Однопроцессорные архитектуры ЭВМ

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. По мере развития вычислительной техники архитектура фон Неймана обогатилась сначала конвейером команд, а затем многофункциональной обработкой и по классификации М.Флина получила обобщенное название SISD (Single Instruction Single Data — один поток команд, один поток данных). Основная масса современных ЭВМ функционирует в соответствии с принципом фон Неймана и имеет архитектуру класса SISD.

Данная архитектура породила CISC, MSC и архитектуру с суперскалярной обработкой (рис. 1.1).

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».

Рис. 1.1. Классификация архитектуры SISD

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 многотактностыо 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 (МП) 8080, 80486, 80586 (товарная марка Pentium).

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.

В настоящее время практически все ведущие производители компьютеров прилагают большие усилия для производства RISC-процессоров (см. табл. 1.1).

Таблица 1.1

Название фирм и разработанных ими RISC-процессоров

Фирма	RISC-процессор
Sun Microsystems	Ultra SPARC II
Ultra SPARC III
DEC	Alpha 21164
HP	PA-7150, PA-8000
SGI	MIPS R-10000
IBM	PPC-601, PPC-604
Motorola	88000

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. Первый способ 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.

В табл. 1.2 для различных типов процессоров приведено максимальное и среднее число команд, выполняемых в одном машинном цикле.

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.

Таблица 1.2

Максимальное и среднее число команд, выполняемых в одном машинном цикле

Процессор	Тактовая частота, Мгц	Число транзисторов, млн.	Максимальное число команд на цикл	Среднее число команд на цикл
Digital Alpha	500	9,3	4	1,0
Power PC 620	200	6,9	4	1,8
Power PC 604с	225	5,1	4	1,5
Ultra SPARC	250	3,8	4	1,36
HP PA-8000	180	3,9	4	2,4
HPPA-7300LC	160	9,2	2	1,35
Mips R10000	200	5,9	4	1,78
Mips R 5000	180	3,6	2	0,89
i486	25	1,2	-	0,45
Pentium Pro	200	5,5	3	1,76

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 одинарным 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 классификации компьютерных архитектур М. Флина выделена специальная группа однопроцессорных систем с параллельной обработкой потоков данных - SIMD (Single Instruction Multiple Date, один поток команд - множество потоков данных).

Возможны два способа построения компьютеров этого класса. Это матричная структура и векторно-конвейерная обработка. Суть матричной структуры заключается в том, что имеется множество процессорных элементов, исполняющих одну и ту же команду над различными элементами вектора, объединенных коммутатором. Основная проблема заключается в программировании обмена данными между процессорными элементами через коммутатор.

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.

Примером векторных супер-ЭВМ с матричной структурой является знаменитая в свое время система ILLIAC-IV.

Векторно-конвейерную структуру имеют однопроцессорные супер-ЭВМ серии VP фирмы Fujitsu; серии S компании Hitachi; C90, М90, Т90 фирмы Cray Research; Cray-3, Cray-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.

Еще одним примером SIMD-архитектуры является технология ММХ, которая существенно улучшила архитектуру микропроцессоров фирмы Intel. Она разработана для ускорения выполнения мультимедийных и коммуникационных программ. В ММХ используются 4 новых типа данных и 57 новых инструкций. Команды ММХ выполняют одну и ту же функцию с различными частями данных, например, 8 байт графических данных передаются в процессор как одно упакованное 64-х разрядное число и обрабатываются одной командой. ММХ - команды используют восемь 64-разрядных регистров, «физически» размещенных в мантиссах регистров с плавающей запятой, и используются в том же режиме процессора, что и команды с плавающей запятой.

Все программное обеспечение, созданное для ранее выпущенных процессоров, без всяких изменений может выполняться на процессорах с технологией ММХ.

Содержание раздела