Перспективы эволюции архитектуры ЭММ и ВС. Закон Мура
Лекция 2
Понятие об архитектуре ЭВМ. Классификация. Перспективы эволюции архитектуры ЭВМ и ВС.
Архитектура ЭВМ - совокупность основных функциональных блоков и схем их взаимодействия, определяющих функционально-логическую и структурную организацию вычислительной машины.
-Структурная схема ЭВМ
-Средства и способы доступа к элементам структурной схемы ЭВМ
-Организация и разрядность интерфейсов ЭВМ
-Организация и способы адресации памяти
-Способы представления и форматы данных ЭВМ
-Набор машинных команд ЭВМ
-Обработка прерываний
Четыре уровня описания вычислительной машины
1) Уровень черного ящика
ВХОДЫ -> ЭВМ -> ВЫХОДЫ
2) Уровень общей архитектуры
Совокупность основных систем: ЦП, ОП, шины, УВВ
3) уровень описания компонентов, отдельных систем, составляющих общую архитектуру (ЦП)
Шины, УУ, АЛУ, регистры, БЗП
4) Уровень детального описания компонентов
Логика программной последовательности, шины, регистры УУ, память УУ, логика формирования управления.
Разновидности архитектур ВМ и устройств
| Тип архитектуры | Характеристики | Примеры архитектур |
| Вычислительная система | Взаимосвязькомпонентов | Кластерная, массивно-параллельная |
| ЭВМ в целом | Взаимосвязь компонентов | Иерархическая, магистральная |
| Центральное устройство | Использование оперативной памяти | Принстонская, гарвардская |
| Микроархитектура процессора | Обработка микроопераций, кэш-память, конвейеры | Intel P5-P6, AMD |
| Микрохитектура чипсета | Взаимосвязь компонентов системной платы | Северный и южный мосты |
| Система команд | Команды процессора | IA-32, IA-64 |
Современная вычислительная машина - сложная аппаратно-программная система, состоящая из большого числа взаимосвязанных элементов
Каждый из этих элементов имеет свою характеристику, совокупностькоторыхопределяет технику эксплуатационной характеристики всей ВМ.
Технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ
1) Быстродействие
2) Разрядность
3) Форма представления чисел
4) Номенклатура и характеристики запоминающего устройства
5) Номенклатура и характеристики устройства ввода-вывода
6) Типы и характеристики внутреннего и внешних интерфейсов
7) Наличие многопользовательских режимов и поддержка многозадачности
8) Архитектура системы команд
9) Состав и объем профилактических работ
10) Программная совместимость с другими ЭВМ
11) Начальная стоимость
12) Условия эксплуатации
Классификационные признаки ЭВМ и ВС:
1) Принцип действия:
А) Цифровые
Б) Аналоговые
В) Гибридные
2) Используемая элементная база
3) Назначение:
А) Универсальные
Б) Проблемно-ориентированные (Промышленные компьютеры со специальным конструктивным исполнением)
В) Специализированные (Контроллеры, управляющие несложными техническими устройствами и процессами, микропроцессоры специального назначения)
4) Размеры и вычислительная мощность
5) Особенность архитектуры
Поток - это последовательность, под которой понимается последовательность данных или команд, обрабатываемых процессором.
Классификация Флинна:
1) MIMD
2) SIMD
3) SISD
4) MISD
• Single Instruction Single Data (stream) - "один поток команд, один поток данных", архитектура SISD (ОКОД).
• Multiple Data Stream Processing - "один поток команд, много потоков данных", архитектура SIMD (ОКМД). Подразумевает исполнение одной команды несколькими процессорами.
• Multiple Instruction Single Data (stream) - "много потоков команд, один поток данных", архитектура MISD (МКОД). В этой архитектуре данные подаются на набор процессоров, каждый из которых исполняет определенную программу. Считается, что такая архитектура еще не была реализована.
• Multiple Instructions - Multiple Data (stream) - "много потоков команд, много потоков данных", архитектура MIMD (МКМД). В этой параллельной архитектуре набор процессоров независимо выполняет различные наборы команд, обрабатывающих различные наборы данных. Системы в архитектуре MIMD делятся на:
• Системы с распределенной памятью (слабосвязанные системы). К ним относятся: кластер.
• Системы с совместноиспользуемой памятью (симметричные системы)
| Single | Multiple | |
| Single | SISD | SIMD |
| Multiple | MISD | MIMD |
Лекция 3
Основные принципы организации вычислительных машин и систем. Класс SISD. Архитектура ЭВМ фон Неймана
Принцип адресности.
Основная память состоит из пронумерованных двоичными адресами ячеек, причем ЦП в произвольный момент времени имеет доступ к любой из них.
Семинар 2
Цикл выполнения короткой команды может выглядеть:
1) В соответствии с содержимым счетчика адреса команд устройство управления извлекает из ОП очередную команду и помещает ее в регистр команд. Некоторые команды устройство управления обрабатывает самостоятельно, без привлечения АЛУ.
2) Осуществляется расшифровка, декодирование команды
3) Адреса А1, А2, ... Помещаются в регистры адреса
4) Если в команде указаны индексные или базисные регистры, то их содержимое используется для модификации регистра адреса.
5) По значению регистра адреса осуществляется чтение чисел или строк и помещение их в регистр числа
6) Выполнение операции и помещение результата в регистр результата
7) Запись результата по одному из адресов, если это необходимо
8) Увеличение содержимого счетчика команд на единицу
За счет увеличения числа регистров возможно распаралеливание или перекрытие операций. При считывании команды счетчик увеличения команд можно автоматически увеличить на единицу, подготовив выборку следующих команд. Все это является предпосылкой построения конвеерных структур. Процесс нарушается при появлении условных переходов.
Основные признаки классификации и типы команд
1) Команды пересылки. Пересылка данных между двумя регистрами или регистром и ячейкой памяти. В зависимости от архитектуры процессора возможна пересылка между двумя ячейками памяти и групповая пересылка.
2) Команды ввода/вывода. Реализуют пересылку данных из регистров процессора или оперативной памяти во внешнее устройство (или прием от внешней памяти и пересылка в регистр)
3) Команда обработки данных. О1, о2 - операнды. Делится на 2 больших блока.
3.1) -Логическое сложение. Для каждого бита О1, О2 осуществляется операция "Или"
-Умножение "И"
-Инверсия
-Логическое сравнение О1=О2 => Ф=1
3.1.2) Арифметические операции
-Сложение операндов
-Вычитание операндов (сложение в обратном коде)
-Арифметическое сравнение
3.1.3) Команды сдвига
Осуществляет логические, арифметические и циклические сдвиги адресуемых операндов на несколько разрядов.
3.2.1) Сложение и вычитание с плавающей запятой
3.2.2) Умножение и деление с фиксированной и плавающей запятой
Все команды 3.1 - это короткие операции. Занимают один такт. 3.2 - длинные. Могут занимать несколько тактов
4) Операции управления
4.1) Безусловный переход и ветвление. Загружает в счетчик адреса команд новое содержимое, являющееся адресом следующей выполняемой команды.
4.2) Вызов подпрограммы. Производится путем безусловной передачи управления с сохранением адреса возврата управления.
4.3) Условный переход. Производится загрузка в регистр состояния нового содержимого если выполняются определенные условия.
4.4) Команда организации программного цикла. Условный переход в зависимости от значения заданного в регистр, который используется как счетчик цикла
4.5) Команды прерывания. Переход к одной из программ обслуживания исключений и прерываний.
4.6) Команды изменения признаков. Запись чтения содержимого регистра состояния, в котором хранятся признаки. Возможны изменения значения отдельных признаков
4.7) Команды управления процессором. Команды остановок, отсутствие операций, ряд команд определяющих режим работы процессора или его отдельных блоков.
5) Тип выборки и пересылки данных
5.1) Регистр регистров. О1, О2 перемещаются в регистр АЛУ
5.2) Память регистр - регистр память
5.3) Память - память. О1, О2 в ОП.
6) Адресация
6.1) Прямая. Операнд выбирается из ячейки памяти, адрес которой содержится в команде
6.2) Регистровая адресация. Операнд выбирается из регистра, имя которого указано в команде.
6.3) Косвенно-регистровая. Операнд выбирается из ячейки памяти адрес которой содержится в регистре, указанном в команде.
6.4) Косвенно-регистровая со смещением. Операнд выбирается из ячейки памяти, адрес которой является суммой содержимого, указанного в команде регистра и заданного в команде смещения.
6.5) Косвенно-регистровая с индексированием и смещением. Операнд выбирается из ячейки памяти, адрес которой является суммой содержимого указанного в команде регистра, индексного регистра и заданного в команде смещения. Иногда используются специальные индексные регистры. Частым случаем этого способа является индексная адресация.
6.6) Относительная. Операнд выбирается из ячейки памяти, адрес которой является суммой текущего содержимого счетчика адреса команды и заданого в команде смещения. Во многих процессорах этот способ адресации используется не для операнда, а для формирования адреса, к которому приходит программа при ветвлении. При этом сформированый таким образом адрес загружается в счетчик адреса команды, обеспечивая выборку следущей команды.
6.7) Непосредственная. Операнд непосредственно содержится в поступившей команде, размещается следом за кодом операции.
Комментарий к пункту 5
Регистр-регистр
Плюсы: простота реализации, фиксированная длина команд, простая модель компиляции, возможность выполнения команд за одинаковое количество тактов.
Минусы: большая длина объектного кода
Регистр-память
Плюсы: доступность данных без их загрузки в регистры, простота кодирования, компактность кода
Минусы: длинное поле адреса в коде команды сокращает поле номер регистра, что ограничивает общее число регистров общего назначения. Скорость выполнения команды зависит от места расположения операнда.
Память-память
Оба операнда и результат располагаются в памяти.
Плюсы: компактность объектного кода, малая потребность в регистрах
Минусы: низкое быстродействие, разнообразие форматов команд и времени их исполнения.
Семинар 3
7) Адресность
7.1) Одноадресные. А1 в зависимости от модификации команды может обозначать либо адрес ячейки или регистра, в которых хранится одно из чисел, либо адрес ячейки или регистра, куда следует поместить результат.
7.2) Двухадресные. А1 обычно адрес ячейки или регистра, где хранится первое из чисел, участвующих в операции и куда после завершения операции должен быть записан результат. А2 адрес ячейки или регистра где хранится второе число, участвующее в операции.
7.3)Трехадресные. А2 и А3 ячейки адреса или регистров, где расположены 1 и 2 числа, участвующие в операции. А1 - куда следует поместить результат
7.4) Безадресная. Содержат только код операции, а информация для нее должна быть заранее помещена в определенные регистры машины или содержаться в адресной части
7.5) Комбинированная. Один или более адресов адресной части предназначены для размещения данных, операндов.
8) Другие признаки
8.1) Операции с фиксированной запятой. Арифметические и логические операции над числами, обычно занимающими одно машинное слово. (Процессоры х86).
8.2) Операции с плавающей запятой. Арифметические операции над числами, представленными в виде мантисса порядок (Процессоры х87).
8.3) Десятичная арифметика. Реализация команд, обрабатывающих тэтрады бит и выполняющие соответствующие арифметические операции.
8.4) Символьная обработка. Команды обработки байт памяти, как символов ASCII.
8.5) Обработка чисел большой длины. Обработка машинных слов длинной 64, 128 и 256 байт.
8.6) Команды индексной арифметики. Изменение содержания индексных регистров для обращения к последовательным элементам массива.
8.7) Векторные операции. Команды типа СИМД. ММХ, SSЕ, 3Dnow!
Расширенные инструкции процессора
Уменьшение времени на решение задачи.
Увеличить тактовую частоту
Увеличить количество исполняемых за такт команд
Увеличить количество данных, обрабатываемых каждой командой
Для реализации последнее способа необходимо чтобы единицы данных располагались последовательно и имели один и тот же тип. (Массив однородных элементов, мультимедиа файлы).
Под СИМД расширением понимается программно-аппаратное решение, представляющее собой совокупность дополнительных регистров и наборов инструкций процессора, предназначенных для групповой обработки данных. Так же необходимо наличие соответствующих компиляторов.
ММХ - 1997 год. 57 команд для обработки звука и видео. ММХ ориентирована на обработку больших массивов данных целого типа. Основа аппаратных компонентов - 8 регистров по 64 бита (8 байт) каждый. ММХ поддерживает данные размером в 1, 2, 4 или 8 байт. То есть один ММХ регистр может содержать. ММХ использует регистр со-процессора
Расширение SSЕ. 1999 год, появился в Pentium 3. 70 новых команд. Оперирует данными вещественного типа, которые используются в геометрических расчетах. Оперируют 128 битными регистрами
SSE 2. Появился в Pentium 4. 144 команды. Работает не только с четверками чисел одинарной точности, но и с любыми данными которые умещаются в 128 бит. Использовалось 8 регистров. Используется для уменьшения погрешностей в вычислениях.
SSE 3. Появилась горизонтальная и вертикальная арифметика.
3DNow! Начиналось с 21 команды. Узкая специальность, предназначенная для расчетов 3D графики. 8 регистров по 64 бита.
Лекция 6
Практика конвейеризации.
1) Реальный поток команд - непоследовательный.
Пока команда условного перехода не будет обработана полностью, конвейер не сможет начать выполнение новой команды, так как не знает, по какому адресу она находится.
После условного перехода конвейера приходится наполнять заново.
2) Часто обрабатываемые инструкции - взаимосвязаны, то есть одна из из инструкций требует в качестве исходных данных результаты другой инструкции.
Статистическое планирование - …
Суперскалярность - архитектура вычислительного ядра, при которой наиболее нагруженные блоки могут входить в процессор в нескольких экземплярах.
Например, в ядре процессора блок выборки инструкций может нагружать сразу несколько блоков декодирования.
Параллельное выполнение инструкций возможно только если все инструкции - независимые.
Технология Turbo Boost
• Процессоры с этой технологией могут сами динамически, на короткий промежуток времени, повышать тактовую частоты, тем самым, увеличивая свою производительность.
• Процессор контролирует все параметры своей работы: напряжение, силу тока, температуру и тд не допуская сбоев и тем более выхода из строя.
Применение этой технологии позволяет значительно поднять производительность.
Направления развития архитектур современных процессоров (Фотография)
(ТУТ ДОЛЖНО БЫТЬ МНОГО ФОТОГРАФИЙ)
CISC (Complex instruction Set…
Лекция 7
Память ЭВМ. Основные понятия и характеристики. Классификация запоминающих устройство. Кэш-память.
(МНОГО ФОТО, ЕПТА БЛЯТЬ)
Многопортовая память - это статическое ОЗУ с двумя или более независимыми интерфейсами, обеспечивающими доступ к пространству памяти через разделенные шины адреса, данных и управления.
Принципы построения DRAM
Цепи, поддерживающие работу памяти, включают:
• Усилители, считывающие сигнал, обнаруженный в ячейке памяти
• Схемы адресации для выбора строк и столбцов
• Схемы выбора…
Интервалы регенерации измеряются в наносекундах. От этого времени зависит скорость работы оперативной памяти.
Эволюция DRAM (фото)
Тайминги оперативной памяти
С помощью тайников можно определить:
• Время, требуемое на чтение первого бита из памяти, когда нужная строка уже открыта - Tcl тактов
• Время, требуемое на чтение первого бита из памяти, когда строка неактивна
Эволюция DRAM (схема)
Реализации систем основной памяти
Модули памяти характеризуются:
• Объемом
• Числом микросхем
• Паспортной частотой
• Временем доступа к данным (нс)
• Числом контактов
Память типа DRAM (фото)
КЭШ-память (схема-пирамида)
Компоненты иерархической памяти. Буферизация ЗУ, работающее со скоростью, обеспечивающей функционирование ЦП без режимов запоминания.
• Встроенная в процессор (on-die)
• Внешняя (on-motherboard)
Все еще КЭШ память (схема)
Core i7 - процессор архитектуры Nahalem (схема, не обязательно)
• Эксклюзивным называется кэш, в котором данные, хранящиеся в кэш-памяти первого уровня, не обязательно должны быть продублированы в кэшах нижележащий уровней
• Инклюзивный называется кэш, в котором любая информация, хранящаяся в кэшах высших уровней, дублируется в кэш-памяти.
Стратегии управления иерархической памятью: (ДОПИСАТЬ О НИХ)
Метод отображения основной памяти на кэш
Порядок замещения информации в кэше
……..
Отображение памяти на кэш (Дописать)
Алгоритмы обмена с кэш-памятью (свопинга) (ДОПИСАТЬ)
Лекция 8
Принципы обмена данными в ЭВМ. Интерфейсы. Системы прерываний.
Оценка производительности системы – время ответа (время между моментом ввода пользователем задания и получения им результата), которое учитывает все накладные расходы, связанные с выполнением задания в системе, включая ввод/вывод.
Структура коммуникации ЭВМ
Совокупность каналов (трактов) обмена информацией, объединяющих собой основные функциональные устройства ВМ
Все каналы передачи информацмм в ВМ условно разделяют на:
· Внутренние – внутренние шины
· Внешние – внешние интерфейсные соединения
ФОТО схема шин
Шинные транкзации (фото схемы)
Шина адреса
Адрес позволяет выбрать ведомое устройство устройства и установить соединение между ним и ведущим.
Ширина шины адреса (число сигнальных линий, выделенных для передачи), определяет максимально возможный размер адресного пространства.
· Потенциальная емкость адресуемой памяти
· Число обслуживаемых портов ввода/вывода
Шина данных
Ширина ШД определяется количеством бит информации, которое может быть передано по шине за одну транкзацию (цикл шины) 32, 64 или 128 бит.
Слово – элемент данных, задействующий всю ширину ШД
Ширина шины данных существенно влияет на производительность вычислительной машины.
Шина управления
Передается управляющая информация и информация о состоянии участвующих в транкзации устройств.
Сигнальные линии, входящие в ШУ:
· Первая группа – линии, по которым пересылаются сигналы управления транкзациями. Выполняет тип выполняемой транкзации. Количество передаваемых байт и характеристики адреса.
· Вторая группа – линии передачи информации состояния (статуса)
· Третья группа – линии арбитража.
· Четвертая группа – линии прерывания, по которым передаются запросы на обслуживание, посылаемые от ведомых устройств к ведущему.
Мультиплексируемые шины адреса/управления (схема фото)
Мультиплексор – устройство, которое имеет несколько сигнальных входов, один или более управляющих входов на один выход. Мультиплексор позволяет передавать сигнал с одного из входов на выход, при этом выбор желаемого входа осуществляется подачей соответствующей комбинацией управляющих сигналов.
Демультиплексор – устройство, …
Иерархия шин (фото схема)
Варианты построения ВМ – с одной шиной, с двумя и тремя видами шин.
Локальная шина ввода/вывода соединяет высокопроизводительное оборудование: видеоадептеры и тд с южным мостом (чипсетом)
Интерфейсы шин
Интерфейс – совокупность возможностей, способов и методов взаимодействия двух систем, устройств или программ для обмена информацией…
Характеристики внутренних шин ВМ (таблица и вторая таблица)
PCI. Имеет 64 и 32 разрядные варианты. Один и те же шины служат для передачи адреса и данных, поддерживают решим Bus Mastering. Ведущие PCI устройства захватывают шину, управляют ей и освобождают от работы ЦП. Кроме того, PCI – многомастерная шина. Ведущими могут быть несколько устройств.
USB – универсальная последовательная шина. Используется для связи как с низкоскоростными, так и высокоскоростными устройствами.
К одному контроллеру USB можно подключить до 170 устройств по топологии звезда.
Прерывания
Прерывания – сигнал, сообщающий процессору о наступлении какого-либо события.
Аппаратные прерывания – события, генерируемые внешне по отношению к процессору устройства. Аппаратные прерывания это асинхронные события. Не зависит от того, какой код выполняется процессором.
Обработка прерываний (схема)
Контроллер прерываний – Шина прерываний - №
Аппаратные прерывания (таблица)
Имеются команды операционной системы, при выполнениях которых прерывания должны быть запрещены. Для этого существуют специальные команды, которые могут маскировать все или некоторые из прерываний устройств ввода/вывода.
Существуют немаскируемые виды прерываний, которые поступают в процессор по специальной линии немаскируемых прерываний. Например: неустранимый сбой ОЗУ.
Организация обмена данных между внешними устройствами и памятью (схема)
Прямой доступ к памяти (схема)
Захват шины (bus mastering) – иная реализация DMA (PCI, AGP, PCI-X)
Технология Plug and Play (схема и текст)
Лекция 2
Понятие об архитектуре ЭВМ. Классификация. Перспективы эволюции архитектуры ЭВМ и ВС.
Архитектура ЭВМ - совокупность основных функциональных блоков и схем их взаимодействия, определяющих функционально-логическую и структурную организацию вычислительной машины.
-Структурная схема ЭВМ
-Средства и способы доступа к элементам структурной схемы ЭВМ
-Организация и разрядность интерфейсов ЭВМ
-Организация и способы адресации памяти
-Способы представления и форматы данных ЭВМ
-Набор машинных команд ЭВМ
-Обработка прерываний
Четыре уровня описания вычислительной машины
1) Уровень черного ящика
ВХОДЫ -> ЭВМ -> ВЫХОДЫ
2) Уровень общей архитектуры
Совокупность основных систем: ЦП, ОП, шины, УВВ
3) уровень описания компонентов, отдельных систем, составляющих общую архитектуру (ЦП)
Шины, УУ, АЛУ, регистры, БЗП
4) Уровень детального описания компонентов
Логика программной последовательности, шины, регистры УУ, память УУ, логика формирования управления.
Разновидности архитектур ВМ и устройств
| Тип архитектуры | Характеристики | Примеры архитектур |
| Вычислительная система | Взаимосвязькомпонентов | Кластерная, массивно-параллельная |
| ЭВМ в целом | Взаимосвязь компонентов | Иерархическая, магистральная |
| Центральное устройство | Использование оперативной памяти | Принстонская, гарвардская |
| Микроархитектура процессора | Обработка микроопераций, кэш-память, конвейеры | Intel P5-P6, AMD |
| Микрохитектура чипсета | Взаимосвязь компонентов системной платы | Северный и южный мосты |
| Система команд | Команды процессора | IA-32, IA-64 |
Современная вычислительная машина - сложная аппаратно-программная система, состоящая из большого числа взаимосвязанных элементов
Каждый из этих элементов имеет свою характеристику, совокупностькоторыхопределяет технику эксплуатационной характеристики всей ВМ.
Технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ
1) Быстродействие
2) Разрядность
3) Форма представления чисел
4) Номенклатура и характеристики запоминающего устройства
5) Номенклатура и характеристики устройства ввода-вывода
6) Типы и характеристики внутреннего и внешних интерфейсов
7) Наличие многопользовательских режимов и поддержка многозадачности
8) Архитектура системы команд
9) Состав и объем профилактических работ
10) Программная совместимость с другими ЭВМ
11) Начальная стоимость
12) Условия эксплуатации
Классификационные признаки ЭВМ и ВС:
1) Принцип действия:
А) Цифровые
Б) Аналоговые
В) Гибридные
2) Используемая элементная база
3) Назначение:
А) Универсальные
Б) Проблемно-ориентированные (Промышленные компьютеры со специальным конструктивным исполнением)
В) Специализированные (Контроллеры, управляющие несложными техническими устройствами и процессами, микропроцессоры специального назначения)
4) Размеры и вычислительная мощность
5) Особенность архитектуры
Поток - это последовательность, под которой понимается последовательность данных или команд, обрабатываемых процессором.
Классификация Флинна:
1) MIMD
2) SIMD
3) SISD
4) MISD
• Single Instruction Single Data (stream) - "один поток команд, один поток данных", архитектура SISD (ОКОД).
• Multiple Data Stream Processing - "один поток команд, много потоков данных", архитектура SIMD (ОКМД). Подразумевает исполнение одной команды несколькими процессорами.
• Multiple Instruction Single Data (stream) - "много потоков команд, один поток данных", архитектура MISD (МКОД). В этой архитектуре данные подаются на набор процессоров, каждый из которых исполняет определенную программу. Считается, что такая архитектура еще не была реализована.
• Multiple Instructions - Multiple Data (stream) - "много потоков команд, много потоков данных", архитектура MIMD (МКМД). В этой параллельной архитектуре набор процессоров независимо выполняет различные наборы команд, обрабатывающих различные наборы данных. Системы в архитектуре MIMD делятся на:
• Системы с распределенной памятью (слабосвязанные системы). К ним относятся: кластер.
• Системы с совместноиспользуемой памятью (симметричные системы)
| Single | Multiple | |
| Single | SISD | SIMD |
| Multiple | MISD | MIMD |
Перспективы эволюции архитектуры ЭММ и ВС. Закон Мура
Путь развития средств ВТ заключается в совершенствовании архитектуры ВМ и систем:
• Эволюция - совершенствование методов реализации уже известных идей
• Реализация концепции параллельных вычислений
Семинар
Общее представление о структуре и архитектуре процессоров
ЦП и ОП = ЦУ
Процессор - это функционально-полная совокупность устройств которая контролирует, управляет процессами обработки данных. Связь процессора, памяти и внешних устройств осуществляется через систему интерфейса.
Системой команд вычислительной машины называют полный перечень команд, которые способна выполнять данная вычислительная машина.
Архитектура системы команд (АСК) - это те средства вычислительной машины, которые видны и доступны программисту.
Общая характеристика АСК ВМ складывается из ответов на следующие вопросы:
1) Какого вида данные будут представлены в ЭВМ и в какой форме?
2) Где эти данные могут храниться, помимо основной памяти?
3) Каким образом осуществляется доступ к данным?
4) Какие операции могут быть выполнены над этими данными?
5) Сколько операндов может присутствовать в команде?
6) Как будет определяться адрес очередной команды?
7) Каким образом будут закодированы команды?
Основную роль при выборе АСК играет ответ на вопрос "Где хранятся операнды и каким образом к ним осуществляется доступ".
С этих позиций различают виды АСК:
• Стековая
• Аккумуляторная
• Регистровая
• С выделенным доступом к памяти
АЛУ состоит из регистров, сумматоров и блока управления выполняемого процесса.
Устройство работает в соответствии с сообщаемыми ему кодами операций, которые выполняются над переменными, помещенными в регистры.
Команда (инструкция) - описание операции, которую нужно выполнить. У команд различаются форматы. Обычно команда содержит:
• Код операции (КОП. Код операции характеризует тип выполняемого действия.
• Адресная часть. Состоит из номера индексного (ИР) и базисного (БР) регистров и адресов операндов.
Регистры - специальные ячейки памяти, расположенные физически внутри процессора. Доступ к ним осуществляется не по адресам, а по именам. Они предназначены для временного хранения данных ограниченного размера. Физический регистр - это узел ЭВМ, предназначенный для хранения двоичных слов и выполнения над ними некоторых логических операций.
Регистр представляет собой совокупность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове и дополнительных схем, выполняющих: сброс регистра, прием слова , выдача слова, сдвиг слова влево или вправо на требуемое количество разрядов, преобразование последовательного кода в параллельный, разрядных логических операций.
Регистр имеет ту же разрядность, что и машинное слово.
Машинное слово - это машинозависимая и платформозависимая величина, измеряемая в битах или байтах. Равна разрядности регистров в процессоре и разрядности шины данных. Воспринимается при обработке устройствами вычислительной машины как единая кодовая группа.
Цикл процессора - период времени, за которое осуществляется выполнение команды исходной программы в машинном виде. Состоит из некоторых тактов.
Такт работы процессора - это квант времени, в течение которого осуществляется элементарная операция. То есть, промежуток времени между соседними импульсами генератора тактового импульса. Частота этих импульсов - это тактовая частота процессора.
Микрокоманда - процедура, соответствующая каждому такту. Реализуется отдельной логической цепью.
Абстрактная структура ЦУ ЭВМ
(МЕСТО ПОД СХЕМУ)
Выполнение короткой команды (арифметика с фиксированной точкой):
1) Выборка команды
2) Расшифровка операции (декодирование)
3) Вычисление адреса и выборка данных из памяти
4) Выполнение операции
5) Запись результата в память
Регистры общего назначение (РОН)
Регистры сверхоперативной памяти или регистровый файл. Общее название для регистров, которые временно содержат данные, передаваемые в память или принимаемые из нее.
Регистр команд служит для размещения текущей команды. Она находится в нем в течении текущего цикла процессора.
Регистр (РАК), счетчик (СЧАК) адреса команды - регистр, содержащий адрес текущей команды, регистр адреса числа - содержит адрес операнда выполняемой команды, регистр числа (РЧ) - содержит операнд, регистр результата - хранит результат выполнения команды, сумматор - регистр, осуществляющий операции логического и двоичного сложения чисел или битовых строк, индексный регистр - используется для автоматического изменения адреса операнда во время исполнения программы, часто для косвенной адресации, исполняемый адрес может формироваться как сумма базового, индексного и относительного адресов, аккумулятор - хранит промежуточные данные, регистр флагов и состояний - типичным содержимым является ифнормация об особых результатах вычисления команд, УУ - использует информацию из регистра состояния для исполнения условных переходов
Лекция 3