4. Типы вычислительных ядер. Эксплуатационная и проектная гибкость (продолжение)

График отображает вар-ты использования выч. ядер разл. типов проектировщиками при создании ВС. На графике отображены 2 самые важные хар-ки: произв-ть и гибкость исп-ния при ф-ционировании (Reuse, означает след.: может ли выч. ядро адаптироваться к реш. разл. задач).

С т. зр. потребителя ВС должна отвечать хар-кам:

1. Выс. быстродействие, т.е. эффективное выполнение пользовательских задач

2. Низкое энергопотребление, обусловленное исп-нием в портативных у-вах, к-рые раб. от автономных источников питания (low power)

3. Надёжность: польз-ль д. б. убеждён в правильности ф-ционирования системы (Reliability)

4. Эксплуатационная гибкость подразумевает оперативное изменение и дополнение ф-цион. возможностей цифрового у-ва с участием польз-лей.

5. Большая степень интеграции. Этот параметр опр. не только число транзисторов на ед-цу площади кристалла, но также отражает важные хар-ки цифрового у-ва и косвенно его физические габариты

6. Приемлемая стоимость: хар-ризует эффективность продажи конкр. Системы на потребительском рынке.

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ ВЫЧ. ЯДЕР

1. Уменьшение технологических норм

2. Повышение сист. частоты (осущ. при низких температурах)

3. Встраивание памяти + Processor in Memory

4. Многоядерность, многопроцессорность

5. Реализация аппаратных ускорителей

6. Оптимизация исполняемого кода

7. Правильный выбор архитектуры

8. Использование реконфигурируемой аппаратуры

5. Принципы Фон Неймана. Достоинства и недостатки

C – Control

CC – Central Control

CA – Central Arithmetic

M—Memory

I – Input

O – Output

R – Recoding Media

Ext. – External Device (Human)

1. Все данные и управление в этой системе нач. с I и O представлены в двоичной системе {0,1}. Данные и сигналы управления поступают из носителя инф-ции R через блок ввода инф-ции I непосредственно в пам. Записывает данные внеш. у-во/человек на блок R. Инф-ция посредством блока I преобр-ся в цифровой вид и запис. в M, которое служит для хр. первоначальных данных и управления.

2. Блок C, сост. из CC и CA, начинает последовательное извлечение управляющих сигналов из блока M для согласования работы блоков CC и CA. Как только некая инф-ция из управл. сигналов получена, выбираются нач. данные и передаются на арифм. блок. Как только данные обработаны на арифм. блоке, рез-т записывается обратно в память. Далее процесс повт-ся.

3. Рез-т конечного вычисления также помещается в память, о чём система сигнализирует посредством и-фейса. После этого рез-т через блок O появл. в блоке R.

СОВРЕМЕННАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ПРИНЦИПОВ ФОН НЕЙМАНА ПРИ ПОСТРОЕНИИ ВЫЧ. У-В

PC – Program Counter

IR – Instruction Register

ID – Instruction Decoder

Назначение блоков:

Control Unit:

• Счётчик команд PC – спец. регистр, указывающий на инструкцию в блоке пам., к-рая д. б. извлечена блоком управления

• Регистр инструкций IR – тот регистр, куда помещается и хр-ся выбр. инструкция из блока пам.

• Декодер инструкций ID – цифровой блок, к-рый распознаёт тип выбранной инструкции

ЦИКЛ ФОН НЕЙМАНА

Ф-ционирование всего выч. ядра следует рассм. в нек-рых временных рамках. В нач. момент времени ядро нах. в инициирующем состоянии (Init, PC=0).

Для реализации вычислителя Фон Неймана память Memory д. б. с произвольным доступом (RAM). Память имеет набор инструкций, расположенный в линейном участке пам.

1. У-во управления выбирает из памяти инструкцию с адресом, указанным в рег. [PC], и помещает это выбранное значение в регистр инструкций IR (Fetch, «Выборка»).

2. Знач. регистра инструкций IR «перенаправляется» в блок декодирования инструкций ID (Decode, «Декодирование»). На этом этапе у-во управления распознаёт тип исполняемой инструкции. Здесь же PC++.

3. 5. Принципы Фон Неймана. Достоинства и недостатки (продолжение). Когда инструкция распознана, все арг-ты известны, её необх. выполнить. Из ID инструкция передаётся в ALU (Execute, «Выполнение»). Как только ALU сработает, т.е. на его вых. появится рез-т 

4. ALU  Mem (Data), рез-т записывается в пам. (Write, «Запись»).

5. Goto 1

Инструкция останова (HALT, STOP, EXIT и т.п.): на 2-м шаге распознаём, что инструкция явл. инструкцией останова и:

1 вар-т) На 3-м шаге запис. 0 в PC.

2 вар-т) Вместо инструкции HALT у-во управления идёт в сост-е, в к-ром оно ничего не делает (конечное сост-е, из к-рого нет выхода).

Достоинства:

- вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов (двоичных цифр, битов) и разделяется на единицы, называемые словами.

- программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

- структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

- программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

- неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.

Недостатки:

1. Цикл Фон Неймана – один машинный такт. Он состоит из врем. интервалов, к-рые опр. продолжительность каждого этапа.

2. 1й и 4й шаги явл. самыми продолжительными, т.к. происходит обращение к внеш. памяти.

3. В чистой архитектуре фон Неймана процессор одномоментно может либо читать инструкцию, либо читать/записывать единицу данных из/в памяти. То и другое не может происходить одновременно, поскольку инструкции и данные используют одну и ту же системную шину.