Архитектурные особенности современных компьютеров:

Гарвардская и принстонская архитектура.

Принстонский университет разработал компьютер, который имел общую память для хранения программ и данных. Такая архитектура компьютеров больше известна как архитектура Фон-Неймана по имени научного руководителя этой разработки.

В этой архитектуре блок интерфейса с памятью выполняет арбитраж запросов к памяти, обеспечивая выборку команд, чтение и запись данных, размещаемых в памяти или внутренних регистрах.

Может показаться, что блок интерфейса является наиболее узким местом между процессором и памятью, так как одновременно с данными требуется выбирать из памяти очередную команду. Однако во многих процессорах с Принстонской архитектурой эта проблема решается путем выборки следующей команды во время выполнения предыдущей. Такая операция называется предварительной выборкой (предвыборка), и она реализуется в большинстве процессоров с такой архитектурой.

Основным преимуществом архитектуры Фон Неймана является то, что она упрощает устройство микропроцессора, так как реализует обращение только к одной общей памяти. Для микропроцессоров самым важным является то, что содержимое ОЗУ может быть использовано как для хранения данных, так и для хранения программ. В некоторых приложениях программе необходимо иметь доступ к содержимому стека.

Гарвардский университет представил разработку компьютера, в котором для хранения программ, данных и стека использовались отдельные банки памяти.

Гарвардская архитектура выполняет команды за меньшее количество тактов, чем архитектура Фон Неймана. Это обусловлено тем, что в Гарвардской архитектуре больше возможностей для реализации параллельных операций. Выборка следующей команды может происходить одновременно с выполнением предыдущей команды, и нет необходимости останавливать процессор на время выборки команды.

RISC (Reduced Instruct Set Computers) – это класс процессоров который имеет меньший и более простой набор инструкций. Сложная инструкция создаётся из значительно более простых. Для эффективной работы RISC-процессора на его кристалле располагается большое количество регистров, что сокращает число обращений к внешней памяти. RISC-процессор отличается простотой, которая в сочетании с высокой тактовой частотой и более эффективным выполнением инструкций позволяет создавать на основе RISC-процессора компьютеры с очень большим быстродействием.

CISC (Complex Instruction Set Computers) – это класс процессоров который предполагает широкий набор инструкций. Некоторые инструкции (например, умножение) требуют для своего выполнения большое количество тактов. Увеличение производительности таких процессоров связано с повышением тактовой частоты. Так как процессоры типа CISC работают со сложными инструкциями, требующими много тактов, это их выполнение характеризуется относительно невысокой скоростью, хотя в них используется конвейерная обработка инструкций.

VLIW (Very long instruction word «очень длинная машинная команда») – это класс процессоров с несколькими вычислительными устройствами, которые характеризуется тем, что одна инструкция процессора содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно.

Процессоры VLIW можно считать логическим продолжением идеологии RISC, расширяющей её с несколькими вычислительными модулями. Так же, как в RISC, в инструкции явно указывается, что именно должен делать каждый модуль процессора. Из-за этого длина инструкции может достигать 128 или даже 256 бит.

В то же время, код для VLIW-процессоров обладает невысокой плотностью. Из-за большого количества пустых инструкций для простаивающих устройств программы могут быть гораздо длиннее, чем аналогичные программы для традиционных процессоров. Из-за сложных внутренних зависимостей кода, программирование на уровне машинных кодов для VLIW- процессоров практически невозможно вручную.

Процессорная архитектура SPARC. Масштабируемая процессорная архитектура SPARC (Scalable Processor Architecture) компании Sun Microsystems является наиболее широко распространенным RISC- процессором.

Дальнейшее увеличение производительности процессоров с архитектурой SPARC было достигнуто за счет реализации в кристаллах принципов суперскалярной обработки. В дальнейшем были разработаны микропроцессоры с архитектурой HyperSPARC, MicroSPARC и UltraSPARC.

UltraSPARC является первым универсальным процессором с 64-битовой архитектурой, обеспечивающий высокую пропускную способность, необходимую для реализации высокоскоростной графики и обработки видеоизображений в реальном масштабе времени, используется для разнообразных видеоприложений и обработки неподвижных изображений, включая MPEG-1, MPEG-2 и JPEG.

Процессорная архитектура POWER. Процессорная архитектура POWER во многих отношениях представляет собой традиционный RISC-процессор, но имеются отличия. В данной архитектуре набор команд был основан на идее суперскалярной обработки. Команды могут направляться в каждое из этих устройств одновременно, где они могут выполняться одновременно и заканчиваться не в порядке поступления. Архитектура POWER расширена несколькими «смешанными» командами для сокращения времени выполнения. И следующий фактор, который отли-чает архитектуру POWER от многих других RISC-архитектур, является отсутствие механизма «задержанных переходов».

Методика реализации условных переходов, используемая в архитектуре POWER, является уникальным свойством по сравнению с другими RISC-процессорами.