Исследование архитектуры современных микропроцессоров и вычислительных систем

1) возможность фиксировать неправильно выполненные команды или даже восполнять недостатки аппаратного обеспечения;

2) возможность добавлять новые команды при минимальных затратах, даже после покупки компьютера;

3) структурированная организация, которая позволяла разрабатывать, проверять и документировать сложные команды.

В 70-е годы компьютерный рынок быстро разрастался, новые компьютеры могли выполнять все больше и больше функций. Спрос на дешевые компьютеры провоцировал создание компьютеров с использованием интерпретаторов. Возможность разрабатывать аппаратное обеспечение и интерпретатор для определенного набора команд вылилась в создание дешевых процессоров. Полупроводниковые технологии быстро развивались, преимущества низкой стоимости преобладали над возможностями более высокой производительности, и использование интерпретаторов при разработке компьютеров стало широко применимо. Интерпретация использовалась практически во всех компьютерах, выпущенных в 70-е годы, от миникомпьютеров до самых больших машин.

К концу 70-х годов интерпретаторы стали применяться практически во всех моделях, кроме самых дорогостоящих машин с очень высокой производительностью (например, Сгау-1 и компьютеров серии Control Data Cyber). Использование интерпретаторов исключало высокую стоимость сложных команд, и разработчики могли вводить все более и более сложные команды, в особенности различные способы определения используемых операндов.

Эта тенденция достигла пика своего развития в разработке компьютера VAX (производитель Digital Equipment Corporation), у которого было несколько сотен команд и более 200 способов определения операндов в каждой команде. К несчастью, архитектура VAX с самого начала разрабатывалась с использованием интерпретатора, а производительности уделялось мало внимания. Это привело к появлению большого количества команд второстепенного значения, которые трудно было выполнять сразу без интерпретации. Данное упущение стало фатальным как для VAX, так и для его производителя (компании DEC). Compaq купил DEC в 1998 году.

Хотя самые первые 8-битные микропроцессоры были очень простыми и содержали небольшой набор команд, к концу 70-х годов даже они стали разрабатываться с использованием интерпретаторов. В этот период основной проблемой для разработчиков стала возрастающая сложность микропроцессоров. Главное преимущество интерпретации заключалось в том, что можно было разработать простой процессор, а вся сложность сводилась к созданию интерпретатора. Таким образом, разработка сложного аппаратного обеспечения замещалась разработкой сложного программного обеспечения.

Успех Motorola 68000 с большим набором интерпретируемых команд и одновременный провал Zilog Z8000, у которого был столь же обширный набор команд, но не было интерпретатора, продемонстрировали все преимущества использования интерпретаторов при разработке новых машин. Успех Motorola 68000 был несколько неожиданным, учитывая, что Z80 (предшественник Zilog Z8000) пользовался большей популярностью, чем Motorola 6800 (предшественник Motorola 68000). Конечно, важную роль здесь играли и другие факторы, например то, что Motorola много лет занималась производством микросхем, a Exxon (владелец Zilog) долгое время был нефтяной компанией.

Еще один фактор в пользу интерпретации -- существование быстрых постоянных запоминающих устройств (так называемых командных ПЗУ) для хранения интерпретаторов. Предположим, что для выполнения обычной интерпретируемой команды Motorola 68000 интерпретатору нужно выполнить 10 команд, которые называются микрокомандами, по 100 не каждая, и произвести 2 обращения к оперативной памяти по 500 не каждое. Общее время выполнения команды составит следовательно, 2000 не, всего лишь в два раза больше, чем в лучшем случае могло бы занять непосредственное выполнение этой команды без интерпретации. А если бы не было специального быстродействующего постоянного запоминающего устройства, выполнение этой команды заняло бы целых 6000 не. Таким образом, важность наличия командных ПЗУ очевидна.

2.4 RISC и CISC

В конце 70-х годов проводилось много экспериментов с очень сложными командами, появление которых стало возможным благодаря интерпретации. Разработчики пытались уменьшить пропасть между тем, что компьютеры способны делать и тем, что требуют языки высокого уровня. Едва ли кто-нибудь тогда думал о разработке более простых машин, так же как сейчас мало кто занимается разработкой менее мощных операционных систем, сетей, редакторов и т. д. (к несчастью).

В компании IBM группа разработчиков во главе с Джоном Коком противостояла этой тенденции; они попытались воплотить идеи Сеймура Крея, создав экспериментальный высокоэффективный мини-компьютер 801. Хотя IBM не занималась сбытом этой машины, а результаты эксперимента были опубликованы только через несколько лет, весть быстро разнеслась по свету, и другие производители тоже занялись разработкой подобных архитектур.

В 1980 году группа разработчиков в университете Беркли во главе с Дэвидом Паттерсоном и Карло Секвином начала разработку процессоров VLSI без использования интерпретации. Для обозначения этого понятия они придумали термин RISC и назвали новый процессор RISC I, вслед за которым вскоре был выпущен RISC II. Немного позже, в 1981 году, Джон Хеннеси в Стенфорде разработал и выпустил другую микросхему, которую он назвал MIPS. Эти две микросхемы развились в коммерчески важные продукты SPARC и MIPS соответственно.

Новые процессоры существенно отличались от коммерческих процессоров того времени. Поскольку они не были совместимы с существующей продукцией, разработчики вправе были включать туда новые наборы команд, которые могли бы увеличить общую производительность системы. Так как основное внимание уделялось простым командам, которые могли быстро выполняться, разработчики вскоре осознали, что ключом к высокой производительности компьютера была разработка команд, к выполнению которых можно быстро приступать. Сколько времени занимает выполнение одной команды, было не так важно, как то, сколько команд может быть начато в секунду.

В то время как разрабатывались эти простые процессоры, всеобщее внимание привлекало относительно небольшое количество команд (обычно их было около 50). Для сравнения: число команд в DEC VAX и больших IBM в то время составляло от 200 до 300. RISC -- это сокращение от Reduced Instruction Set Computer -- компьютер с сокращенным набором команд. RISC противопоставлялся CISC (Complex Instruction Set Computer -- компьютер с полным набором команд). В качестве примера CISC можно привести VAX, который доминировал в то время в научных компьютерных центрах. На сегодняшний день мало кто считает, что главное различие RISC и CISC состоит в количестве команд, но название сохраняется до сих пор.

С этого момента началась грандиозная идеологическая война между сторонниками RISC и разработчиками VAX, Intel и больших IBM. По их мнению, наилучший способ разработки компьютеров -- включение туда небольшого количества простых команд, каждая из которых выполняется за один цикл тракта данных, то есть берет два регистра, производит над ними какую-либо арифметическую или логическую операцию (например, сложения или логическое И) и помещает результат обратно в регистр. В качестве аргумента они утверждали, что даже если RISC должна выполнять 4 или 5 команд вместо одной, которую выполняет CISC, притом что команды RISC выполняются в 10 раз быстрее (поскольку они не интерпретируются), он выигрывает в скорости. Следует также отметить, что к этому времени скорость работы основной памяти приблизилась к скорости специальных управляющих постоянных запоминающих устройств, потому недостатки интерпретации были налицо, что повышало популярность компьютеров RISC.

Учитывая преимущества производительности RISC, можно было бы предположить, что такие компьютеры, как Alpha компании DEC, стали доминировать над компьютерами CISC (Pentium и т. д.) на рынке. Однако ничего подобного не произошло. Возникает вопрос: почему?

Во-первых, компьютеры RISC были несовместимы с другими моделями, а многие компании вложили миллиарды долларов в программное обеспечение для продукции Intel. Во-вторых, как ни странно, компания Intel сумела воплотить те же идеи в архитектуре CISC. Процессоры Intel, начиная с 486-го, содержат ядро RISC, которое выполняет самые простые (и обычно самые распространенные) команды за один цикл тракта данных, а по обычной технологии CISC интерпретируются более сложные команды. В результате обычные команды выполняются быстро, а более сложные и редкие -- медленно. Хотя при таком «гибридном» подходе работа происходит не так быстро, как у RISC, данная архитектура имеет ряд преимуществ, поскольку позволяет использовать старое программное обеспечение без изменений.

2.5 Принципы разработки современных компьютеров

Прошло уже более двадцати лет с тех пор, как были сконструированы первые компьютеры RISC, однако некоторые принципы разработки можно перенять, учитывая современное состояние технологий аппаратного обеспечения. Если происходит очень резкое изменение в технологиях (например, новый процесс производства делает время цикла памяти в 10 раз меньше, чем время цикла центрального процессора), меняются все условия. Поэтому разработчики всегда должны учитывать возможные технологические изменения, которые могут повлиять на баланс между компонентами компьютера.

Существует ряд принципов разработки, иногда называемых принципами RISC, которым по возможности стараются следовать производители универсальных процессоров. Из-за некоторых внешних ограничений, например требования совместимости с другими машинами, приходится время от времени идти на компромисс, но эти принципы -- цель, к которой стремится большинство разработчиков.

Все команды непосредственно выполняются аппаратным обеспечением. Все обычные команды непосредственно выполняются аппаратным обеспечением. Они не интерпретируются микрокомандами. Устранение уровня интерпретации обеспечивает высокую скорость выполнения большинства команд. В компьютерах типа CISC более сложные команды могут разбиваться на несколько частей, которые затем выполняются как последовательность микрокоманд. Эта дополнительная операция снижает скорость работы машины, но она может быть применима для редко встречающихся команд.

Компьютер должен начинать выполнение большого числа команд. В современных компьютерах используется много различных способов для увеличения производительности, главное из которых -- возможность обращаться к как можно большему количеству команд в секунду. Процессор 500-MIPS способен приступать к выполнению 500 млн команд в секунду, и при этом не имеет значения, сколько времени занимает само выполнение этих команд (MIPS -- это сокращение от Millions of Instructions Per Second -- «миллионы команд в секунду».) Этот принцип предполагает, что параллелизм может играть главную роль в улучшении производительности, поскольку приступать к большому количеству команд за короткий промежуток времени можно только в том случае, если одновременно может выполняться несколько команд.

Хотя команды некоторой программы всегда расположены в определенном порядке, компьютер может приступать к их выполнению и в другом порядке (так как необходимые ресурсы памяти могут быть заняты) и, кроме того, может заканчивать их выполнение не в том порядке, в котором они расположены в программе. Конечно, если команда 1 устанавливает регистр, а команда 2 использует этот регистр, нужно действовать с особой осторожностью, чтобы команда 2 не считывала регистр до тех пор, пока он не будет содержать нужное значение. Чтобы не допустить подобных ошибок, необходимо вводить большое количество соответствующих записей в память, но производительность все равно становится выше благодаря возможности выполнять несколько команд одновременно.

Команды должны легко декодироваться. Предел количества вызываемых команд в секунду зависит от процесса декодирования отдельных команд. Декодирование команд осуществляется для того, чтобы определить, какие ресурсы им необходимы и какие действия нужно выполнить. Полезны любые средства, которые способствуют упрощению этого процесса. Например, используются регулярные команды с фиксированной длиной и с небольшим количеством полей. Чем меньше разных форматов команд, тем лучше.

К памяти должны обращаться только команды загрузки и сохранения. Один из самых простых способов разбивания операций на отдельные шаги -- потребовать, чтобы операнды для большинства команд брались из регистров и возвращались туда же. Операция перемещения операндов из памяти в регистры может осуществляться в разных командах. Поскольку доступ к памяти занимает много времени, а подобная задержка нежелательна, работу этих команд могут выполнять другие команды, если они не делают ничего, кроме передвижения операндов между регистрами и памятью. Из этого наблюдения следует, что к памяти должны обращаться только команды загрузки и сохранения (LOAD и STORE).

Должно быть большое количество регистров. Поскольку доступ к памяти происходит довольно медленно, в компьютере должно быть много регистров (по крайней мере 32). Если слово однажды вызвано из памяти, при наличии большого числа регистров оно может содержаться в регистре до тех пор, пока будет не нужно. Возвращение слова из регистра в память и новая загрузка этого же слова в регистр нежелательны. Лучший способ избежать излишних перемещений -- наличие достаточного количества регистров.

2.6 Параллелизм на уровне команд

Разработчики компьютеров стремятся к тому, чтобы улучшить производительность машин, над которыми они работают. Один из способов заставить процессоры работать быстрее -- увеличение их скорости, однако при этом существуют некоторые технологические ограничения, связанные с конкретным историческим периодом. Поэтому большинство разработчиков для достижения лучшей производительности при данной скорости работы процессора используют параллелизм (возможность выполнять две или более операций одновременно).

Существует две основные формы параллелизма: параллелизм на уровне команд и параллелизм на уровне процессоров. В первом случае параллелизм осуществляется в пределах отдельных команд и обеспечивает выполнение большого количества команд в секунду. Во втором случае над одной задачей работают одновременно несколько процессоров. Каждый подход имеет свои преимущества.

2.6.1 Конвейеры

Уже много лет известно, что главным препятствием высокой скорости выполнения команд является их вызов из памяти. Для разрешения этой проблемы разработчики придумали средство для вызова команд из памяти заранее, чтобы ониимелись в наличии в тот момент, когда будут необходимы. Эти команды помещались в набор регистров, который назывался буфером выборки с упреждением. Таким образом, когда была нужна определенная команда, она вызывалась прямо из буфера, и не нужно было ждать, пока она считается из памяти. Эта идея использовалась еще при разработке IBM Stretch, который был сконструирован в 1959 году.

В действительности процесс выборки с упреждением подразделяет выполнение команды на два этапа: вызов и собственно выполнение. Идея конвейера еще больше продвинула эту стратегию вперед. Теперь команда подразделялась уже не на два, а на несколько этапов, каждый из которых выполнялся определенной частью аппаратного обеспечения, причем все эти части могли работать параллельно.

На рис. 2.3а изображен конвейер из 5 блоков, которые называются стадиями. Стадия С1 вызывает команду из памяти и помещает ее в буфер, где она хранится до тех пор, пока не будет нужна. Стадия С2 декодирует эту команду, определяя ее тип и тип операндов, над которыми она будет производить определенные действия. Стадия СЗ определяет местонахождение операндов и вызывает их или из регистров, или из памяти. Стадия С4 выполняет команду, обычно путем провода операндов через тракт данных. И наконец, стадия С5 записывает результат обратно в нужный регистр.

Рисунок 2.3 - Конвейер из 5 стадий (а); состояние каждой стадии в зависимости от количества пройденных циклов (б). Показано 9 циклов

На рис. 2.3, б мы видим, как действует конвейер во времени. Во время цикла 1 стадия С1 работает над командой 1, вызывая ее из памяти. Во время цикла 2 стадия С2 декодирует команду 1, в то время как стадия С1 вызывает из памяти команду 2. Во время цикла 3 стадия СЗ вызывает операнды для команды 1, стадия С2 декодирует команду 2, а стадия С1 вызывает третью команду. Во время цикла 4 стадия С4 выполняет команду 1, СЗ вызывает операнды для команды 2, С2 декодирует команду 3, а С1 вызывает команду 4. Наконец, во время пятого цикла С5 записывает результат выполнения команды 1 обратно в регистр, тогда как другие стадии работают над следующими командами.

Конвейеры позволяют найти компромисс между временем ожидания (сколько времени занимает выполнение одной команды) и пропускной способностью процессора (сколько миллионов команд в секунду выполняет процессор). Если время цикла составляет Т не, а конвейер содержит n стадий, то время ожидания составит nТ не, а пропускная способность -- 1000/Т млн команд в секунду.

2.6.2 Суперскалярные архитектуры

Один конвейер -- хорошо, а два -- еще лучше. Одна из возможных схем процессора с двойным конвейером показана на рис. 2.4. В основе разработки лежит конвейер, изображенный на рис. 2.3. Здесь общий отдел вызова команд берет из памяти сразу по две команды и помешает каждую из них в один из конвейеров. Каждый конвейер содержит АЛУ для параллельных операций. Чтобы выполняться параллельно, две команды не должны конфликтовать при использовании ресурсов (например, регистров), и ни одна из них не должна зависеть от результата выполнения другой. Как и в случае с одним конвейером, либо компилятор должен следить, чтобы не возникало неприятных ситуаций (например, когда аппаратное обеспечение выдает некорректные результаты, если команды несовместимы), либо же конфликты выявляются и устраняются прямо во время выполнения команд благодаря использованию дополнительного аппаратного обеспечения.

Сначала конвейеры (как двойные, так и одинарные) использовались только в компьютерах RISC. У 386-го и его предшественников их не было. Конвейеры в процессорах компании Intel появились только начиная с 486-й модели1.486-й процессор содержал один конвейер, a Pentium -- два конвейера из пяти стадий. Похожая схема изображена на рис. 2.4, но разделение функций между второй и третьей стадиями (они назывались декодирование 1 и декодирование 2) было немного другим. Главный конвейер (u-конвейер) мог выполнять произвольные команды. Второй конвейер (v-конвейер) мог выполнять только простые команды с целымичислами, а также одну простую команду с плавающей точкой (FXCH).

Рисунок 2.4 - Двойной конвейер из пяти стадий с общим отделом вызова команд

Имеются сложные правила определения, является ли пара команд совместимой для того, чтобы выполняться параллельно. Если команды, входящие в пару, были сложными или несовместимыми, выполнялась только одна из них (в и-конвейере). Оставшаяся вторая команда составляла затем пару со следующей командой. Команды всегда выполнялись по порядку. Таким образом, Pentium содержал особые компиляторы, которые объединяли совместимые команды в пары и могли порождать программы, выполняющиеся быстрее, чем в предыдущих версиях. Измерения показали, что программы, производящие операции с целыми числами, на компьютере Pentium выполняются почти в два раза быстрее, чем на 486-м, хотя у него такая же тактовая частота. Вне всяких сомнений, преимущество в скорости появилось благодаря второму конвейеру.

Рисунок 2.5 - Суперскалярный процессор с пятью функциональными блоками

Переход к четырем конвейерам возможен, но это потребовало бы создания громоздкого аппаратного обеспечения. Вместо этого используется другой подход. Основная идея -- один конвейер с большим количеством функциональных блоков, как показано па рис. 2.5. Pentium II, к примеру, имеет сходную структуру. В 1987 году для обозначения этого подхода был введен термин суперскалярная архитектура. Однако подобная идея нашла воплощение еще более 30 лет назад в компьютере CDC 6600. CDC 6600 вызывал команду из памяти каждые 100 не и помещал ее в один из 10 функциональных блоков для параллельного выполнения. Пока команды выполнялись, центральный процессор вызывал следующую команду.

Стадия 3 выпускает команды значительно быстрее, чем стадия 4 способна их выполнять. Если бы стадия 3 выпускала команду каждые 10 не, а все функциональные блоки выполняли бы свою работу также за 10 не, то на четвертой стадии всегда функционировал бы только один блок, что сделало бы саму идею конвейера бессмысленной. В действительности большинству функциональных блоков четвертой стадии для выполнения команды требуется значительно больше времени, чем занимает один цикл (это блоки доступа к памяти и блок выполнения операций с плавающей точкой). Как видно из рис. 2 5, на четвертой стадии может быть несколько АЛУ.

2.7 Параллелизм на уровне процессоров

Спрос на компьютеры, работающие все с более и более высокой скоростью, не прекращается. Астрономы хотят выяснить, что произошло в первую микросекунду после большого взрыва, экономисты хотят смоделировать всю мировую экономику, подростки хотят играть в 3D интерактивные игры со своими виртуальными друзьями через Интернет. Скорость работы процессоров повышается, но у них постоянно возникают проблемы с быстротой передачи информации, поскольку скорость распространения электромагнитных волн в медных проводах и света в оптико-волоконных кабелях по-прежнему остается 20 см/нс, независимо от того, насколько умны инженеры компании Intel. Кроме того, чем быстрее работает процессор, тем сильнее он нагревается, и нужно предохранять его от перегрева.

Параллелизм на уровне команд помогает в какой-то степени, но конвейеры и суперскалярная архитектура обычно увеличивают скорость работы всего лишь в 5-10 раз. Чтобы улучшить производительность в 50, 100 и более раз, нужно разрабатывать компьютеры с несколькими процессорами.

2.7.1 Векторные компьютеры

Многие задачи в физических и технических науках содержат векторы, в противном случае они имели бы очень сложную структуру. Часто одни и те же вычисления выполняются над разными наборами данных в одно и то же время. Структура этих программ позволяет повышать скорость работы благодаря параллельному выполнению команд. Существует два метода, которые используются для быстрого выполнения больших научных программ. Хотя обе схемы во многих отношениях схожи, одна из них считается расширением одного процессора, а другая -- параллельным компьютером.

Массивно-параллельный процессор (array processor) состоит из большого числа сходных процессоров, которые выполняют одну и ту же последовательность команд применительно к разным наборам данных. Первым в мире таким процессором был ILLIAC IV (Университет Иллинойса). Он изображен на рис. 2.6. Первоначально предполагалось сконструировать машину, состоящую из четырех секторов, каждый из которых содержит решетку 8x8 элементов процессор/память. Для каждого сектора имелся один блок контроля. Он рассылал команды, которые выполнялись всеми процессорами одновременно, при этом каждый процессор использовал свои собственные данные из своей собственной памяти (загрузка данных происходила во время инициализации). Из-за очень высокой стоимости был построен только один такой сектор, но он мог выполнять 50 млн операций с плавающей точкой в секунду. Если бы при создании машины использовалось четыре сектора и она могла бы выполнять 1 млрд операций с плавающей точкой в секунду, то мощность такой машины в два раза превышала бы мощность компьютеров всего мира.

Рисунок 2.6 - Массивно-параллельный процессор ILLIAC IV

Для программистов векторный процессор (vector processor) очень похож на массивно-параллельный процессор (array processor). Как и массивно-параллельный процессор, он очень эффективен при выполнении последовательности операций над парами элементов данных. Но, в отличие от первого (array processor), все операции сложения выполняются в одном блоке суммирования, который имеет конвейерную структуру. Компания Cray Research, основателем которой был Сеймур Крей, выпустила много векторных процессоров, начиная с модели Cray-1 (1974) и по сей день. Cray Research в настоящее время входит в состав SGI.

Оба типа процессоров работают с массивами данных. Оба они выполняют одни и те же команды, которые, например, попарно складывают элементы для двух векторов. Но если у массивно-параллельного процессора (array processor) есть столько же суммирующих устройств, сколько элементов в массиве, векторный процессор (vector processor) содержит векторный регистр, который состоит из набора стандартных регистров. Эти регистры последовательно загружаются из памяти при помощи одной команды. Команда сложения попарно складывает элементы двух таких векторов, загружая их из двух векторных регистров в суммирующее устройство с конвейерной структурой. В результате из суммирующего устройства выходит другой вектор, который или помещается в векторный регистр, или сразу используется в качестве операнда при выполнении другой операции с векторами.

Массивно-параллельные процессоры (array processor) выпускаются до сих пор, но занимают незначительную сферу компьютерного рынка, поскольку они эффективны при решении только таких задач, которые требуют одновременного выполнения одних и тех же вычислений над разными наборами данных. Массивно-параллельные процессоры (array processor) могут выполнять некоторые операции гораздо быстрее, чем векторные компьютеры (vector computer), но они требуют большего количества аппаратного обеспечения, и для них сложно писать программы. Векторный процессор (vector processor), с другой стороны, можно добавлять к обычному процессору. В результате те части программы, которые могут быть преобразованы в векторную форму, выполняются векторным блоком, а остальная часть программы -- обычным процессором.

2.7.2 Мультипроцессоры

Элементы массивно-параллельного процессора связаны между собой, поскольку их работу контролирует один блок управления. Система нескольких параллельных процессоров, разделяющих общую память, называется мультипроцессором. Поскольку каждый процессор может записывать или считывать информацию из любой части памяти, их работа должна согласовываться программным обеспечением, чтобы не допустить каких-либо пересечений.

Возможны разные способы воплощения этой идеи. Самый простой из них -- наличие одной шины, соединяющей несколько процессоров и одну общую память. Схема такого мультипроцессора показана на рис. 2.7а. Такие системы производят многие компании.

Нетрудно понять, что при наличии большого числа быстро работающих процессоров, которые постоянно пытаются получить доступ к памяти через одну и ту же шину, будут возникать конфликты. Чтобы разрешить эту проблему и повысить производительность компьютера, были разработаны различные модели. Одна из них изображена на рис. 2.7б. В таком компьютере каждый процессор имеет свою собственную локальную память, которая недоступна для других процессоров. Эта память используется для программ и данных, которые не нужно разделять между несколькими процессорами. При доступе к локальной памяти главная шина не используется, и, таким образом, поток информации в этой шине снижается. Возможны и другие варианты решения проблемы (например, кэш-память).

Рис. 2.7. Мультипроцессор с одной шиной и одной общей памятью (а); мультипроцессор,в котором для каждого процессора имеется собственная локальная память (б)

Мультипроцессоры имеют преимущество перед другими видами параллельных компьютеров, поскольку с единой разделенной памятью очень легко работать. Например, представим, что программа ищет раковые клетки на сделанном через микроскоп снимке ткани. Фотография в цифровом виде может храниться в общей памяти, при этом каждый процессор обследует какую-нибудь определенную область фотографии. Поскольку каждый процессор имеет доступ к общей памяти, обследование клетки, которая начинается в одной области и продолжается в другой, не представляет трудностей.

2.7.3 Мультикомпьютеры

Мультипроцессоры с небольшим числом процессоров (< 64) сконструировать довольно легко, а вот создание больших мультипроцессоров представляет некоторые трудности. Сложность заключается в том, чтобы связать все процессоры с памятью. Чтобы избежать таких проблем, многие разработчики просто отказались от идеи разделенной памяти и стали создавать системы, состоящие из большого числа взаимосвязанных компьютеров, у каждого из которых имеется своя собственная память, а общей памяти нет. Такие системы называются мультикомпьютерами.

Процессоры мультикомпьютера отправляют друг другу послания (это несколько похоже на электронную почту, но гораздо быстрее). Каждый компьютер не обязательно связывать со всеми другими, поэтому обычно в качестве топологий используются 2D, 3D, деревья и кольца. Чтобы послания могли дойти до места назначения, они должны проходить через один или несколько промежуточных компьютеров. Тем не менее время передачи занимает всего несколько микросекунд. Сейчас создаются и запускаются в работу мультикомпьютеры, содержащие около 10 000 процессоров.

Поскольку мультипроцессоры легче программировать, а мультикомпьютеры -- конструировать, появилась идея создания гибридных систем, которые сочетают в себе преимущества обоих видов машин. Такие компьютеры представляют иллюзию разделенной памяти, при этом в действительности она не конструируется и не требует особых денежных затрат.

История развития микропроцессоров в полной мере подчиняется диалектике эволюционного усовершенствования архитектуры. Начиная от машины ENIAC, содержавшей 19 тыс. ламп, производительность компьютеров росла на порядок каждые пять лет. Большое число транзисторов на современном кристалле делает возможным применить в одном микропроцессоре все известные способы повышения производительности, сообразуясь только с их совместимостью. Однако для полного использования возможностей аппаратуры уже недостаточно ограничиться только аппаратно реализованными алгоритмами управления, достаточно единообразно функционирующими во всех ситуациях. Поэтому при реализации усложненной логики управления используется программное обеспечение, для поддержки которого вводятся дополнительные команды и регистры управления микропроцессора. В свою очередь, формирование программ для потактного управления микропроцессором под силу только компилятору. Таким образом, в современных микропроцессорах возник симбиоз программных и аппаратных средств. Этот симбиоз представляет собой нечто большее, нежели эволюционный ход развития, а смену самого направления развития микропроцессоров, выражающуюся в переходе к мультитредовым и многопроцессорным архитектурам.

С позиции реализации такого симбиоза открываются следующие способы повышения производительности:

1) увеличение емкости памяти внутри кристалла;

2) увеличение количества арифметико-логических устройств;

3) введение блоков обработки мультимедийных данных, ранее использовавшихся, например, в сигнальных микропроцессорах;

4) интеграция на кристалле функций управления памятью и периферийными устройствами, для исполнения которых в традиционных микропроцессорах используются наборы микросхем («чипсеты»);

5) интеграция на кристалле интерфейсов сетевых и телекоммуникационных систем, что позволяет соединять эти микропроцессоры друг с другом и телекоммуникационными и вычислительными сетями без дополнительных адаптеров.

Современное состояние микроэлектроники характеризуется растущим разрывом между скоростью обработки данных в микропроцессорах и быстродействием внекристальной оперативной памяти. Можно уже говорить о том, что время выполнения однотактной команды микропроцессора на порядок и более меньше времени доступа к памяти вне кристалла. В таких условиях прибегают к построению многоуровневой иерархической памяти с использованием внутрикристальной кэш-памяти и применению мультитредовой архитектуры МТА, в которой задержка доступа в память в одном процессе «скрывается» за временем выполнения других процессов.

Кроме того, для уменьшения разрыва в быстродействии между процессором и памятью существует технология встроенной памяти DRAM, позволяющая в едином производственном цикле формировать на одном кристалле логические схемы и схемы динамической памяти. Следует отметить, что идея создания однокристального компьютера всегда была популярной, и сегодня проблема размещения на одном кристалле встраиваемого блока памяти EDRAM (embedded DRAM) достаточно большой емкости и микропроцессорного ядра близка к своему решению

Постоянный рост емкости кэш-памяти микропроцессора сопровождался усложнением процесса управления, что вылилось в переход от кэш-памяти со сквозной записью к кэш-памяти с буферизированной и обратной записями. При этом в микропроцессорах использовалось программное управление режимом записи кэш-строк путем установки бита, переключающего режимы сквозной и обратной записи кэш-строки. Однако в случае промаха в кэш-памяти возрастающий разрыв между временем выполнения команды и временем доступа в память привел к недопустимо большим потерям производительности. Поэтому в микропроцессоры были введены команды управления кэшированием. Например, в Pentium III появились команды нового типа, обеспечивающие: запись данных из регистров в память, минуя кэш; чтение данных из памяти в регистры, минуя кэш; запись данных из памяти выборочно в кэш первого и второго уровня; запись данных из кэш-памяти и буферов записи в память.

Команды упреждающего кэширования позволяют заранее загружать в кэш нужные данные, обеспечивая возможность записи данных в кэш-память различных уровней, что уменьшает задержки, связанные с доступом к основной памяти. Команды записи данных из кэш-памяти и буферов записи позволяют поддерживать когерентность кэш-памяти и основной памяти при выполнении, например, команд упреждающего кэширования. Однако вряд ли прагматично требовать управления кэш-памятью при программировании на языках высокого уровня - распределение памяти всегда было одной из функций компилятора. Тем более логично потребовать чтобы компилятор выполнял управление кэш-памятью, сокращая простои процессора в ожидании данных.

Другой, по сравнению с организацией кэш-памяти, метод построения внутрикристальной памяти применяется в мультитредовой архитектуре, основная особенность которой - использование совокупности регистровых файлов. Эта архитектура решает проблему разрыва между скоростью обработки в процессоре и временем доступа в основную память за счет переключения в каждом такте процессора на работу с очередным регистровым файлом. Каждый регистровый файл обслуживает один вычислительный процесс - тред (поток). Всего в каждом процессоре имеется n регистровых файлов, поэтому запрос, выданный в основную память каждым из потоков, может обслуживаться в течение n-1 такта, вплоть до момента, когда процессор снова переключится на тот же регистровый файл. Выбор значения n определяется отношением времени доступа в память ко времени выполнения команды процессором. Конечно, задача формирования потоков из последовательной программы должна, по возможности, решаться компилятором. В противном случае будущее этой архитектуры окажется ограниченным узкой проблемной ориентацией.

Компания Tera объявила о разработке проекта мультитредового микропроцессора, реализующего процессор МТА. Level One, приобретенная Intel, выпустила мультитредовый сетевой микропроцессор IXP1200, содержащий в своем составе 6 четырехтредовых процессоров. IBM анонсировала проект компьютера Blue Gene, кристалл микропроцессора которого включает 32 восьмитредовых процессора. В кристалл встроена память EDRAM, организованная в 32 блока. Каждый блок соответствует одному из 32 процессоров и имеет шину доступа 256 разрядов. Поскольку EDRAM обладает высокой пропускной способностью и малой задержкой, то при восьмитредовой структуре процессора становится возможным отказаться от кэш-памяти, вместо которой между процессором и памятью используется небольшая буферная память.

Память - ресурс, непосредственно не производящий вычислений. Увеличение емкости памяти на кристалле дает прирост производительности, но после достижения некоторой величины этот прирост оказывается существенно меньше, чем обеспечиваемый использованием того же ресурса транзисторов кристалла для построения дополнительной совокупности функциональных устройств. Основное препятствие на пути повышения производительности за счет увеличения числа функциональных устройств - это организация загрузки этих устройств полезной работой, которую можно проводить динамически путем исследования программного кода на стадии исполнения и статически на уровне компиляции программ. Первый подход используется в суперскалярных микропроцессорах, второй - в микропроцессорах с длинным командным словом.

Весьма привлекательно выглядит намерение возложить на компилятор выявление команд, допускающих параллельное исполнение на разных функциональных устройствах. Однако существуют проблемы, которые нельзя решить на уровне компиляции. Поэтому наряду со статическим распараллеливанием компилятором на уровне команд должны развиваться аппаратные реализации методов динамического внеочередного исполнения команд микропроцессоров.

Во время компиляции трудно, а иногда и невозможно установить длительность исполнения отдельных команд, в связи с тем, что возникают промахи при обращении к кэш-памяти, арифметические переполнения, формирование недопустимых адресов и другие исключительные ситуации. Кроме того, определение зависимости между командами записи в память и чтения из памяти может быть выполнено только после вычисления адресных выражений, что возможно лишь в ходе исполнения программы. Команды, выбранные на исполнение, могут следовать друг за другом в неизменном порядке, определяемом при их выборке из памяти, либо их порядок может изменяться, позволяя исполнять команды, для которых готовы операнды. Внеочередное исполнение команд предполагает следующие механизмы:

- переименование регистров с целью устранения ресурсных зависимостей «запись после чтения» и «запись после записи»;

- предсказание переходов;

- динамическое назначение команд на исполнительные устройства, включая изменение порядка исполнения по сравнению с порядком, в котором эти команды были извлечены.

Динамическое назначение команд на исполнительные устройства реализуется резервирующей станцией, состоящей из совокупности элементов ассоциативной памяти. Каждый из элементов содержит позиции для размещения кода операции, наименования первого операнда, его значения, признака доступности первого операнда, наименования второго операнда, его значения, признака доступности второго операнда и наименования регистра результата. Когда команда завершает исполнение и вырабатывает результат, то наименование результата сравнивается с наименованиями операндов в резервирующей станции. Если в резервирующей станции обнаруживается команда, ждущая этого результата, то данные записываются в соответствующую позицию и устанавливается признак их доступности. Когда у команды доступны все операнды, инициируется ее исполнение. Резервирующая станция следит за доступностью операндов и при получении команды все готовые операнды из регистрового файла переписываются в поля этой команды. Когда все операнды готовы, команда исполняется.

Процесс функционирования процессора с внеочередным исполнением команд иллюстрирует рис. 3.1:

Рисунок 3.1 - Процесс функционирования процессора с внеочередным исполнением команд

Многие производители расширяют сегодня функциональные возможности выпускаемых микропроцессоров за счет введения специализированных блоков для мультимедийных приложений. Подобный блок имелся уже в микропроцессоре второго поколения Intel 80860, и на некоторых приложениях его использование давало существенный прирост производительности. Аналогичные блоки включены и в другие микропроцессоры Intel (ММХ-расширение системы команд Pentium и 70 новых SIMD-команд Pentium III), AMD (3D Now!), Sun (VIS SPARC), Compaq (Alpha MVI), HP (PA-RISC MAX2), SGI/Mips (MDMX), Motorola (PowerPC AltiVec).

Возможны различные варианты встраивания команд мультимедийной обработки в систему команд микропроцессора: на уровне функционального блока, использующего общий с другими блоками файл регистров (Pentium MMX) или на уровне отдельного процессора со своим регистровым файлом, используя разнесенную (decoupled) архитектуру. Последний вариант применен в Pentium III и PowerPC AltiVec.

Команды мультимедийной обработки задают в режиме SIMD-процессора параллельную обработку нескольких единиц данных, представленных, как правило, малоразрядными (8, 16, 32) числами в формате с фиксированной точкой. Однако это не исчерпывает всех текущих потребностей и, например, в Pentium III введена параллельная обработка в режиме SIMD-процессора четырех 32-разрядных операндов в формате с плавающей точкой.

С ростом количества транзисторов на кристалле стало возможно построение микросхем, в которых микропроцессор вместе с памятью на кристалле выступает в роли одного из составных элементов (ядер) систем на одном кристалле (SOC -- system on chip). В кристалле интегрируются функции, для исполнения которых обычно используются наборы микросхем, сетевые платы и другие специализированные микросхемы. Это, с одной стороны, позволяет существенно увеличить пропускную способность между компонентами кристалла по сравнению с пропускной способностью между разными кристаллами, реализующими по отдельности каждую функцию. И, как следствие, поднять производительность систем. С другой стороны, при уменьшении количества кристаллов резко упрощается изготовление и монтаж плат, что ведет к повышению надежности и снижению стоимости систем.

В кристалл интегрируются интерфейсы сетевых и телекоммуникационных систем, что позволяет без дополнительных адаптеров соединять микропроцессоры друг с другом, с телекоммуникационными и вычислительными сетями. Интеграция коммуникационных интерфейсов в кристалл микропроцессора была впервые проделана в транспьютерах. Однако это были упрощенные интерфейсы, позволяющие связываться лишь с другими транспьютерами. В процессорах Motorola MPC8260 поддерживается уже множество телекоммуникационных протоколов, включающих, например, 10/100 Mбит/с Ethernet, 155 Mбит/с ATM, 256 каналов 64 Кбит/с HDLC. Компания Motorola предлагает два семейства кристаллов, в которых в качестве ядра используется PowerPC 603e - это семейство на основе технологий AltiVec и PowerQUICC.

Ориентация разработчиков на создание систем с распределенной разделяемой памятью привела к интеграции в кристалл блока управления когерентностью многоуровневой памяти на кристалле и распределенной внешней памяти, доступ к блокам которой выполняется через интегрированную в тот же кристалл коммуникационную среду. В качестве примеров этого подхода можно назвать микропроцессоры Alpha 21364, Power4, а также Blue Gene. В качестве ядра у микропроцессора Alpha 21364 используется Alpha 21264, но на кристалле интегрированы: шестивходовый частично ассоциативный кэш второго уровня емкостью 1,5 Мбайт; контроллер памяти, поддерживающий работу с динамической памятью Direct Rambus; сетевой интерфейс.

Рисунок 3.2 - Архитектура микропроцессора Alpha 21364

Для динамического исполнения в микропроцессоре Alpha 21364 (рис.3.2) рассматриваются сразу 80 команд - больше, чем у любого другого процессора. После декодирования команда помещается в очередь к устройствам с фиксированной или плавающей точкой. Команды, получившие все операнды, конкурируют за доступ к функциональным устройствам: двум блокам операций с плавающей точкой, выполняющим сложение, умножение, деление, извлечение квадратного корня и четырем целочисленным устройствам (двум общего назначения и двум адресной арифметики). Последние наряду с простыми арифметическими и логическими операциями выполняют все команды загрузки и сохранения как целочисленных данных, так и данных в формате с плавающей точкой. Целочисленные АЛУ общего назначения выполняют арифметические и логические операции, сдвиги и переходы. Одно из целочисленных АЛУ выполняет также умножение, а другое - новый набор команд обработки видеоданных. Для динамического переименования доступны 41 из 80 целочисленных регистров и 41 из 72 регистров с плавающей точкой.

Обмен данными между кэшами первого и второго уровня, кэшем первого уровня и оперативной памятью буферизирован (по 16 буферов для каждого уровня памяти).

Интеграция компонентов в одном кристалле позволяет существенно упростить и удешевить системы, реализуемые на основе данного микропроцессора. Благодаря встроенному сетевому интерфейсу упрощается объединение микропроцессоров в высокопроизводительные многопроцессорные системы. Сетевой интерфейс поддерживает 4 межпроцессорных соединения типа «точка-точка» со скоростью передачи данных 10 Гбайт/с каждый при задержке 15 нс. Сетевой интерфейс обеспечивает когерентность кэшей в многопроцессорной системе и реализует асинхронный обмен данными с адаптивной маршрутизацией. Пример структуры многопроцессорной системы на основе микропроцессоров Alpha 21364 показан на рис. 3.3:

Рисунок 3.3 - Пример структуры многопроцессорной системы

Микропроцессор имеет пятый порт - ввода-вывода, работающий на скорости обмена 3 Гбайт/с.

Процессоры Alpha 21364 и Power4 объединяет общность архитектурных решений: суперскалярная микроархитектура, внеочередное исполнение команд, большая кэш-память на кристалле, специализированный порт для основной памяти, а также высокоскоростные линки для объединения микропроцессоров в системы с архитектурой NUMA с распределенной разделяемой памятью (distributed shared memory -- DSM).

Каждый процессор Power4 (рис. 3.4) подобен Power3 и имеет два конвейерных блока для работы с 64-разрядными операндами с плавающей точкой на частоте 1 ГГц, выбирающих на исполнение по 5 команд каждый и 2 блока для работы с памятью. В процессорах реализуется внеочередное исполнение команд. Микропроцессор реализован на кристалле, содержащем 170 млн. транзисторов. Для достижения тактовой частоты 1,1 ГГц стадии конвейеров имеют задержку 8-10 вентилей.

Процессоры содержат раздельные кэш-памяти команд и данных первого уровня емкостью по 64 Кбайт каждая. Кроме того, имеется разделяемая (общая) кэш-память на кристалле второго уровня и внешняя кэш-память третьего уровня. Для образования мультипроцессорных конфигураций имеются 3 линка с суммарной пропускной способностью 45 Гбайт/с.

Рисунок 3.4 - Архитектура Power4

Наряду с параллелизмом уровня команд (ILP), процессор использует параллелизм уровня тредов (TLP). Динамическое выявление параллелизма позволяет предотвращать простои процессора при трудно выявляемых статически исключительных ситуациях, например, промахе в кэш-памяти. Power4 изготавливается по 0,18-микронной технологии SOI («кремний на изоляторе») с медными проводниками и 5 слоями металла на кристалле площадью 400 мм2.

Отличительная особенность Power4 - наличие кэш-памяти второго уровня, разделяемой двумя процессорами кристалла, а также внешними процессорами других кристаллов через линки шириной 16 байт, работающие на тактовой частоте более 500 МГц, что обеспечивает пропускную способность свыше 8 Гбайт/с. Суммарная пропускная способность 4 линков составляет более 35 Гбайт/с. При объединении 4 кристаллов и их размещении, как показано на рис. 3.5, проводники линков могут быть достаточно короткими и, что важно, прямыми.

Рисунок 3.5 - Пример объединения Power4 в фрагмент многопроцессорной системы

Физически кэш-память второго уровня емкостью около 1,5 Мбайт состоит из трех одинаковых блоков, доступ к которым выполняется через коммутатор с пропускной способностью на уровне 100 Гбайт/с. Протокол когерентности обеспечивает размещение данных, поступивших по линкам, в том блоке кэш-памяти, который использовался для размещения данных последним.

Порт кристалла Power4, предназначенный для подключения кэш-памяти третьего уровня емкостью до 32 Мбайт имеет ширину 16 байт для каждого из двух направлений пересылки данных. Порт функционирует на 1/3 от тактовой частоты процессоров кристалла, что обеспечивает пропускную способность к памяти на уровне 10 Гбайт/с. Теги кэш-памяти третьего уровня расположены внутри кристалла, что ускоряет реализацию протокола когерентности. Для работы с основной памятью может быть использована восьмипоточная программная предвыборка данных непосредственно в кэш-память первого уровня на кристалле. Пересылать можно одновременно до 20 строк кэша.

Каждый из двух процессоров Power4 имеет систему команд IBM ISA, реализованную в RS/6000 и AS/400 и полностью совместимую с системой команд Power PC. Сохранение системы команд, вызванное поддержкой двоичного кода пользователей, потребовало применения как однотактных команд, так и микропрограмм и даже прерываний для программной реализации наиболее сложных команд ISA.

Современные микропроцессоры, например, Alpha 21264 и Pentium III, относятся к однотредовым, использующим параллелизм уровня команд, выявляемый либо статически (компилятором), либо динамически (аппаратурой микропроцессора), либо комбинацией этих двух методов. Параллелизм уровня тредов при использовании этих микропроцессоров может быть выявлен только статически. Динамическое выявление параллелизма уровня тредов в рамках архитектур однотредовых процессоров практически невозможно, так как требует просмотра большого количества команд на предмет их одновременного исполнения - расширения окна исполнения. Это влечет за собой усложнение логических схем управления внеочередным исполнением команд, что может привести к снижению тактовой частоты микропроцессора. Для разрешения данного противоречия предлагаются мультитредовые и мультискалярные микропроцессоры.

При всем различии подходов к созданию мультитредовых микропроцессоров, общим для них является введение множества устройств выборки команд, каждое из которых организует окно исполнения для одного треда. В рамках одного треда выполняется предсказание переходов, переименование регистров, динамическая подготовка команд к исполнению. Тем самым, общее число команд, находящихся в обработке, значительно превышает размер окна исполнения однотредового процессора, с одной стороны, и тактовая частота не лимитируется размером окна исполнения, с другой стороны.

Выявление тредов может выполняться компилятором при анализе исходного кода на языке высокого уровня или исполняемого кода программы. Однако компиляторы не всегда могут разрешить проблемы зависимостей при использовании регистров и ячеек памяти между тредами, что требуется уже в ходе исполнения тредов. Для этого в микропроцессор вводится специальная аппаратура условного исполнения тредов, предусматривающая возврат с отбрасыванием наработанных результатов при обнаружении нарушения зависимостей между тредами. Нарушением зависимости, например, может служить запись по вычисляемому адресу в одном треде в ту же ячейку памяти, из которой выполняется чтение, которое должно следовать за этой записью, в другом треде. В случае, если адреса записи и чтения не совпадают, нарушение отсутствует. При совпадении адресов фиксируется нарушение, которое должно вернуть исполнение треда к команде чтения правильного значения.

Интерфейс между аппаратурой мультитредового процессора, поддерживающей протекание каждого отдельного треда и аппаратурой, общей для исполнения всех тредов, может быть установлен как сразу после устройств выборки команд тредов, так и на уровне доступа к разделяемой памяти. В первом случае все треды используют один регистровый файл и один набор функциональных устройств. Тесная связь по ресурсам позволяет эффективно исполнять последовательные программы с сильной зависимостью между тредами. В этом случае имеет место именно реализация мультискалярного мультитредового процессора.

Во втором случае для исполнения каждого треда, фактически, выделяется функционально законченный процессор. В целом эта структура ориентирована на исполнение независимых и слабо связанных тредов, порождаемых либо одной программой, либо их совокупностью. В этом случае скорее надо говорить не о процессоре, а о системе на одном кристалле. Возможно также промежуточное расположение интерфейса, соответствующее аппаратным средствам, ориентированным на реализацию определенного типа совокупности тредов.

По оценкам, при обработке транзакций мультитредовый микропроцессор Alpha 21464 будет в десять раз производительнее, чем Alpha 21264.

3.5.2 Развитие систем на одном кристалле

Среди тенденций, ведущих к появлению многопроцессорных систем на одном кристалле, можно отметить следующие:

1) Перенос на стадию компиляции решения проблем извлечения из последовательных программ команд, допускающих параллельное исполнение, и, в целом, ветвей параллельных программ. Если суперскалярный микропроцессор сам выделяет параллельно выполняемые команды, то уже в мультискалярном микропроцессоре на компилятор возлагаются дополнительные функции по выделению параллельных ветвей, а микропроцессоры с длинным командным словом возлагают на компилятор все проблемы загрузки параллельно функционирующих устройств. В этих условиях задача создания распараллеливающего компилятора для многопроцессорной системы не выглядит неразрешимой;

2) Объем оборудования, обеспечивающего загрузку функциональных устройств, микропроцессоров с суперскалярной и мультискалярной архитектурами достаточно велик и имеет квадратичный рост в зависимости от числа находящихся в обработке команд. При увеличении числа функциональных устройств должно увеличиваться и число выбираемых на исполнение команд, что приведет к возрастанию объема оборудования, не производящего непосредственно обработки данных. Суммарный объем схем управления в многопроцессорной системе, состоящей из простых процессоров, может быть существенно меньше, чем в микропроцессоре с суперскалярной или мультискалярной архитектурой при одном и том же суммарном числе функциональных устройств или, иными словами, при одинаковой производительности в случае полной загрузки устройств. Следует также отметить, что простые процессоры мультипроцессорной системы могут иметь более высокую тактовую частоту;

3) Многопроцессорная система, в силу присущей ей избыточности, способна функционировать при отказе части оборудования. Такие отказы могут быть как изначально присутствующими, вследствие дефектов кремниевой пластины или технологического процесса изготовления, так и появившимися в ходе функционирования. Многопроцессорные системы могут создаваться либо как однокристальные, либо как многокристальные микросборки. Реальность такова, что однокорпусная микросборка многопроцессорной системы из совокупности простых микропроцессоров может значительно превышать по показателю «производительность/стоимость» однокристальную систему, размер кристалла которой равен сумме площадей кристаллов микросборки. Микросборки не отличаются от СБИС. Выбор однокристальной реализации или микросборки определяется достигаемыми технико-экономическими показателями, например, использование микросборок памяти. Возможности подобной технологии демонстрирует микропроцессор Pentium Pro. Однако среди наиболее интересных проектов, концентрирующих архитектурные и технологические достижения, включая однокристальные системы и микросборки, можно назвать микропроцессор Power4;

4) В традиционных компьютерах, состоящих из микропроцессора и микросхем памяти, использующих в совокупности порядка 108 транзисторов в микропроцессоре и 109 транзисторов в памяти, в каждом такте задействовано по разным оценкам 104 - 105 транзисторов. Иначе говоря, имеет место простой значительной части оборудования, потенциально способного производить полезную работу. Конечно, при использовании КМОП-технологии простои имеют и определенный плюс: оборудование выделяет мало тепловой энергии. При существующих на сегодня конструкциях корпусов микросхем проблема теплоотвода может стать решающей при выборе архитектуры кристалла. Однако на кристалле может быть достаточно эффективно реализована многопроцессорная система из большого числа процессоров, каждый из которых имеет собственную небольшую встроенную память. Подобные вычислительные структуры обычно называют ассоциативными процессорами, памятью с обработкой, многофункциональной памятью или интеллектуальной памятью. К этому классу относятся однокристальные системы как с SIMD-архитектурой, например, Fuzion 150, так и с MIMD-архитектурой, например, Blue Gene.

Мультитредовые микропроцессоры и системы на одном кристалле вбирают в себя накопленные в ходе эволюции приемы повышения производительности микропроцессоров и используют симбиоз компиляторов и аппаратуры, соответственно для статического и динамического выявления параллелизма из исходных последовательных программ. Ориентация на исполнение совокупности тредов с определенной степенью межтредовых зависимостей обусловливает конкретные решения по совместному использованию тредами регистрового файла, аппаратуры внеочередного исполнения команд и функциональных устройств. Предстоят еще значительные исследования по оптимизации мультитредовых архитектур. Однако последовательность шагов в этом направлении эволюции микропроцессоров уже известна - это Alpha 21364 и Alpha 21464.

ВЫВОДЫ

В данной научной работе был произведён анализ существующих подходов к классификации архитектур вычислительных систем, рассмотрены такие эффективные методы повышения производительности вычислительных систем, как параллельные вычисления и мультитрединг.

Работа рассчитана на продолжение исследований в этом направлении, целью которых является создание программного обеспечения формирования фазы определения для заданной системы команд.

Сама разработка вышеупомянутого программного обеспечения будет осуществляться в последующем при написании дипломного проекта, где и будут использованы результаты научно-исследовательской работы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Таненбаум Э. Архитектура компьютера, 4-е изд. - Спб.: Питер, 2003. - 700 с.;

2. М. Кузьминский, «Открытые системы», 1999, № 5-6, стр. 8;

3. М. Кузьминский, «Отрытые системы», 1999, № 9-10, стр. 8;

4. Головкин Б.А. Параллельные вычислительные системы. М.: Наука. 1980. 520 с.;

5. Методические указания по оформлению студенческих работ для студентов специальностей 7.080403 "Программное обеспечение автоматизированных систем" и 7.080404 "Интеллектуальные системы принятия решений" / Утв. Л.А. Белозерский и др. - Донецк: ДонГИИИ, 2001. - 52 с.

Страницы: 1, 2, 3