Основні елементи архітектури високопродуктивних обчислювальних систем

Конвеєри

Ідея конвеєра полягає в тому, щоб складну операцію розбити на кілька більш простих, таких, які можуть виконуватися одночасно. Операція підсумовування, наприклад, включає віднімання порядків, вирівнювання порядків, складання мантис і нормалізацію. Кожна з підоперацій може виконуватися на окремому блоці апаратури. При русі об'єктів по конвеєру одночасно на різних його ділянках (сегментах) виконуються різні підоперації, що дає збільшення продуктивності за рахунок використання паралелізму на рівні команд. При досягненні об'єктом кінця конвеєра він виявиться повністю обробленим. Конвеєри застосовуються як при обробці команд (конвеєри команд), так і в арифметичних операціях (конвеєри даних). Оскільки використання конвеєрної обробки ускладнює конструкцію процесора, ефективним конвеєр даних може бути при виконанні векторних операцій. Операція над одним елементом даних в конвеєрі буде виконуватися довше, ніж у звичайному АЛП.

Для ефективної реалізації конвеєра повинні виконуватися наступні умови:

• система виконує повторювану операцію;

• операція може бути розділена на незалежні частини;

• трудомісткість підоперацій приблизно однакова.

Мал.1.9. Конвеєр команд

RISC-процесори

В основі RISC-архітектури (RISC - Reduced Instruction Set Computer) процесора лежить ідея збільшення швидкості його роботи за рахунок спрощення набору команд. Протилежну тенденцію представляють CISC-архітектури, процесори зі складним набором команд (CISC - Complete Instruction Set Computer). Основоположником архітектури CISC є компанія IBM, а в даний час лідером у даній області є Intel (процесори Pentium). Ідеї ​​RISC-архітектури використовувалися ще в комп'ютерах CDC6600 (розробники - Крей, Торнтон та ін.). Обидва варіанти відносяться до протилежних кордонів семантичного розриву - зростаючого розриву між програмуванням на мовах високого рівня і програмуванням на рівні машинних команд. В рамках CISC-підходу набір команд включає команди, близькі до операторів мови високого рівня. В рамках RISC-підходу набір команд спрощується і оптимізується під реальні потреби користувача програм.

Дослідження показали, що 33% команд типової програми складають пересилання даних, 20% - умовні розгалуження і ще 16% - арифметичні і логічні операції. У переважній більшості команд обчислення адреси може бути виконано швидко, за один цикл. Більш складні режими адресації використовуються приблизно в 18% випадків. Близько 75% операндів є скалярними, т. Е. Змінними цілого, речового, символьного типу і т. Д., А інші є масивами і структурами. 80% скалярних змінних - локальні, а 90% структурних є глобальними. Таким чином, більшість операндів - це локальні операнди скалярних типів. Вони можуть зберігатися в регістрах.

Згідно зі статистикою, більша частина часу витрачається на обробку операторів CALL (виклик підпрограми) і RETURN (повернення з підпрограми). При компіляції ці оператори породжують довгі послідовності машинних команд з великим числом звернень до пам'яті, тому навіть якщо частка цих операторів становить всього 15%, вони споживають основну частину процесорного часу. Тільки близько 1% підпрограм мають більше шести параметрів, а близько 7% підпрограм містять більше шести локальних змінних.

У результаті вивчення цієї статистики був зроблений висновок про те, що в типовій програмі домінують прості операції: арифметичні, логічні та пересилання даних. Домінують і прості режими адресації. Велика частина операндів - це скалярні локальні змінні. Одним з найважливіших ресурсів підвищення продуктивності є оптимізація операторів CALL і RETURN.

Аналіз коду програм, що генерується компіляторами мов високого рівня, показав, що найчастіше використовується тільки обмежений набір простих команд форматів "регістр, регістр → регістр" і "регістр ↔ пам'ять". Компілятори не в змозі ефективно використовувати складні команди. Це спостереження сприяло формуванню концепції процесорів з скороченим набором команд, так званих RISC-процесорів (RISC - ReducedInstructionSetComputer).

Дейв Паттерсон і Карло Секуін сформулювали 4 основних принципи побудови RISC-процесорів:

1. Будь-яка операція повинна виконуватися за один такт, незалежно від її типу.

2. Система команд повинна містити мінімальну кількість найбільш часто використовуваних найпростіших інструкцій однакової довжини.

3. Операції обробки даних реалізуються тільки у форматі "регістр - регістр" (операнди вибираються з оперативних регістрів процесора, і результат операції записується також у регістр, а обмін між оперативними регістрами й пам'яттю виконується тільки за допомогою команд завантаження / запису).

4. Склад системи команд повинен бути "зручний" для компіляції операторів мов високого рівня.

Таким чином, RISC-процесори комп'ютерів з скороченим набором команд мають команди обробки типу "регістр ← регістр, регістр" і команди збереження (store) і завантаження (load) типу "пам'ять ← регістр" і "регістр ← пам'ять" відповідно. Функціональні перетворення можуть виконуватися тільки над вмістом регістрів, а результат поміщається тільки в регістр.

Мал.1.10. Порівняння CISC і RISC процесорів