Исследование архитектуры современных микропроцессоров и вычислительных систем

- процессор команд (IP - Instruction Processor) - функциональное устройство, работающее, как интерпретатор команд; в системе, вообще говоря, может отсутствовать;

- процессор данных (DP - Data Processor) - функциональное устройство, работающее как преобразователь данных, в соответствии с арифметическими операциями;

- иерархия памяти (IM - Instruction Memory, DM - Data Memory) - запоминающее устройство, в котором хранятся данные и команды, пересылаемые между процессорами;

- переключатель - абстрактное устройство, обеспечивающее связь между процессорами и памятью.

Функции процессора команд во многом схожи с функциями устройств управления последовательных машин и, согласно Д.Скилликорну, сводятся к следующим:

- на основе своего состояния и полученной от DP информации IP определяет адрес команды, которая будет выполняться следующей;

- осуществляет доступ к IM для выборки команды;

- получает и декодирует выбранную команду;

- сообщает DP команду, которую надо выполнить;

- определяет адреса операндов и посылает их в DP;

- получает от DP информацию о результате выполнения команды.

Функции процессора данных делают его , во многом, похожим на арифметическое устройство традиционных процессоров:

- DP получает от IP команду, которую надо выполнить;

- получает от IP адреса операндов;

- выбирает операнды из DM;

- выполняет команду;

- запоминает результат в DM;

- возвращает в IP информацию о состоянии после выполнения команды.

В терминах таким образом определенных основных частей компьютера структуру традиционной фон-неймановской архитектуры можно представить в следующем виде:

Рисунок 1.15 - Структура фон-неймановской архитектуры

Это один из самых простых видов архитектуры, не содержащих переключателей. Для описания параллельных вычислительных систем автор зафиксировал четыре типа переключателей, без какой-либо явной связи с типом устройств, которые они соединяют:

- 1-1 - переключатель такого типа связывает пару функциональных устройств;

- n-n - переключатель связывает i-е устройство из одного множества устройств с i-м устройством из другого множества, т.е. фиксирует попарную связь;

- 1-n - переключатель соединяет одно выделенное устройство со всеми функциональными устройствами из некоторого набора;

- nxn - каждое функциональное устройство одного множества может быть связано с любым устройством другого множества, и наоборот.

Примеров подобных переключателей можно привести очень много. Так, все матричные процессоры имеют переключатель типа 1-n для связи единственного процессора команд со всеми процессорами данных. В компьютерах семейства Connection Machine каждый процессор данных имеет свою локальную память, следовательно, связь будет описываться как n-n. В тоже время, каждый процессор команд может связаться с любым другим процессором, поэтому данная связь будет описана как nxn.

Классификация Д.Скилликорна состоит из двух уровней. На первом уровне она проводится на основе восьми характеристик:

- количество процессоров команд (IP);

- число запоминающих устройств (модулей памяти) команд (IM);

- тип переключателя между IP и IM;

- количество процессоров данных (DP);

- число запоминающих устройств (модулей памяти) данных (DM);

- тип переключателя между DP и DM;

- тип переключателя между IP и DP;

- тип переключателя между DP и DP.

Рассмотрим упомянутый выше компьютер Connection Machine 2. В терминах данных характеристик его можно описать: (1, 1, 1-1, n, n, n-n, 1-n, nxn),

Для сильно связанных мультипроцессоров (BBN Butterfly, C.mmp) ситуация иная. Такие системы состоят из множества процессоров, соединенных с модулями памяти с помощью динамического переключателя. Задержка при доступе любого процессора к любому модулю памяти примерно одинакова. Связь и синхронизация между процессорами осуществляется через общие (разделяемые) переменные. Описание таких машин в рамках данной классификации выглядит так: (n, n, n-n, n, n, nxn, n-n, нет),

Используя введенные характеристики и предполагая, что рассмотрение количественных характеристик можно ограничить только тремя возможными вариантами значений: 0, 1 и n (т.е. больше одного), можно получить 28 классов архитектур.

В классах 1-5 находятся компьютеры типа dataflow и reduction, не имеющие процессоров команд в обычном понимании этого слова. Класс 6 это классическая фон-неймановская последовательная машина. Все разновидности матричных процессоров содержатся в классах 7-10. Классы 11 и 12 отвечают компьютерам типа MISD классификации Флинна и на настоящий момент, по мнению автора, пусты. Классы с 13-го по 28-й занимают всесозможные варианты мультипроцессоров, причем в 13-20 классах находятся машины с достаточно привычной архитектурой, в то время, как архитектура классов 21-28 пока выглядит экзотично.

На втором уровне классификации Д.Скилликорн просто уточняет описание, сделанное на первом уровне, добавляя возможность конвейерной обработки в процессорах команд и данных.

В конце данного описания имеет смысл привести сформулированные автором три цели, которым должна служить хорошо построенная классификация:

- облегчать понимание того, что достигнуто на сегодняшний день в области архитектур вычислительных систем, и какие архитектуры имеют лучшие перспективы в будущем;

- подсказывать новые пути организации архитектур - речь идет о тех классах, которые в настоящее время по разным причинам пусты;

- показывать, за счет каких структурных особенностей достигается увеличение производительности различных вычислительных систем; с этой точки зрения, классификация может служить моделью для анализа производительности.

1.12 Классификация Дазгупты

Одним из последних исследований по классификации архитектур, по-видимому, является работа С. Дазгупты, вышедшая в 1990 году. Автор использовал позитивные идеи работы Скилликорна, которая была рассмотрена ранее в данном обзоре. Пытаясь расширить описательные возможности классификации, он разработал иерархическую систему для классификации архитектур. Изложим ее основные идеи.

Предлагаемая система построена на основе семи элементарных понятий - базовых элементов архитектуры.

Базовые элементы архитектуры:

- iM - память с расслоением - память, из которой можно выбрать несколько единиц информации за один цикл памяти;

- sM - простая память - память, из которой можно выбрать единицу информации за цикл памяти;

- C - программируемая или непрограммируемая кэш-память. Буферные регистры, подобные регистрам CRAY-1, также описываются, как кэш-память;

- sI - простой (неконвейерный) процессор для подготовки команды к исполнению;

- pI - конвейерный процессор для подготовки команды к исполнению;

- sX - простой процессор для исполнения команды;

- pX - конвейерный процессор для исполнения команды.

Заметим, что функции процессора для подготовки команды к исполнению (I) эквивалентны тем, которые выполняет процессор команд (IP) по классификации Скилликорна, с дополнительной возможностью обращения к кэш-памяти. Аналогично, функции процессора для исполнения команд (X) совпадают с функциями процессора данных (DP) у Скилликорна, включая дополнительно работу с кэш-памятью.

Если архитектура содержит N элементов типа A, которые могут работать в системе параллельно и независимо (обозначим эту возможность A_N), то A_N будем называть сложным элементом типа A. Считается, что составляющие сложного элемента не имеют между собой физической связи. Например:

sM₃ - три блока простой памяти, к которым можно обращаться параллельно и независимо;

sI₄ - четыре неконвейерных процессора, которые могут параллельно и независимо подготовить к исполнению команды из четырех потоков команд.

Назовем кэш-процессором CP объединение C-элемента с I, X или другими CP.

Например, C.sI, C.(C₂.pI)₂

Обозначение Д1.A2" подразумевает последовательное соединение элемента A1 с элементом A2.

Например, процессор команд с кэш-памятью: C.sI C - sI

Назовем кэш-процессором с памятью MCP объединение M-элемента с I, X, CP или другими MCP.

Например, iM.(C.sI₂)_k, sM.iM.C.pI_n

Процессором для подготовки команд I" назовем MCP, который представляет собой законченную подсистему подготовки команды к исполнению.

Процессором для исполнения команд X" назовем MCP, который представляет собой законченную подсистему для выполнения команды.

Процессоры, как и базовые элементы, могут быть сложными элементами архитектуры в смысле определения данного выше.

Полным описанием архитектуры может служить одиночная или повторяющаяся последовательность, составленная из I" и X" процессоров.

Символьную строку, описывающую некоторый базовый элемент, сложный элемент, процессор или всю архитектуру, будем называть формулой архитектуры.

Каждая формула служит описанием некоторой структуры. Введем два оператора, устанавливающих соответствие между формулой и структурой:

1) Пусть R - формула. Тогда оператор Rep(R) описывает следующую структуру:

Другими словами, если R = AN, то структура описывается оператором Rep(R);

2) Пусть R = R1.R2. ... .Rn - формула, где Ri может быть базовым или сложным элементом, простым или сложным процессором. Обозначим head(R) = R1 - самую левую составляющую в формуле; tail(R) = Rn - самую правую составляющую в формуле.

Введем второй оператор Link. Пусть R1 и R2 - формулы. Тогда Link(R1, R2):

а) если tail(R1) и head(R2) - простые составляющие, то

б) если tail(R1) простая, а head(R2) - сложная составляющая вида Z_n, то

в) если tail(R1) - сложная составляющая вида W_n, а head(R2) - простая, то

г) если tail(R1) - сложная составляющая вида W_n, а head(R2) - сложная составляющая вида Z_m, то

Легко понять, что оператор Link явно описывает связи между элементами архитектуры. В классификации Скилликорна этим целям служили переключатели четырех типов (см. классификацию Д.Скилликорна ).

Используя систему понятий и обозначений, введенных выше, автор строит следующую систему классификации.

Назовем классом классификационной схемы именованную группу объектов, которые по некоторым специально выделенным свойствам отличаются от объектов других классов. Множество классов образует категорию.

Множество свойств, которые являются определяющими при отнесении объекта к какому-либо классу, назовем классификационными характеристиками (TC - taxonomic characters). В нашем случае введенные выше базовые элементы архитектуры определяют эти классификационные характеристики.

В сложных системах классификации может быть несколько категорий, образующих иерархию. Каждый объект может появляться только в одном классе в некоторой категории.

С. Дазгупта предлагает для систематизации архитектур классификацию с тремя уровнями (категориями) иерархии. Он считает, что иерархические системы обладают рядом привлекательных свойств. В частности, подобные системы позволяют не только легче сравнивать объекты, но также дают возможность определять, по каким параметрам и в какой степени объекты одного уровня иерархии сходны или различны.

Иерархия категорий строится таким образом, что объекты более низкого уровня обладают всеми свойствами объектов выше расположенного уровня и некоторыми дополнительными свойствами. Таким образом, степень детализации описания архитектуры будет уменьшаться при переходе к категориям более высокого уровня иерархии.

Итак, автор предлагает следующую иерархию категорий:

1) Самый низкий уровень - категория КЭШ-процессора с памятью MCP (memory-cache processor).

Классами этой категории являются всевозможные различные архитектуры. Соответствующую архитектуре формулу можно рассматривать как имя класса.

2) Более высокий уровень - категория КЭШ-процессора (СP). Множество классов этой категории получается путем удаления из классов категории CP составляющих, описывающих память.

3) Самый высокий уровень - категория процессора (P). Классы получают удалением кэш-составляющих из классов категории CP.

На каждом уровне описание архитектуры задается формулой, отображающей те свойства архитектуры, которые являются существенными для данной категории.

Наиболее низкий уровень иерархии содержит в виде формулы самое подробное описание архитектуры в терминах различных типов памяти и процессоров, с возможностью количественного отображения различных элементов архитектуры и указания природы связей между ними.

Две архитектуры принадлежат к одному классу в CP категории, если совпадают их описания процессоров и кэш-памяти. Если две архитектуры сходны только по описанию процессоров команд, то они попадают в один класс процессорной категории.

В заключении отметим, что те уровни иерархии, которые выделены Дазгуптой, не являются единственно возможными. Могут появиться другие варианты в зависимости от целей систематизации архитектур ( например, не всегда нас интересует конкретное число процессоров в системе или тип используемой памяти).

1.13 Классификация Дункана

В работе Р.Дункан излагает свой взгляд на проблему классификации архитектур параллельных вычислительных систем, причем сразу определяет тот набор требований, на который, с его точки зрения, может опираться искомая классификация:

1) Из класса параллельных машин должны быть исключены те, в которых параллелизм заложен лишь на самом низком уровне, включая:

- конвейеризацию на этапе подготовки и выполнения команды (instruction pipelining), т.е. частичное перекрытие таких этапов, как дешифрация команды, вычисление адресов операндов, выборка операндов, выполнение команды и сохранение результата;

- наличие в архитектуре нескольких функциональных устройств, работающих независимо, в частности, возможность параллельного выполнения логических и арифметических операций;

- наличие отдельных процессоров ввода/вывода, работающих независимо и параллельно с основными процессорами.

Причины исключения перечисленных выше особенностей автор объясняет следующим образом. Если рассматривать компьютеры, использующие только параллелизм низкого уровня, наравне со всеми остальными, то, во-первых, практически все существующие системы будут классифицированны как "параллельные" (что заведомо не будет позитивным фактором для классификации), и, во-вторых, такие машины будут плохо вписываться в любую модель или концепцию, отражающую параллелизм высокого уровня.

2) Классификация должна быть согласованной с классификацией Флинна, показавшей правильность выбора идеи потоков команд и данных.

3) Классификация должна описывать архитектуры, которые однозначно не укладываются в систематику Флинна, но, тем не менее, относятся к параллельным архитектурам (например, векторно-конвейерные).

Учитывая вышеизложенные требования, Дункан дает неформальное определение параллельной архитектуры, причем именно неформальность дала ему возможность включить в данный класс компьютеры, которые ранее не вписывались в систематику Флинна. Итак, параллельная архитектура - это такой способ организации вычислительной системы, при котором допускается, чтобы множество процессоров (простых или сложных) могло бы работать одновременно, взаимодействуя по мере надобности друг с другом. Следуя этому определению, все разнообразие параллельных архитектур Дункан систематизирует так, как показано на рис. 1.16:

Риснунок 1.16 - Классификация параллельных архитектур по Дункану

По существу систематика очень простая: процессоры системы работают либо синхронно, либо независимо друг от друга, либо в архитектуру системы заложена та или иная модификация идеи MIMD. На следующем уровне происходит детализация в рамках каждого из этих трех классов. Дадим небольшое пояснение лишь к тем из них, которые на сегодняшний день не столь широко известны.

Систолические архитектуры (их чаще называют систолическими массивами) представляют собой множество процессоров, объединенных регулярным образом (например, система WARP). Обращение к памяти может осуществляться только через определенные процессоры на границе массива. Выборка операндов из памяти и передача данных по массиву осуществляется в одном и том же темпе. Направление передачи данных между процессорами фиксировано. Каждый процессор за интервал времени выполняет небольшую инвариантную последовательность действий.

Гибридные MIMD/SIMD архитектуры, dataflow, reduction и wavefront вычислительные системы осуществляют параллельную обработку информации на основе асинхронного управления, как и MIMD системы. Но они выделены в отдельную группу, поскольку все имеют ряд специфических особенностей, которыми не обладают системы, традиционно относящиеся к MIMD.

MIMD/SIMD - типично гибридная архитектура. Она предполагает, что в MIMD системе можно выделить группу процессоров, представляющую собой подсистему, работающую в режиме SIMD (PASM, Non-Von). Такие системы отличаются относительной гибкостью, поскольку допускают реконфигурацию в соответствии с особенностями решаемой прикладной задачи.

Остальные три вида архитектур используют нетрадиционные модели вычислений. Dataflow используют модель, в которой команда может выполнятся сразу же, как только вычислены необходимые операнды. Таким образом, последовательность выполнения команд определяется зависимостью по данным, которая может быть выражена, например, в форме графа.

Модель вычислений, применяемая в reduction машинах иная и состоит в следующем: команда становится доступной для выполнения тогда и только тогда, когда результат ее работы требуется другой, доступной для выполнения, команде в качестве операнда.

Wavefront array архитектура объединяет в себе идею систолической обработки данных и модель вычислений, используемой в dataflow. В данной архитектуре процессоры объединяются в модули и фиксируются связи, по которым процессоры могут взаимодействовать друг с другом. Однако, в противоположность ритмичной работе систолических массивов, данная архитектура использует асинхронный механизм связи с подтверждением (handshaking), из-за чего "фронт волны" вычислений может менять свою форму по мере прохождения по всему множеству процессоров.

2 ОРГАНИЗАЦИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ

2.1 Общие сведения

Цифровой компьютер состоит из связанных между собой процессоров, памяти и устройств ввода-вывода.

На рис. 2.1 показано устройство обычного компьютера. Центральный процессор -- это мозг компьютера. Его задача -- выполнять программы, находящиеся в основной памяти. Он вызывает команды из памяти, определяет их тип, а затем выполняет их одну за другой. Компоненты соединены шиной, представляющей собой набор параллельно связанных проводов, по которым передаются адреса, данные и сигналы управления. Шины могут быть внешними (связывающими процессор с памятью и устройствами ввода-вывода) и внутренними.

Рисунок 2.1 - . Схема устройства компьютера с одним центральным процессором и двумя устройствами ввода-вывода

Процессор состоит из нескольких частей. Блок управления отвечает за вызов команд из памяти и определение их типа. Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические операции (например, сложение) и логические операции (например, логическое И).

Внутри центрального процессора находится память для хранения промежуточных результатов и некоторых команд управления. Эта память состоит из нескольких регистров, каждый из которых выполняет определенную функцию. Обычно все регистры одинакового размера. Каждый регистр содержит одно число, которое ограничивается размером регистра. Регистры считываются и записываются очень быстро, поскольку они находятся внутри центрального процессора.

Самый важный регистр -- счетчик команд, который указывает, какую команду нужно выполнять дальше. Название «счетчик команд» не соответствует действительности, поскольку он ничего не считает, но этот термин употребляется повсеместно. Еще есть регистр команд, в котором находится команда, выполняемая в данный момент. У большинства компьютеров имеются и другие регистры, одни из них многофункциональны, другие выполняют только какие-либо специфические функции.

2.2 Устройство центрального процессора

Внутреннее устройство тракта данных типичного фон-неймановского процессорапоказано на рис. 2.2. Тракт данных состоит из регистров (обычно от 1 до 32), АЛУ (арифметико-логического устройства) и нескольких соединяющих шин. Содержимое регистров поступает во входные регистры АЛУ, которые на рис. 2.2 обозначены буквами А и В. В них находятся входные данные АЛУ, пока АЛУ производит вычисления. Тракт данных -- важная составная часть всех компьютеров.

Рисунок 2.2 - Тракт данных в обычной фон-неймановской машине

АЛУ выполняет сложение, вычитание и другие простые операции над входными данными и помещает результат в выходной регистр. Этот выходной регистр может помещаться обратно в один из регистров. Он может быть сохранен в памяти, если это необходимо. На рис. 2.2 показана операция сложения. Однако входные и выходные регистры есть не у всех компьютеров.

Большинство команд можно разделить на две группы: команды типа регистр-память и типа регистр-регистр. Команды первого типа вызывают слова из памяти, помещают их в регистры, где они используются в качестве входных данных АЛУ. («Слова» -- это такие элементы данных, которые перемещаются между памятью и регистрами.) Словом может быть целое число. Другие команды этого типа помещают регистры обратно в память.

Команды второго типа вызывают два операнда из регистров, помещают их во входные регистры АЛУ, выполняют над ними какую-нибудь арифметическую или логическую операцию и переносят результат обратно в один из регистров. Этот процесс называется циклом тракта данных. В какой-то степени он определяет, что может делать машина. Чем быстрее происходит цикл тракта данных, тем быстрее компьютер работает.

2.3 Выполнение команд

Центральный процессор выполняет каждую команду за несколько шагов:

1) вызывает следующую команду из памяти и переносит ее в регистр команд;

2) меняет положение счетчика команд, который теперь должен указывать наследующую команду;

3) определяет тип вызванной команды;

4) если команда использует слово из памяти, определяет, где находится это слово;

5) переносит слово, если это необходимо, в регистр центрального процессора;

6) выполняет команду;

7) переходит к шагу 1, чтобы начать выполнение следующей команды.

Такая последовательность шагов (выборка--декодирование--исполнение) является основой работы всех компьютеров.

Первые компьютеры содержали небольшое количество команд, и эти команды были простыми. Но поиски более мощных компьютеров привели, кроме всего прочего, к появлению более сложных команд. Вскоре разработчики поняли, что при наличии сложных команд программы выполняются быстрее, хотя выполнение отдельных команд занимает больше времени. В качестве примеров сложных команд можно назвать выполнение операций с плавающей точкой, обеспечение прямого доступа к элементам массива и т. п. Если обнаруживалось, что две определенные команды часто выполнялись последовательно одна за другой, то вводилась новая команда, заменяющая работу этих двух.

Сложные команды были лучше, потому что некоторые операции иногда перекрывались. Какие-то операции могли выполняться параллельно, для этого использовались разные части аппаратного обеспечения. Для дорогих компьютеров с высокой производительностью стоимость этого дополнительного аппаратного обеспечения была вполне оправданна. Таким образом, у дорогих компьютеров было гораздо больше команд, чем у дешевых. Однако развитие программного обеспечения и требования совместимости команд привели к тому, что сложные команды стали использоваться и в дешевых компьютерах, хотя там во главу угла ставилась стоимость, а не скорость работы.

К концу 50-х годов компания IBM, которая лидировала тогда на компьютерном рынке, решила, что производство семейства компьютеров, каждый из которых выполняет одни и те же команды, имеет много преимуществ и для самой компании, и для покупателей. Чтобы описать этот уровень совместимости, компания IBM ввела термин архитектура. Новое семейство компьютеров должно было иметь одну общую архитектуру и много разных разработок, различающихся по цене и скорости, которые могли выполнять одну и ту же программу. Но как построить дешевый компьютер, который будет выполнять все сложные команды, предназначенные для высокоэффективных дорогостоящих машин?

Решением этой проблемы стала интерпретация. Эта технология, впервые предложенная Уилксом в 1951 году, позволяла разрабатывать простые дешевые компьютеры, которые, тем не менее, могли выполнять большое количество команд. В результате IBM создала архитектуру System/360, семейство совместимых компьютеров, различных по цене и производительности. Аппаратное обеспечение без интерпретации использовалось только в самых дорогих моделях.

Простые компьютеры с интерпретированными командами имели некоторые другие преимущества. Наиболее важными среди них были:

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.