Э. Таненбаум - Архитектура компьютера (1127755), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Этот механизм стал прообразом 5-ступенчатого конвейера микропроцессора 486. — Примеч. науч н. ред. 82 Глава 2, Организация компьютерных систем применяются операции с целыми числами, при той же тактовой частоте на РепГ1пш выполняются почти в два раза быстрее, чем на 486 11681 Вне всяких сомнений, преимущество в скорости было достигнуто благодаря второму конвейеру. Переход к четырем конвейерам возможен, но требует громоздкого аппаратного обеспечения (отметим, что компьютерщики, в отличие от фольклористов, не верят в счастливое число три). Вместо этого используется другой подход.
Основная идея — один конвейер с большим количеством функциональных блоков, как показано на рис. 2.5. Репьшш П, к примеру, имеет сходную структуру (подробно мы рассмотрим ее в главе 4). В 1987 году для обозначения этого подхода был введен термин суперскалярная архитектура (5]. Однако подобная идея нашла воплощение еще тридцатью годами ранее в компьютере СРС 6600. Этот компьютер вызывал команду из памяти каждые 100 нс и помещал ее в один из 10 функциональных блоков для параллельного выполнения.
Пока команды выполнялись, центральный процессор вызывал следующую команду. Рис. 2.6. Суперскалярный процессор с пятью функциональными блоками Со временем значение понятия «суперскалярный» несколько изменилось. Теперь суперскалярными называют процессоры, способные запускать несколько команд (зачастую от четырех до шести) за один тактовый цикл. Естественно, чтобы передавать все эти команды, в суперскалярном процессоре должно быть несколько функциональных блоков.
Поскольку в процессорах этого типа, как правило, предусматривается один конвейер, его устройство обычно соответствует рис. 2.5. В свете такой терминологической динамики на сегодняшний день можно утверждать, что компьютер 6600 не был суперскалярным с технической точки зрения — ведь за один тактовый цикл в нем запускалось не больше одной команды. Однако при этом был достигнут аналогичный результат — команды запускались быстрее, чем выполнялись.
На самом деле разница в производительности между Процессоры 83 ЦП с циклом в 100 нс, передающим за этот период по одной команде четырем функциональным блокам, и ЦП с циклом в 400 нс, запускающим за это время четыре команды, трудноуловима. В обоих процессорах соблюдается принцип превьппения скорости запуска над скоростью управления; при этом рабочая нагрузка распределяется между несколькими функциональными блоками.
Отметим, что на выходе ступени 3 команды появляются значительно быстрее, чем ступень 4 способна их обрабатывать. Если бы на выходе ступени 3 команды появлялись каждые 10 нс, а все функциональные блоки делали свою работу также за 10 нс, то на ступени 4 всегда функционировал бы только один блок, что сделало бы саму идею конвейера бессмысленной. В действительности большинству функциональных блоков ступени 4 (точнее, обоим блокам доступа к памяти и блоку выполнения операций с плавающей точкой) для обработки команды требуется значительно больше времени, чем занимает один цикл. Как видно из рис.
2.5, на ступени 4 может быть несколько АЛУ. Параллелизм на уровне процессоров Спрос на компьютеры, работающие г все более и более высокой скоростью, не прекращается. Астрономы хотят выяснить, что произошло в первую микросекунду после болыпого взрыва, экономисты хотят смоделировать всю мировую экономику, подростки хотят играть в трехмерные интерактивные игры со своими виртуальными друзьями через Интернет. Быстродействие процессоров растет, но у них постоянно возникают проблемы со скоростью передачи информации, поскольку скорость распространения электромагнитных волн в медных проводах н света в оптико-волоконных кабелях по-прежнему остается равной 20 см/нс, независимо от того.
насколько умны инженеры компании !п1е!. Кроме того, чем быстрее работает процессор, тем сильнее он нагревается', поэтому возникает задача защиты его от перегрева. Параллелизм на уровне команд в определенной степени помогает, но конвейеры и суперскалярная архитсктура обычно повышают скорость работы всего лишь в 5-10 раз. Чтобы увеличить производительность в 50, 100 и более раз, нужно создавать компьютеры с несколькими процессорами.
Ознакомимся с устройством таких компьютеров. Матричные компьютеры Многие задачи в физических и технических науках предполагают использование массивов или других упорядоченных структур, Часто одни и те же вычисления могут производиться над разными наборами данных в одно и то же время. Упорядоченность н структурированность программ, предназначенных для выполнения такого рода вычислений, очень удобны в плане ускорения вычислений за счет параллельной обработки команд. Существует две схемы ускоренного выполнения больших научных программ. Хотя обе схемы во многих отношениях ' Это не совсем точно.
Есть масса примеров, противоречащих этому высказыванию. Тетщовылеление, конечно, зависит от частоты переключения элементов, но оно зависит н от размеров этих элементов, и от напряжения, на котором они работают. — Примеч. ниучн. ред. 84 Глава 2. Организация компьютерных систем епьные команды НННННННН НННННННН НННННННН НННННННН г1роцессор Н Н Н Н Н Н Н Н ННННННН и--. НННННННН Матрица размером 8х8 нз блоков процессор/память НВНННННН Рис. 2.6. Матричный процессор 1ШАС В С точки зрения программиста, векторный процессор (чесгог ргосеззог) очень похож на матричный.
Как и матричный, он чрезвычайно эффективен при выполнении последовательности операций над парами элементов данных. Однако в отличие от матричного процессора, все операции сложения выполняются в одном блоке суммирования, который имеет конвейерную структуру. Компания Сгау КезеагсЬ, основателем которой был Сеймур Крей, выпустила множество моделей векторных процессоров, начиная с модели Сгау-1 (1974). Компания Сгау КезеэгсЬ в настоящее время входит в состав ЯС1. схожи, одна из них предполагает расширение единственного процессора, другая— добавление параллельного вычислителя.
Матричный процессор (аггау ргосезэог) 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 1ШАС 1Ч (Университет Иллинойс). Схематически он изображен на рис. 2.6 1291. Первоначально предполагалось сконструировать машину, состоящую из четырех квадрантов, каждый из которых содержал матрицу размером 8 х 8 из блоков процессор/память.
Для каждого квадранта имелся один блок контроля. Он рассылал команды, которые выполнялись всеми процессорами одновременно, при этом каждый процессор использовал собственные данные из собственной памяти (загрузка данных происходила при инициализации). Это решение, значительно отличающееся от стандартной фон-неймановской машины, иногда называют архитектурой 81МР (81пя1е 1пзггпсг1оп-зггеат Мп)г1р1е РаСа-зггеаш— один поток команд с несколькими потоками данных). Из-за очень высокой стоимости был построен только один такой квадрант, но он мог выполнять 50 млн операций с плавающей точкой в секунду. Если бы при создании машины использовалось четыре квадранта, она могла бы выполнять 1 млрд операций с плавающей точкой в секунду, и вычислительные возможности такой машины в два раза превышали бы возможности компьютеров всего мира.
Процессоры 85 Оба типа процессоров работают с массивами данных. Оба они выполняют одни и те же команды, которые, например, попарно складывают элементы двух векторов. Однако если у матричного процессора столько же суммирующих устройств, сколько элементов в массиве, векторный процессор содержит векторный регистр, состоящий из набора условных регистров. Эти регистры загружаются из памяти единственной командой, которая фактически делает это последовательно.
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 либо помещается в векторный регистр, либо сразу используется в качестве операнда при выполнении другой операции с векторами. Матричные процессоры в настоящее время не выпускаются, но принцип, на котором они основаны, по-прежнему актуален. Аналогичная идея применяется в наборах ММХ- и ЯЯЕ-команд процессоров Репйшп 4, и она успешно решает задачу ускоренного выполнения мультимедийных программ.
В этом отношении компьютер 1ШАС 1Ч можно считать одним из прародителей процессора Репг1шп 4. МУЛЬтИПРОЦЕССОРЫ Элементы матричного процессора связаны между собой, поскольку их работу контролирует единый блок управления. Система из нескольких параллельных процессоров, имеющих общую память, называется мультипроцессором. Поскольку каждый процессор может записывать информацию в любую часть памяти и считывать информацию из любой части памяти, чтобы не допустить каких-либо нестыковок, их работа должна согласовываться программным обеспечением. В ситуации, когда два или несколько процессоров имеют возможность тесного взаимодействия, а именно так происходит в случае с мультипроцессорами, эти процессоры называют сильно связанными (г10Ыу соир1ео).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
