1. Развитие и классификация однопроцессорных архитектур компьютеров.
Комментарий: Сначала появилась архитектура фон Неймана, затем она была доработана конвейером команд (появилась конвейерная обработка команд ), а после этого была добавлена многофункциональная обработка. После того, как была введена многофункциональная обработка, по классификации Флина, такая система стала соответствовать SISD архитектуре (один поток данных).
Параллелизм циклов и итераций тесно связан с множественности потоков данных, реализуемой векторной обработкой, поэтому Флин выделил из векторной обработки данных, специальную группу систем с параллельной обработкой данных – SIMD.
Ведущие поставщики микропроцессоров ищут пути повышения производительности и снижения энергопотребления за счет использования многоядерных структур процессоров и многопотоковой обработки команд.
2.Конвейерная обработка команд
ЗР
ОП
ДК
ВК
Каждый этап в процессоре выполняется за один такт. При последовательной обработке команд (см. рис. 1.3), выполнение следующей (n + 1) команды начинается только после завершения предыдущей (n) команды. Это приводит к низкой производительности и простоям аппаратуры процессора.
Для улучшения этих характеристик используется параллельное выполнение нескольких команд. После выборки n команды во 2-ом такте идет ее декодирование и выборка n + 1 команды. В третьем такте выполняется n-ая команда, декодируется n + 2 и осуществляется выборка n + 3 команды и т. д. Данный механизм называется конвейерной обработкой (конвейером команд). Это существенно увеличивают пропускную способность процессора.
Приостанов работы конвейера вызывает любая команда условного перехода в программе или использование следующей командой результатов предыдущей команды.
В реальных процессорах конвейер обработки команд сложнее и включает большее количество ступеней. Причина увеличения длины конвейера заключается в том, что многие команды являются сложными и не могут быть выполнены за один такт процессора. Поэтому каждая из четырех стадий обработки команд может состоять из нескольких ступеней конвейера. Чем больше длина конвейера, тем большую частоту можно использовать в процессоре.
Рис. 1.3. Ппоследовательное и конвейерное выполнение команд
Для обеспечения непрерывности вычислительного процесса в структуре ЦП используется блок прогнозирования переходов и устройство выполнения переходов.
3. Cуперскалярная обработка команд.
4. Классификация архитектуры sisd
Архитектура SISD породила целый ряд архитектур: CISC, RISC, VLIW и EPIC-концепцию.
CISC:
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».
RISC:
Компьютеры с RISC (Reduced Instruction Set Computer) архитектурой содержат набор простых, часто употребляемых в программах команд. Основными являются операции типа «регистр – регистр».
VLIW:
VLIW-архитектура связана с кардинальной перестройкой всего процесса трансляции и исполнения программ. Уже на этапе подготовки программы компилятор группирует несвязанные операции в пакеты, содержимое которых строго соответствует структуре процессора. 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 Long Instruction Word – очень длинное командное слово).
EPIC:
Концепция EPIC (Explicity Parallel Instruction Computing – вычисления с явным параллелизмом команд, где «явным» означает явно указанным при трансляции) разработана совместно фирмами Intel и Hewlett Packard и имеет ту же значимость, что и CISC- и RISC-архитектуры.