Работа. Архитектура компьютеров. Однопроцессорные архитектуры эвм
 Скачать 237.5 Kb.
|
|
Однопроцессорные 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, а затем многофункциональной обработкой и по классификации М.Флина получила обобщенное название SISD (Single Instruction Single Data — один поток команд, один поток данных). Основная масса современных ЭВМ функционирует в соответствии с принципом фон Неймана и имеет архитектуру класса SISD. Данная архитектура породила CISC, MSC и архитектуру с суперскалярной обработкой (рис. 3.1). Компьютеры с CISC (Complex Instruction Set Computer) архитектурой имеют комплексную (полную) систему команд, под управлением которой выполняются всевозможные операции типа «память-память», «памятьрегистр», «регистр — память», «регистр — регистр».  Рис. 3.1. Классификация архитектуры SISD Данная архитектура характеризуется: - большим числом команд (более 200); - переменной длиной команд (от 1 до 11 байт); - значительным числом способов адресации и форматов команд; - сложностью команд и многотактностыо их выполнения; - наличием микропрограммного управления, что снижает быстродействие и усложняет процессор. Обмен с памятью в процессе выполнения команды делает практически невозможной глубокую конвейеризацию арифметики, т.е. ограничивается тактовая частота процессора, а значит, и его производительность. Большинство современных компьютеров типа IBM PC относятся к CISC архитектуре, например, компьютеры с микропроцессорами (МП) 8080, 80486, 80586 (товарная марка Pentium). Компьютеры с RISC (Reduced Instruction Set Computer) архитектурой содержат набор простых, часто употребляемых в программах команд. Основными являются операции типа «регистр — регистр». Данная архитектура характеризуется: - сокращенным числом команд; - тем, что большинство команд выполняется за один машинный такт; - постоянной длиной команд; - небольшим количеством способов адресации и форматов команд; - тем, что для простых команд нет необходимости в использовании микропрограммного управления; - большим числом регистров внутренней памяти процессора. Компьютеры с RISC-архитектурой «обязаны» иметь преимущество в производительности по сравнению с CISC компьютерами, за которое приходится расплачиваться наличием в программах дополнительных команд обмена регистров процессора с оперативной памятью. В настоящее время практически все ведущие производители компьютеров прилагают большие усилия для производства RISC-процессоров. Еще одной разновидностью однопотоковой архитектуры является суперскалярная обработка. Смысл этого термина заключается в том, что в аппаратуру процессора закладываются средства, позволяющие одновременно выполнять две или более скалярные операции, т.е. команды обработки пары чисел. Суперскалярная архитектура базируется на многофункциональном параллелизме и позволяет увеличить производительность компьютера пропорционально числу одновременно выполняемых операций. Способы реализации суперскалярной обработки могут быть разными. Первый способ применяется как в CISC, так и в RISC - процессорах и заключается в чисто аппаратном механизме выборки из буфера инструкций (или кэша инструкций) несвязанных команд и параллельном запуске их на исполнение. Этот метод хорош тем, что он «прозрачен» для программиста, составление программ для подобных процессоров не требует никаких специальных усилий, ответственность за параллельное выполнение операций возлагается в основном на аппаратные средства. Второй способ реализации суперскалярной обработки заключается в кардинальной перестройке всего процесса трансляции и исполнения программ. Уже на этапе подготовки программы компилятор группирует несвязанные операции в пакеты, содержимое которых строго соответствует структуре процессора. Например, если процессор содержит функционально независимые устройства (сложения, умножения, сдвига и деления), то максимум, что компилятор может «уложить» в один пакет - это четыре разнотипные операции: (сложение, умножение, сдвиг и деление). Сформированные пакеты операций преобразуются компилятором в командные слова, которые по сравнению с обычными инструкциями выглядят очень большими. Отсюда и название этих суперкоманд и соответствующей им архитектуры - VLIW (Very Large Instruction Word - очень широкое командное слово). По идее, затраты на формирование суперкоманд должны окупаться скоростью их выполнения и простотой аппаратуры процессора, с которого снята вся «интеллектуальная» работа по поиску параллелизма несвязанных операций. Однако практическое внедрение VLIW-архитектуры затрудняется значительными проблемами эффективной компиляции. Архитектуры класса SISD охватывают те уровни программного параллелизма, которые связаны с одинарным потоком данных. Они реализуются многофункциональной обработкой и конвейером команд. 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 Date, один поток команд - множество потоков данных). Возможны два способа построения компьютеров этого класса. Это матричная структура и векторно-конвейерная обработка. Суть матричной структуры заключается в том, что имеется множество процессорных элементов, исполняющих одну и ту же команду над различными элементами вектора, объединенных коммутатором. Основная проблема заключается в программировании обмена данными между процессорными элементами через коммутатор. В отличие от матричной, векторно-конвейерная структура компьютера содержит конвейер операций, на котором обрабатываются параллельно элементы векторов и полученные результаты последовательно записываются в единую память. При этом отпадает необходимость в коммутаторе процессорных элементов, служащем камнем преткновения в матричных компьютерах. Примером векторных супер-ЭВМ с матричной структурой является знаменитая в свое время система ILLIAC-IV. Векторно-конвейерную структуру имеют однопроцессорные супер-ЭВМ серии VP фирмы Fujitsu; серии S компании Hitachi; C90, М90, Т90 фирмы Cray Research; Cray-3, Cray-4 фирмы Cray Computer и т.д. Общим для всех векторных суперкомпьютеров является наличие в системе команд векторных операций, допускающих работу с векторами определенной длины, допустим, 64 элемента по 8 байт. В таких компьютерах операции с векторами обычно выполняются над векторными регистрами. Еще одним примером SIMD-архитектуры является технология ММХ, которая существенно улучшила архитектуру микропроцессоров фирмы Intel. Она разработана для ускорения выполнения мультимедийных и коммуникационных программ. В ММХ используются 4 новых типа данных и 57 новых инструкций. Команды ММХ выполняют одну и ту же функцию с различными частями данных, например, 8 байт графических данных передаются в процессор как одно упакованное 64-х разрядное число и обрабатываются одной командой. ММХ - команды используют восемь 64-разрядных регистров, «физически» размещенных в мантиссах регистров с плавающей запятой, и используются в том же режиме процессора, что и команды с плавающей запятой. Все программное обеспечение, созданное для ранее выпущенных процессоров, без всяких изменений может выполняться на процессорах с технологией ММХ. 2. Архитектура многопроцессорных систем 2.1 Классификация многопроцессорных систем Многопроцессорные системы по классификации Флинна относятся к архитектурам типа MIMD(Multiple Instruction Multipl Data) с множественным потоком команд при множественном потоке данных (МКМД). В многопроцессорной системе каждый процессор выполняет свою программу достаточно независимо от других процессоров. Процессоры в ходе решения общей задачи должны связываться друг с другом в соответствии с графом взаимодействия её параллельных ветвей. Это вызывает необходимость более подробно производить классификацию систем типа MIMD. В многопроцессорных системах с общей памятью (сильносвязанных) имеется память данных и команд, доступная всем процессорам. С общей памятью процессоры связываются с помощью коммуникационной среды, основой которой может быть либо общая шина (ОШ), либо множество шин (МШ), либо перекрёстный коммутатор (ПК). В противоположность этому варианту в слабосвязанных многопроцессорных системах (машинах с распределённой памятью) вся память разделена между процессорами и каждый блок памяти доступен только локальному процессору. Память и процессор образуют фактически независимые вычислительные модули (вычислительные узлы), которые связываются между собой при помощи высокоскоростной сети обмена с коммутацией сообщений. Сообщение – это блок информации, сформированный процессомотправителем таким образом, чтобы он был понятен процессуполучателю. Сообщение состоит из заголовка фиксированной длины и набора данных определённого типа обычно переменной длины. В заголовок, как правило, включают следующую информацию: · адрес - это поле, предназначенное для идентификации процессоров (вычислительных узлов), участвующих в процедуре обмена. Адрес процессора или вычислительного узла является уникальным и состоит из двух частей - адреса процессора - отправителя и адреса процессора - получателя; · управляющие поля, в которые могут входить символы синхронизации, отмечающие начало и конец передаваемого блока (кадра) данных, символы, обозначающие тип данных, длину передаваемых данных и др. В качестве топологической модели коммуникационной среды применяют линейные или кольцевые моноканалы, звездообразную конфигурацию, плоскую решётку, n- мерный тор, либо n- кубическую (гиперкубическую) сеть. Базовой моделью вычислений на MIMD-системах является совокупность независимых процессов, время от времени обращающихся к разделяемым данным. Основана она на распределенных вычислениях, в которых программа делится на довольно большое число параллельных задач. В настоящее время всё большее внимание разработчики проявляют к архитектурам типа MIMD. Это находит объяснение главным образом существованием двух факторов: 1) в архитектурах MIMD используются высокотехнологичные, дешёвые, выпускаемые массово микропроцессоры, что позволяет оптимизировать соотношение стоимость/производительность; 2) архитектура MIMD дает большую гибкость и при наличии соответствующей поддержки со стороны аппаратных средств и программного обеспечения, поскольку может работать и как однопрограммная система, обеспечивая высокопроизводительную обработку данных для одной прикладной задачи, и как многопрограммная, выполняющая множество задач параллельно, а также как некоторая комбинация этих возможностей. Одной из отличительных особенностей многопроцессорной вычислительной системы является коммуникационная среда, с помощью которой процессоры соединяются друг с другом или с памятью. Топология коммуникационной среды настолько важна для многопроцессорной системы, что многие характеристики производительности и другие оценки выражаются отношением времени обработки к времени обмена, которые в общем случае зависят от алгоритмов решаемых задач и порождаемых ими вычислительных процессов. Существуют две основные модели межпроцессорного обмена: одна основана на передаче сообщений, другая - на использовании общей памяти. В многопроцессорных системах с общей памятью один процессор осуществляет запись в конкретную ячейку, а другой процессор производит считывание из этой ячейки памяти. Чтобы обеспечить согласованность данных и синхронизацию процессов, обмен часто реализуется по принципу взаимно исключающего доступа к общей памяти методом "почтового ящика". В архитектурах с распределённой памятью непосредственное разделение памяти невозможно. Вместо этого процессоры получают доступ к совместно используемым данным посредством передачи сообщений по сети обмена. Эффективность схемы коммуникаций зависит от протоколов обмена, каналов обмена и пропускной способности памяти. Такие системы часто называют системами с передачей сообщений. Каждый из этих механизмов обмена имеет свои преимущества. Для обмена в общей памяти это включает: · совместимость с хорошо понятными и используемыми в однопроцессорных системах механизмами взаимодействия процессора с основной памятью; · простота программирования, особенно это заметно в тех случаях, когда процедуры обмена между процессорами сложные или динамически меняются во время выполнения. Подобные преимущества упрощают конструирование компилятора; · более низкая задержка обмена и лучшее использование полосы пропускания при обмене малыми порциями данных; · возможность использования аппаратно управляемого кэширования для снижения частоты удаленного обмена, допускающая кэширование всех данных как разделяемых, так и неразделяемых. Основные преимущества обмена с помощью передачи сообщений являются: · аппаратура может быть более простой, особенно по сравнению с моделью разделяемой памяти, которая поддерживает масштабируемую когерентность кэш-памяти; · процедуры обмена понятны, принуждают программистов (или компиляторы) уделять внимание обмену, который обычно имеет высокую, связанную с ним, стоимость. Часто, в системах с общей памятью затраты времени на обмен не учитываются, так как проблемы обмена в значительной степени скрыты от программиста. Однако накладные расходы на обмен в этих системах имеются и определяются в основном конфликтами при доступе процессоров и других устройств к общим шинам и блокам основной памяти. Чем больше процессоров добавляется в систему, тем больше процессов соперничают при использовании одних и тех же данных и шины, что может привести к значительным задержкам хода вычислительного процесса и, следовательно, к потерям общей производительности. Причём с увеличением числа процессоров в системе возможно появление эффекта насыщения при котором рост числа процессоров не приведёт к росту производительности, и даже наоборот к её падению. Модель системы с общей памятью очень удобна для программирования, поскольку пользователь практически не задумывается о процедурах распараллеливания (они большей частью ложаться на компилятор) и процедурах взаимодействия параллельных процессов (они производятся аппаратными средствами посредством общей памяти). В сетях с коммутацией сообщений по мере возрастания требований к обмену следует учитывать возможность перегрузки сети. Здесь межпроцессорный обмен связывает сетевые ресурсы: каналы, процессоры, буферы сообщений. Объем передаваемой информации может быть сокращен за счет тщательного разбиения задачи на параллельные ветви и тщательного диспетчирования процесса их исполнения. Таким образом, существующие MIMD-системы распадаются на два основных класса в зависимости от количества объединяемых процессоров, которое определяет и способ организации памяти и методику их межсоединений. К первому классу относятся системы с разделяемой (общей) основной памятью (Shared Memory multiProcessing, SMP), объединяющие до нескольких (2-16) процессоров, число которых зависит от типа применяемой коммуникационной среды. Сравнительно небольшое количество процессоров в таких системах позволяет иметь одну централизованную общую память и зачастую объединить процессоры и память с помощью лишь одной шины. При наличии у процессоров кэшпамяти достаточного объема высокопроизводительная шина и общая память могут удовлетворить обращения к памяти, поступающие от нескольких процессоров. Поскольку имеется единственная память с одним и тем же временем доступа, эти системы называют симметричными, а иногда - UMA (Uniform Memory Access). Симметричная архитектура предполагает однородность процессоров и единообразную схему их включения в многопроцессорную систему. Такой способ организации со сравнительно небольшой разделяемой памятью в настоящее время является наиболее популярным. |