Материал: А. Д. Чередов, А. Н. Мальчуков

структуры процессоров IA-32, x86-64, IA-64, особенности многоядер- ных микроархитектур Intel Core, Intel Nehalem, Intel Sandy Bridge, Intel Haswell, Intel Skylake; структуры универсальных микропроцессоров Intel, AMD. Особенности организации процессоров семейства «Эль- брус».

В четвертой главе описываются принципы организации подсисте- мы памяти компьютера: рассматривается иерархическая структура па- мяти компьютера; способы организации кэш-памяти; принципы органи- зации оперативной памяти и методы повышения её пропускной способ- ности. Особое внимание уделяется реализации виртуальной памяти.

В пятой главе рассматриваются особенности организации систем- ного интерфейса и ввода/вывода информации: даётся общая характери- стика и классификация интерфейсов; описываются способы организа- ции передачи данных и системной организации компьютеров на базе чипсетов Intel и AMD.

В шестой главе кратко описываются архитектуры и классификации многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем (MISD, MIMD, SMP, MPP и др.).

В приложении 1 приведены контрольные вопросы и задания для са- мопроверки.

1. 1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   76

АРХИТЕКТУРЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ

Электронная вычислительная машина (компьютер) – комплекс технических и программных средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Под системой понимают любой объект, который одновременно рассматривается и как единое целое, и как объединенная в интересах достижения поставленных целей совокупность разнородных элементов.

Вычислительная система – взаимосвязанная совокупность средств вычислительной техники, включающая не менее двух основных процессоров либо вычислительных машин. Основным процессором называют составную часть ЭВМ, которая выполняет вычисления, предусматриваемые алгоритмами решаемых задач.

Информационная система – взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной цели. Информационная система немыслима без персонала, взаимодействующего с компьютерами и телекоммуникациями.

Под архитектурой ЭВМ понимается общая функциональная и структурная организация машины, определяющая методы кодирования данных, состав, назначение, принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.

Можно выделить следующие важные для пользователя компоненты архитектуры (рис. 1.1):

а) функциональные и логические возможности процессора (система команд, форматы команд и данных, способы адресации, разрядность обрабатываемых слов и т.д.);

б) структурную организацию и принципы управления аппаратными средствами (центральным процессором, памятью, вводом/выводом, системным интерфейсом и т.д.);

в) программное обеспечение (операционная система, трансляторы языков программирования, прикладное программное обеспечение и т.д.).

1. Архитектуры ЭВМ

Исторически первыми появились однопроцессорные архитектуры. Классическим примером однопроцессорной архитектуры является архитектура фон Неймана со строго последовательным выполнением команд: процессор по очереди выбирает команды программы и также по очереди обрабатывает данные. По мере развития вычислительной техники архитектура фон Неймана обогатилась сначала конвейером команд (рис. 1.2), а затем многофункциональной обработкой и по классификации М. Флина получила обобщенное название SISD (Single Instruction Single Data – один поток команд, один поток данных).


Архитектуры класса SISD охватывают те уровни программного параллелизма, которые связаны с одинарным потоком данных.

Параллелизм циклов и итераций тесно связан с понятием множественности потоков данных и реализуется векторной обработкой. В классификации компьютерных архитектур М. Флина выделена специальная группа однопроцессорных систем с параллельной обработкой потоков данных – SIMD (Single Instruction Multiple Data, один поток команд – множество потоков данных).

Ведущие поставщики микропроцессоров ищут пути повышения их производительности и снижения энергопотребления за счет использования многоядерных структур процессоров и многопотоковой обработки команд.

По классификации М. Флина такие структуры можно отнести к архитектурам MISD (Multiple Instruction Single Data, множество потоков команд –

один поток данных) и MIMD (Multiple Instruction Multiple Data, множество потоков команд – множество потоков данных).

1. 1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   76

Конвейерная обработка команд

Процедура выполнения команд процессором включает несколько характерных этапов. В простейшем случае можно выделить, как минимум, четыре этапа обработки команд (рис. 1.3, а): выборка команды (ВК), декодирование команды (ДК), выполнение операции (ОП) и запись результата (ЗР).

Каждый этап в процессоре выполняется за один такт. При последовательной обработке команд (рис. 1.3, б), выполнение следующей (n + 1)-й команды начинается только после завершения предыдущей (n)-й команды. Это приводит к низкой производительности и простоям аппаратуры процессора.

Для улучшения этих характеристик используется параллельное выполнение нескольких команд путем совмещения в каждом такте различных этапов их обработки (рис. 1.3, в). После выборки n-йкоманды во 2-м такте идет ее декодирование и выборка (n + 1)-й команды. В третьем такте выполняется n-я команда, декодируется (n + 2)-я и осуществ- ляется выборка (n + 3)-й команды и т.д. Такая организация работы про- цессора называется конвейерной обработкой (конвейером команд).

Совмещенные принципы обработки (конвейер команд) существен- но увеличивают пропускную способность процессора.

Приостанов работы конвейера вызывает любая команда условного перехода в программе или взаимозависимость команд, т.е. использова- ние следующей командой результатов предыдущей команды.

Конечно, рассмотренный нами процессор является гипотетиче- ским. В реальных процессорах конвейер обработки команд сложнее и включает большее количество ступеней. Причина увеличения длины конвейера заключается в том, что многие команды являются довольно