ІНФОРМАТИКА ТА ПРОГР ...

Архитектура компьютера - это абстрактное представление внутренней структуры компьютера, включающее также описание его основных компонентов и их взаимодействие. К архитектуре компьютера относятся те атрибуты компьютера, которые видны и могут использоваться программистом. Это комплексное понятие включает в себя:

• структуру ПК;
• программно-доступные регистры;
• способы представления и форматы данных ПК;
• набор и форматы логических команд;
• организацию и способы адресации информации;
• организацию интерфейсов прерывания.

Существуют общие и индивидуальные свойства архитектуры.

Класcификация Флинна

Одной из наиболее известных схем классификации компьютерных архитектур является таксономия Флинна, предложенная в 1972 г. В ее основу положено описание работы компьютера с потоками команд и данных:

1. SISD
2. SIMD
3. MISD
4. MIMD

К наиболее общему принципу классификации ЭВМ и систем по типам архитектуры следует отнести разбиение их на однопроцессорные и многопроцессорные архитектуры (рис.1).

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.Флинна 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.

Рис.1. Общая классификация компьютерных систем

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 выполнением их за несколько тактов;
• 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 компьютеров типа IBM PC относятся к CISC архитектуре, например, компьютеры с микропроцессорами 8086, 80386, 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 набором команд;
• тем, что в наборе 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 имеют 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–архитектура суперскалярной обработки. Этот второй способ реализации суперскалярной обработки заключается в перестройке всего процесса трансляции и исполнения программ. 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 компилятор может сгруппировать в один пакет 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. Флинна выделена специальная группа однопроцессорных систем с параллельной обработкой потоков данных – SIMD.

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 (ПЭ).

Управляющий модуль принимает, анализирует и выполняет команды. Если в команде встречаются данные, контроллер рассылает на все процессорные элементы команду, которая 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 времени в каждом ПЭ выполняется одна и та же команда, но обрабатываются различные данные. Реализуется синхронный параллельный вычислительный процесс.

Одним из преимуществ данной архитектуры считается более эффективная реализация логики вычислений. До половины логических инструкций обычного процессора связано с управлением выполнения 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.

Суть матричной архитектуры 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 прошлом система ILLIAC-IV.

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.

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.

MISD (Multiple Instruction Stream – Single Data Stream)

MISD (Multiple Instruction Stream – Single Data Stream) или МКОД – множество потоков команд и один поток данных. MISD компьютеры представляет собой, как правило, регулярную структуру в виде цепочки последовательно соединенных процессоров П1, П2, ..., ПN, образующих процессорный конвейер. В такой системе реализуется принцип конвейерной (магистральной) обработки, который основан на разбиении всего процесса на последовательно выполняемые этапы, причем каждый этап выполняется на отдельном процессоре. Одинарный поток исходных данных для решения задачи поступает на вход процессорного конвейера. Каждый процессор решает свою часть задачи, и результаты решения в качестве исходных данных передает на вход последующего процессора. К каждому процессору подводится свой поток команд, т.е. наблюдается множественный поток команд ПК1, ПК2, ..., ПКN.

Вычислительных машин такого класса практически нет и трудно привести пример их успешной реализации. Один из немногих – систолический массив процессоров, в котором процессоры находятся в узлах регулярной решетки, роль ребер которой играют межпроцессорные соединения. Все процессорные элементы управляются общим тактовым генератором. В каждом цикле работы каждый процессорный элемент получает данные от своих соседей, выполняет одну команду и передает результат соседям. В дальнейшем для MISD нашлась ещё одна адекватная организация вычислительной системы – распределенная мультипроцессорная система с общими данными. Наиболее простая и самая распространенная система этого класса – обычная локальная сеть персональных компьютеров, работающая с единой базой данных, когда много процессоров обрабатывают один поток данных. Впрочем, тут есть одна тонкость. Как только в такой сети все пользователи переключаются на обработку собственных данных, недоступных для других абонентов сети, MISD – система превращается в систему с множеством потоков команд и множеством потоков данных, соответствующую MIMD-архитектуре.

MIMD (Multiple Instruction Stream – Multiple Data Stream)

MIMD (Multiple Instruction Stream – Multiple Data Stream) или МКМД – множество потоков команд и множество потоков данных. Эта категория архитектур вычислительных машин наиболее богата, если иметь в виду примеры ее успешных реализаций. В неё попадают симметричные параллельные вычислительные системы, рабочие станции с несколькими процессорами, кластеры рабочих станций и т.д. Уже довольно давно появились компьютеры с несколькими независимыми процессорами, но вначале на таких компьютерах был реализован только параллелизм заданий, то есть на разных процессорах одновременно выполнялись разные и независимые программы. Так как только MIMD-архитектура включает все уровни параллелизма от конвейера операций до независимых заданий и программ, то любая вычислительная система этого класса в частных приложениях может выступать как SISD и SIMD-система. Например, если многопроцессорный комплекс выполняет одну-единственную программу без каких-либо признаков векторного параллелизма данных, то в этом конкретном случае он функционирует как обычный SISD-компьютер, и весь его потенциал остается невостребованным. Таким образом, употребляя термин «MIMD», надо иметь в виду не только много процессоров, но и множество вычислительных процессов, одновременно выполняемых в системе. MIMD-системы по способу взаимодействия процессоров делятся на системы с сильной и слабой связью.

Сильно-связанные вычислительные системы или многопроцессорные вычислительные системы (МПВС) основаны на объединении процессоров на общем поле оперативной памяти. Это поле называется разделяемой памятью (Shared Memory). Управление обеспечивается одной общей операционной системой. При этом достигаются более быстрый обмен информацией между процессорами, чем между ЭВМ в многомашинных вычислительных системах (комплексах), и более высокая суммарная производительность системы. Иногда их называют «истинными» мультипроцессорами. В таких системах, как правило, число параллельных процессов невелико и управляет ими централизованная операционная система. Процессы обмениваются информацией через общую оперативную память. При этом возникают задержки из-за межпроцессорных конфликтов. При создании больших мультипроцессорных ЭВМ (мэйнфреймов, суперЭВМ) предпринимаются огромные усилия по увеличению пропускной способности оперативной памяти. В результате аппаратные затраты возрастают чуть ли не в квадратичной зависимости, а производительность системы упорно «не желает» увеличиваться пропорционально числу процессоров. Так, сложнейшие средства снижения межпроцессорных конфликтов в оперативной памяти суперкомпьютеров серии CRAY XMP/ Y-MP позволяют получить коэффициент ускорения не более 3,5 для четырехпроцессорной конфигурации системы. По топологии межмодульных функциональных и управляющих связей и организации работы выделяются два типа многопроцессорных систем МКМД:

Многопроцессорные вычислительные системы с общей шиной. В МПВС с общей шиной (Shared Memory Proccessing – мультипроцессоры с разделением памяти, SMP-архитектура) все функциональные модули (процессоры П1, П2, ..., ПМ, модули памяти МП1, МП2, .... МПК, устройства ввода-вывода УВВ1, УВВ2, .... УВВМ) подсоединены к одной общей шине межмодульных связей, ширина которой может быть от одного бита до нескольких байтов. Между модулями системы нет постоянных связей, информация между ними передается в режиме разделения времени. В каждый данный момент времени по шине передается лишь один пакет информации от какого-то одного источника. Другие источники информации должны ожидать, пока не освободится системная шина. Основные преимущества системы с общей шиной межмодульных связей:

• система характеризуется относительно низкой функциональной сложностью и невысокой стоимостью;
• в системе легко осуществляется реконфигурация структуры путем добавления или удаления функциональных модулей.

Недостатки таких систем:

• ограничение производительности системы пропускной способностью общей шины;
• ухудшение общей производительности системы при ее расширении путем добавления модулей;
• потери производительности системы, связанные с разрешением конфликтов, которые возникают в случае, когда несколько модулей одновременно претендуют на занятие общей шины для передачи информации. Эти потери можно снизить, если, кроме общей памяти, доступной всем процессорам, каждый из них снабдить местной (локальной, процессорной) памятью для хранения информации, участвующей в ближайшем ряду вычислений. При наличии местной памяти частота обращения процессоров к общей памяти уменьшается, следовательно, уменьшается частота возникновения конфликтов и потери времени на их разрешение;
• отказ общей шины приводит к выходу из строя всей системы.

Организация связей между элементами системы на основе общей шины является одним из распространенных способов построения не только многопроцессорных, но и многомашинных вычислительных комплексов небольшой мощности.

Архитектура SMP стала своего рода стандартом для всех современных многопроцессорных серверов (например, НР9000 и DEC Alpha Server AXP).

Многопроцессорные вычислительные системы с многовходовыми модулями памяти. В МПВС с многовходовыми модулями ОП или симметричных МПВС взаимные соединения выполняются с помощью индивидуальных шин, подключающих каждый процессор и каждое устройство ввода-вывода к отдельному входу оперативной памяти. Для этого необходимо, чтобы модули ОП имели по несколько входов и снабжались управляющими схемами для разрешения конфликтов в случаях, когда два или более процессора или устройства ввода-вывода требуют доступа к одному и тому же модулю памяти в пределах одного временного цикла. Число подключаемых элементов системы к одному модулю памяти ограничивается числом его входов. При построении общего поля ОП МПВС целесообразной оказывается реализация метода расслоения оперативной памяти, при которой ячейки с соседними адресами оказываются расположенными в соседних модулях. Обязательными условиями применения этого метода являются модульность структуры ОП и наличие для каждого модуля памяти автономного блока управления памятью. Преимущества МПВС с многовходовыми модулями ОП:

• скорость передачи информации значительно выше, чем в МПВС с общей шиной;
• система может работать и в режиме однопроцессорной конфигурации.

• большое число линий связи и разъемов, усложняющих конструкцию системы и снижающих ее надежность;
• оперативная память, составленная из многовходовых модулей, является дорогостоящей.

Принципы построения МПВС с многовходовыми модулями ОП используются в мэйнфреймах.

В системах типа МКМД реализуется асинхронный вычислительный процесс, при котором каждый процессор системы выполняет свою программу (или свой участок сложной программы) с собственными данными. В таких системах происходит постоянное распараллеливание вычислений. Две основных причины создания этого типа ВС – дублирование важных блоков вычислений или модулей ВС и повышение производительности систем.