Архитектура аппаратных средств

Наиболее обобщенный способ классификации архитектур аппаратных средств компьютера базируется на понятиях потока команд L и потока данных D в вычислительной структуре. При этом различают одинарный поток S и множественный поток М Соответственно этому подходу можно определить четыре класса структур аппаратных средств ЭВМ.

SISD - архитектура с одинарным потоком команд и одинарным потоком данных. Управления осуществляет одинарная последовательность команд, любая из которых обеспечивает выполнения одной операции со своими данными и дальше передает управления следующей команде. В компьютерах этого типа команды выполняются только последовательно во времени на одном процессорном элементе.

MISD - архитектура с множественным потоком команд и одинарным потоком данных, которая получила также название конвейера обработки данных. Она составляет цепочку последовательно соединенных процессоров (микропроцессоров), которые управляются параллельным потоком команд. На вход конвейера из памяти подается одинарный поток данных, которые проходят последовательно через все процессоры, любой из которых делает обработку данных под управлением своего потока команд и передает результаты следующему по цепочке процессору, который использует их как входные данные. Конвейерную архитектуру предложил академик С.А. Лебедев в 1956 году.

SIMD - архитектура ЭВМ с одинарным потоком команд и множественным потоком данных. Процессор таких машин имеет матричную структуру, в узлах которой включенное большое количество сравнительно простых быстродействующих процессорных элементов, которые могут иметь собственную или общую память данных. Одинарный поток команд вырабатывает одно общее устройство управления. При этом все процессорные элементы выполняют одновременно одну и ту же команду, но над разными операндами, которые доставляются из памяти множественным потоком.

MIMD - архитектура с множественными потоками команд и данных. К таким структурам относятся многопроцессорные и многомашинные вычислительные системы. Они могут отличаться принципом управления (централизованное или распределенное), организацией памяти (общей, распределенная или комбинированная) и структурой связей между компьютерами или процессорами. Гибкость MIMD структур разрешает организовать совместную работу компьютеров, которые входят в них, или процессоров за распараллеленной программой при решении одной сложной задачи, или раздельную работу всех компьютеров при одновременном решении великого множества задач с помощью независимых программ. Низшее приводится более подробное описание некоторых более всего распространенных структур компьютеров.

Архитектура фон Неймана.

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.

1. Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды.

А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.

Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которыезаносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды "стоп".

Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции - перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Первыми 5 компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, были:

«Манчестерский Марк I». Прототип («Манчестерское дитя») Университет Манчестера (англ. TheUniversityofManchester) Великобритания, 21 июня 1948 года;

«EDSAC». Кембриджский университет (англ. TheCambridgeUniversity). Великобритания, 6 мая 1949 года;

«BINAC». США, апрель или август 1949 года;

«CSIR Mk 1». Австралия, ноябрь 1949 года;

«SEAC». США, 9 мая 1950 года.

Гарвардская архитектура.

Гарвардская архитектура была разработана ГовардомЭйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете с целью увеличить скорость выполнения вычислительных операций и оптимизировать работу памяти.

Классическая гарвардская архитектура

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена Марк I для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие.

Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток — высокую стоимость. При разделении каналов передачи адреса и данных на кристалле процессора последний должен иметь в два раза больше выводов. Способом решения этой проблемы стала идея использовать общую шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой.

Именно такой подход применяется в современных сигнальных процессорах. Еще дальше по пути удешевления стоимости пошли при создании однокристалльных ЭВМ — микроконтроллеров. В них одна шина адреса и данных применяется и внутри кристалла. В этих микросхемах более важным параметром является не быстродействие, а надежность работы устройства. Надежность достигается невозможностью случайного стирания программы в процессе ее выполнения.

Первым компьютером, в котором была использована идея гарвардской архитектуры, был Марк I. Гарвардская архитектура используется в ПЛК и микроконтроллерах, таких, как Atmel AVR, Intel 4004, Intel 8051.

Архитектура процессоров - CISC.

CISC (англ. ComplexInstructionSetComputing) — концепция проектирования процессоров, которая характеризуется следующим набором свойств:

Нефиксированным значением длины команды.

Арифметические действия, кодируется в одной инструкции.

Небольшим числом регистров, каждый из которых выполняет строго определённую функцию.

Типичными представителями являются процессоры на основе x86 команд (исключая современные IntelPentium 4, Pentium D, Core, AMD Athlon, Phenom, которые являются гибридными) и процессоры Motorola MC680x0

Наиболее распространённая архитектура современных настольных, серверных и мобильных процессоров построена по архитектуре Intel x86 (или х86-64 в случае 64-разрядных процессоров). Формально, все х86-процессоры являлись CISC-процессорами, однако новые процессоры, начиная с Intel486DX, являются CISC-процессорами с RISC-ядром. Они непосредственно перед исполнением преобразуют CISC-инструкции процессоров x86 в более простой набор внутренних инструкций RISC.

В микропроцессор встраивается аппаратный транслятор, превращающий команды x86 в команды внутреннего RISC-процессора. При этом одна команда x86 может порождать несколько RISC-команд(в случае процессоров типа P6 —— до 4-х RISC команд в большинстве случаев). Исполнение команд происходит на суперскалярном конвейере одновременно по несколько штук.

Это потребовалось для увеличения скорости обработки CISC-команд, так как известно, что любой CISC-процессор уступает RISC-процессорам по количеству выполняемых операций в секунду. В итоге, такой подход и позволил поднять производительность CPU

Архитектура процессоров - RISC.

RISC (англ. ReducedInstructionSetComputing) — вычисления с сокращённым набором команд. Характерные особенности RISC-процессоров:

Фиксированная длина машинных инструкций (например, 32 бита) и простой формат команды.

Специализированные команды для операций с памятью — чтения или записи. Операции вида «прочитать-изменить-записать» отсутствуют. Любые операции "изменить" выполняются только над содержимым регистров (т.н. load-and-store архитектура).

Большое количество регистров общего назначения (32 и более).

Отсутствие поддержки операций вида "изменить" над укороченными типами данных - байт, 16битное слово. Так, например, система команд DEC Alpha содержала только операции над 64битными словами, и требовала разработки и последующего вызова процедур для выполнения операций над байтами, 16- и 32-битными словами.

Отсутствие микропрограмм внутри самого процессора. То, что в CISC процессоре исполняется микропрограммами, в RISC процессоре исполняется как обыкновенный (хотя и помещенный в специальное хранилище) машинный код, не отличающийся принципиально от кода ядра ОС и приложений.

Это концепция проектирования процессоров, которая во главу ставит следующий принцип: более компактные и простые инструкции выполняются быстрее. Простая архитектура позволяет удешевить процессор, поднять тактовую частоту, а также распараллелить исполнение команд между несколькими блоками исполнения (т.н. суперскалярные архитектуры процессоров). Многие ранние RISC-процессоры даже не имели команд умножения и деления. Идея создания RISC процессоров пришла после того, как в 1970-х годах ученые из IBM обнаружили, что многие из функциональных особенностей традиционных ЦПУ игнорировались программистами. Отчасти это был побочный эффект сложности компиляторов. В то время компиляторы могли использовать лишь часть из набора команд процессора. Следующее открытие заключалось в том, что, поскольку некоторые сложные операции использовались редко, они как правило были медленнее, чем те же действия, выполняемые набором простых команд. Это происходило из-за того, что создатели процессоров тратили гораздо меньше времени на улучшение сложных команд, чем на улучшение простых.

Первые RISC-процессоры были разработаны в начале 1980-х годов в Стэнфордском и Калифорнийском университетах США. Они выполняли небольшой (50 - 100) набор команд, тогда как обычные CISC (ComplexInstructionSetcomputer) выполняли 100 - 200.

4. Многозвенные информационные системы. Цели, задачи и функции двух- и трехзвенных информационных систем. Распределение задач системы по звеньям. «Толстый» и «тонкий» клиенты. Сервера приложений.