ОКОД-структуры. Однопроцессорные структуры ВС

Можно перечислить большое число приведенных улучшений классической структуры ЭВМ, ставших в настоящее время определенными стандартами при построении новых ЭВМ: иерархическое построение памяти ЭВМ, появление сверхоперативной памяти и кэш-памяти, относительная и косвенная адресация памяти, разделение процессоров ввода-вывода и обработки задач, появление систем прерывания и приоритетов и т.д.

Этому также способствовали успехи последних лет в микроэлектронике и системотехнике. Большие интегральные схемы (БИС), к которым относятся все современные микропроцессоры, аккумулируют в своем составе самые последние достижения, способствующие увеличению быстродействия и производительности компьютера. Очень многие аппаратные идеи и схемы заимствованы из структур ранних поколений, включая большие ЭВМ и даже суперЭВМ. В аппаратуру серверов и ПК все больше внедряются решения, связанные с параллельными вычислениями, что делает их по существу вычислительными системами.

Например, ранее только суперЭВМ объединяли в своем составе суперскалярную и векторную (матричную) обработку. Теперь же эти свойства характерны практически для всех современных микропроцессоров различных производителей (Pentium 4 фирмы Intel, Athlon -Фирмы AMD, Alpha - фирмы Dell, Ultra Spark - фирмы Sun, PA-RISC -Hewlett Packard, Power PC - фирмы IBM, MIPS – фирмы SGI и др.)

Если компьютер способен одновременно выполнять несколько последовательных команд программы, то он называется суперскалярным. Суперскаляркость обычно присуща RISC-процессорам (Reduced Instruction Set Computing - процессоры с сокращенным набором команд). Процессоры этого класса имеют значительно больший состав регистров общего назначения - регистров сверхоперативной памяти что и определяет улучшенные возможности параллельной работы последовательности команд программы.

К RISC-архитектуре традиционно относят микропроцессоры фирм AMD и Dell. Упрощенный состав операций микропроцессора обеспечивает более простое построение его ядра и соответственно повышенную скорость работы. В RISC-структурах основу системы команд составляют наиболее употребительные, «короткие» операции типа алгебраического сложения. Сложные операции выполняются как подпрограммы, состоящие из простых операций. Это позволяет значительно упростить внутреннюю структуру процессора, уменьшить фазы дробления конвейерной обработки и увеличить частоту работы конвейера. Но здесь необходимо отметить, что за эффект приходится расплачиваться усложнением процедур обмена данными между регистрами сверхоперативной памяти и кэш-памяти с оперативной памятью.

Микропроцессоры фирмы Intel изначально относились к CISC-процессорам (Complete Instruction Set Computing - вычисления с полной системой команд). В компьютерах этой группы большую долю команд составляют команды типа «память - память», в которых операнды и результаты операций находятся в оперативной памяти. Время обращения к памяти и время вычислений соотносится примерно 5: 1. В RISC-машинах с большой сверхоперативной памятью большой удельный вес составляют операции «регистр - регистр» и отношение времени обращения к памяти к времени вычислений составляет 2: 1.

Эволюция микропроцессоров показывает, что постепенно оба направления начинают сближаться, что и в схемах Pentium последних выпусков отчетливо формируется RISC-ядро и расширяется сверхперативная память. Однако испытания самых мощных микропроцессоров фирм Intel и AMD показали, что ядро Athlon примерно в два раза быстрее, чем у Pentium, но более медленная (примерно вдвое кэш-память.

Суперскалярность затрагивает и организацию конвейера последовательно выполняемых команд: формирование адреса команд выбор команды, формирование адресов и выбор операндов, выполнение команды, запись результата. Однако примитивная организм памяти компьютеров (память линейна и одномерна) не позволяет организовывать длинные и эффективные конвейеры. Линейные участки современных программ редко превышают десяток - полтора последовательно выполняемых команд. Поэтому конвейер часто перезапускается, что сильно снижает производительность компьютера в целом.

Многофункциональная обработка также нашла свое место при построении компьютеров. Например, даже в ПК, построенные на микропроцессорах Athlon и Pentium, могут включаться специализированные средства обработки: умножители, делители, сопроцессоры или блоки десятичной арифметики, сопроцессоры обработки графической и аудио-информации. Все они совместно с центральным процессором компьютера создают своеобразные микроконвейеры, целью которых является повышение скорости вычислений.

Другой модификацией классической структуры ЭВМ являются VLlW-компьютеры (Very Large Instruction Word - с очень длинным командным словом). Компьютеры этого типа выбирают из памяти суперкоманды, включающие несколько команд программы. Здесь возможны варианты.

В самом простом случае это приводит к появлению буфера команд (кэш-команд) с целью ускорения конвейера операций. По этому принципу работает кэш-память 1-го уровня, часть которой используется для ускоренной выборки команд, а другая - для данных. В более сложных случаях в состав суперкоманд стараются включать параллельные команды, не связанные общими данными. Если процессор ЭВМ при этом построен из функционально независимых устройств (устройства алгебраического сложения, умножения, сопроцессоры), то в этом случае обеспечивается максимальный эффект работы ЭВМ. Но это направление связано с кардинальной перестройкой процессов трансляции и исполнения программ. Здесь значительно усложняются средства автоматизации программирования.

VLIW-компьютеры могут выполнять суперскалярную обработку, одновременно выполнять две или более команды. В целом ряде структур суперЭВМ использовалась эта идея. Отметим, что и в последних выпусков имеется возможность выполнения до десятка команд одновременно. Эта реализация имеет две цели:

• уменьшение отрицательного влияния команд ветвления вычислительного процесса путем выполнения независимых команд двух различных ветвей программы. При этом в какой-то степени исключаются срывы конвейера в обработке команд программы;
• одновременное выполнение нескольких команд (независимых по данным и регистрам их хранения), например, команды пересылки и арифметические операции.

Векторная, матричная обработка предполагает обработку одной командой нескольких комплектов операндов. Внутри одной архитектуры начинают просматриваться черты другой. Подобные команды относятся к архитектуре SIMD (Single Instruction - Multiple Data, одиночный поток команд — множественный поток данных). Истоки этой технологии можно обнаружить в операциях работы со строковыми (символьными) данными. Векторные процессоры имелись у всех суперЭВМ. В современных компьютерах, построенных на микропроцессорах, этот вид обработки реализован своеобразно.

Он получил название ММХ (Multi-Media - мультимедийные расширения или Matrix Math Extensions - матричные математические расширения) и SSE (Streaming SIMD Extensions - потоковые расширения SIMD) технологии. Их введение связано с ориентацией на работу с видео-, аудио- и графической информацией. В приложениях с этими типами данных очень велика доля циклов, участков программ, повторяемых многократно. Несмотря на то, что они занимают примерно 10% от объема всего приложения, на их выполнение может уйти до 90% общего времени выполнения [13]. Включение операций, относящихся к SIMD, позволяет значительно ускорить вычисления.

Технология ММХ появилась в 1997 г. в микропроцессорах Pentium 2. В зависимости от контекста расшифровывается как мультимедийные расширения или как матричные математические расширения, что не очень сильно противоречит друг другу, если учесть, что операции этой группы работают с целыми числами.

Операции ММХ включают 57 различных команд, позволяющих выполнять следующие операции над несколькими операндами с изменяемыми форматами данных:

• арифметические операции, типа сложения, вычитания, yумножения и комбинации операций умножения и сложения;

• сравнение данных на равенство и по величине;

• преобразование форматов данных;

• логические операции над 64-битовыми операндами;

• пересылка данных между регистрами ММХ, между регистрам ММХ и регистрами CPU (Central Processor Unit - центральным процессором), регистрами ММХ и памятью;

• очистка и подготовка регистров ММХ.

В качестве операндов этих новых операций можно использовать:

• упакованные байты (Packed byte) - восемь байтов;

• упакованные слова (Packed word) - четыре слова по 16 разрядов;

• упакованные двойные слова (Packed doubleword) - два двойных слова по 32 разряда;

• учетверенное слово (Quadword) - 64-битное слово.

Таким образом, одна команда ММХ может одновременно обрабатывать 1, 2, 4 и 8 операндов различной разрядности. Для выполнения новых операций фирма Intel решила использовать в своих микропроцессорах блок FPU (Floating Point Unit - блок плавающей арифметики). Место размещения операндов - младшие 64 разряда регистров ММХО-ММХ7 (80-разрядные регистры FPU). Совмещение регистров ММХ и FPU создавало ограничения на чередование

команд ММХ и FPU. Иногда приходилось сохранять, а затем вос­станавливать состояния регистров разных приложений. Кроме того, выигрыш от применения операций ММХ уменьшался за счет необ­ходимости предварительной упаковки и последующей распаковки данных.

При появлении следующих поколений микросхем Pentium (Pentium 1999 г. и т.д.) было проведено обновление технологии ММХ. Предварительно оно получило название ММХ-2, а затем SSE. (Streaming SIMD Extensions - потоковые расширения SIMD). В новые модели микропроцессоров был введен новый блок из восьми 128-разрядных регистров ХММ (extended Multi Media - расширения мультимедиа). Операции с плавающей точкой аппаратно были полностью отделены от мультимедийных данных. Количество операций SSE было расширено на 70 новых инструкций в дополнение к существующим ММХ.

Новый комплекс операций позволял эффективнее работать с данными мультимедиа. Новый формат регистров обеспечивал расширение числа операндов, одновременно обрабатываемых одной командой, и лучше соответствовал 80-битным стандартам MPEG-2, ускоряя вычисления.

В микропроцессоре Pentium 4 технология получила очередное расширение под названием SSE-2, а в микропроцессор Pentium 4E (Prescott) добавлены еще 13 команд для работы с мультимедийными данными. Изменения определялись в основном введением новых типов 128-битных операндов:

• упакованных пар вещественных чисел двойной точности;
• упакованных целых чисел: 16 байт, 8 слов, 4 двойных слова по 32 разряда, 2 учетверенных слова по 64 разряда.

Все регистры можно использовать как в векторных, так и в скалярных инструкциях. Часть инструкций предназначается для управления эффективной работой кэш-памяти.

При появлении технологии ММХ фирмы AMD и Cyrix (Via) лицензировали у Intel, переработали и стали использовать аналогичные решения в своих разработках. Первая реализация в К6-2 микропроцессорах фирмы AMD получила название 3Dnow!. Здесь была введена 21 инструкция для мультимедийных типов данных. В процессорах следующих поколений Athlon и Duron набор инструкций 3Dnow! претерпел развитие и был дополнен еще 5-ю операциями для обработки Чисел с плавающей точкой и 19-ю операциями, аналогичными наборам SSE.

Увеличение в структурах процессоров числа регистров и объема быстродействующей кэш-памяти первого уровня позволяет осуществить параллельную обработку нескольких не зависимых друг от друга команд (Explitly Parallel Instruction Computing EPIC).

Одним из достижений Intel в конце 2002 г. следует считать выпуск нового процессора Pentium 4 с тактовой частотой 3,06 ГГц, поддерживающего Hyper-Threading, т. е. реализацию в одном физическом процессоре нескольких логических. Это позволяет при задержках обработки одной программы (трейда или нити, подзадачи) переключаться на выполнение команд другой программы – трейда. Для осуществления этого потребовалось увеличить число транзисторов ядра микропроцессора примерно на 5% и получить выигрыш, соизмеримый с 30-процентным увеличением кэш-памяти. Новые микропроцессоры предполагается использовать не только в серверах, но и в настольных ПК.