логика вычислений. До половины логических инструкций обычного процессора связано с управлением выполнением машинных команд, а остальная их часть относится к работе с внутренней памятью процессора и выполнению арифметических операций. В SIMD компьютере управление выполняется контроллером, а "арифметика" отдана процессорным элементам. Возможны два способа построения компьютеров этого класса. Это матричная структура ЭВМ и векторно-конвейерная обработка.

Матричная архитектура

Суть матричной структуры заключается в том, что имеется множество процессорных элементов, исполняющих одну и ту же команду над различными элементами вектора (потоков данных), объединенных коммутатором. Каждый процессорный элемент включает схемы местного управления, операционную часть, схемы связи и собственную оперативную память. Изменение производительности матричной системы достигается за счет изменения числа процессорных элементов.

Основные их преимущества - высокая производительность и экономичность. Недостатки матричных систем, ограничивающие области их применения, заключаются в жесткости синхронного управления матрицей процессорных элементов и сложности программирования обмена данными между процессорными элементами через коммутатор.

Они применяются главным образом для реализации алгоритмов, допускающих параллельную обработку многих потоков данных по одной и той же программе (одномерное и двумерное прямое и обратное преобразования Фурье, решение систем дифференциальных уравнений в частных производных, операций над векторами и матрицами и др.). Матричные системы довольно часто используются совместно с универсальными однопроцессорными ЭВМ. Примером векторных супер-ЭВМ с матричной структурой является знаменитая в свое время система ILLIAC-IV.

Векторно-конвейерная архитектура

В отличие от матричной, векторно-конвейерная структура компьютера содержит конвейер операций, на котором обрабатываются параллельно элементы векторов и полученные результаты последовательно записываются в единую память. При этом отпадает необходимость в коммутаторе процессорных элементов, служащем камнем преткновения в матричных компьютерах.

Векторно-конвейерную структуру имеют однопроцессорные супер-ЭВМ серии VP фирмы Fujitsu; серии S компании Hitachi; C90, М90, Т90 фирмы Cray Research; Сгау-3, Сгау-4 фирмы Cray Computer и т.д. Общим для всех векторных суперкомпьютеров является наличие в системе команд векторных операций, допускающих работу с векторами определенной длины, допустим, 64 элемента по 8 байт. В таких компьютерах операции с векторами обычно выполняются над векторными регистрами.

ММХ технология

Еще одним примером SIMD-архитектуры является технология ММХ, которая существенно улучшила архитектуру микропроцессоров фирмы Intel. Технология MMX представляет собой компромиссное решение, объединяющее пути, используемые в классическом процессоре CISC-архитектуры (Pentium), в компьютерах с параллельной SIMD-архитектурой, с добавлением ряда простых (RISC) команд параллельной обработки данных. Она разработана для ускорения выполнения мультимедийных и коммуникационных программ с добавлением новых типов данных и новых инструкций. Технология в полной мере использует параллелизм SIMD-архитектуры и сохраняет полную совместимость с существующими операционными системами и приложениями для SISD.

Точно также, как однопроцессорные компьютеры, представлены архитектурами с одним потоком данных SISD и множеством потоков данных SIMD, так и многопроцессорные системы могут быть представлены двумя базовыми типами архитектур в зависимости от параллелизма данных: