Архитектуры ЭВМ. 
Электронные вычислительные машины и системы

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

Можно выделить следующие важные для пользователя группы характеристик ЭВМ, определяющих её архитектуру:

• 1) характеристики и состав модулей базовой конфигурации ЭВМ;
• 2) характеристики машинного языка и системы команд (количество и номенклатура команд, их форматы, системы адресации, наличие программно-доступных регистров в процессоре и т. п.), которые определяют алгоритмические возможности процессора ЭВМ;
• 3) технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ;
• 4) состав программного обеспечения ЭВМ и принципы его взаимодействия с техническими средствами ЭВМ.

К наиболее общему принципу классификации ЭВМ и систем по типам архитектуры следует отнести разбиение их на однопроцессорные и многопроцессорные архитектуры (см. рис. 2.1).

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 (программа и данные хранятся в единственной последовательно адресуемой памяти).

Рис. 2.1 Архитектуры ЭВМ

По мере развития вычислительной техники архитектура фон Неймана обогатилась сначала конвейером команд, а затем многофункциональной обработкой, и по таксономии теория классификации и систематизации сложноорганизованных областей действительности, имеющих обычно иерархическое строение (c)2001 «Большая Российская энциклопедия» М. Флина получила обобщенное название компьютера с одним потоком команд и одним потоком данных.

Поток команд — это последовательность команд, выполняемых ЭВМ (системой), а поток данных — последовательность данных (исходная информация и промежуточные результаты решения задачи), обрабатываемых под управлением потока команд.

SISD-компьютеры.

Рис. 2.2 SISDархитектура

SISD (Single Instruction Single Data) или ОКОД — один поток команд, один поток данных. SISD компьютеры это обычные, «традиционные» последовательные компьютеры, в которых в каждый момент времени выполняется лишь одна операция над одним элементом данных (числовым или каким-либо другим значением). При работе такой системы в мультипрограммном режиме, когда совместно решаются несколько задач (программы и исходные данные по каждой из них хранятся в оперативной памяти), обеспечивается параллельная работа устройств системы, происходит разделение времени и оборудования между совместно выполняемыми программами. Но в каждый данный момент операционное устройство (АЛУ), поскольку оно является единственным, занимается обработкой информации по какой-то одной команде, т. е. одновременное преобразование информации в АЛУ по нескольким командам, принадлежащим разным участкам одной и той же программы или разным программам, невозможно. Основная масса современных ЭВМ функционирует в соответствии с принципом фон Неймана и имеет архитектуру класса SISD. Данная архитектура породила CISC, RISC и архитектуру с суперскалярной обработкой.

Компьютеры с CISC архитектурой Компьютеры с CISC (Complex Instruction Set Computer) архитектурой имеют комплексную (полную) систему команд, под управлением которой выполняются всевозможные операции типа «память-память», «память-регистр», «регистр-память», «регистр-регистр». Данная архитектура характеризуется:

Ё большим числом команд (более 200);

Ё переменной длиной команд (от 1 до 11 байт);

Ё значительным числом способов адресации и форматов команд;

Ё сложностью команд и многотактностью их выполнения;

Ё 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 8080, 80 486, 80 586 (товарная марка Pentium).

Компьютеры с RISC архитектурой 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:

Ё сокращенным числом команд;

Ё тем, что большинство команд выполняется за один машинный такт;

Ё постоянной длиной команд;

Ё небольшим количеством способов адресации и форматов команд;

Ё тем, что для простых команд нет необходимости в использовании микропрограммного управления;

Ё 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.

Компьютеры с суперскалярной обработкой 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.

Аппаратная реализация суперскалярной обработки 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.

VLIW-архитектуры суперскалярной обработки. 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 одиночным 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 таксономии компьютерных архитектур М. Флина выделена специальная группа однопроцессорных систем с параллельной обработкой потоков данных — SIMD.