Машина фон-Неймана

Прежде, чем перейти к изложению основного материала ограничим наше рассмотрение относительно общей, но очень важной моделью современной вычислительной системы, сформулированной в первой половине XX века математиком Фон-Нейманом. Эта модель оказалась базовой при проектировании практически всех современных компьютерных систем, включая суперкомпьютеры.

Модель состоит из четырех ключевых компонентов:

• Система памяти, которая хранит как команды, так и данные. Известна как система с хранимой программой. Доступ к этой памяти осуществляется с помощью регистра адреса, куда подсистема памяти помещает адрес ячейки памяти и регистра данных, куда она помещает данные из ячейки с указанным адресом.
• По крайней мере один блок обработки данных, наиболее известный как арифметико-логическое устройство. Эти блоки чаще называют центральными процессорами (CPU). Этот блок отвечает за выполнение всех команд. Процессор также имеет небольшой объем памяти, называемый набором регистров.
• Блок управления, отвечающий за операции между компонентами модели. Включает в себя счетчик команд, содержащий следующую команду для загрузки, и регистр команд, в котором находится текущая команда.
• Системе необходим энергонезависимый способ хранения данных, а также выдача их пользователю и принятия входных данных. Это осуществляется подсистемой ввода-вывода (I/O)/

Несмотря на существенный прогресс в компьютерной технике за последние 60 лет, устройство компьютера по-прежнему умещается в этих рамках. Основные идеи, заложенные фон Нейманом и его коллегами, среди которых были Алан Тьюринг, Энрико Ферми и другие видные ученые, пригодны и сегодня.

Итак, основополагающими принципами архитектуры фон Неймана являются:

1. принцип программного управления выполнением программы,
2. принцип хранимой в памяти программы.

Они легли в основу понятия фон-Неймановской архитектуры, широко использующей счетчик команд.

Счетчик команд отражает "узкое горло", которое ограничивает поток команд, поступающих на исполнение, их последовательным анализом.

Альтернативной архитектурой является "не-фон-Неймановская" архитектура, допускающая одновременный анализ более одной команды. Поиски ее обусловлены необходимостью распараллеливания выполнения программы между несколькими исполнительными устройствами — процессорами. Счетчик команд при этом не нужен. Порядок выполнения команд определяется наличием исходной информации для выполнения каждой из них. Если несколько команд готовы к выполнению, то принципиально возможно их назначение для выполнения таким же количеством свободных процессоров. Говорят, что такие ВС управляются потоком данных (data flow).

Общая схема потоковых ВС представлена на рисунке.

Рис 1. "Идеальная" потоковая ВС

Программа или ее часть (сегмент) размещается в памяти команд ПК, состоящей из ячеек команд. Команды имеют структуру

В командах проверки условия возможно альтернативное задание адреса результата (ИЛИ — ИЛИ). Адреса результатов являются адресами ПК, т.е. результаты выполнения одних команд в качестве операндов могут поступать в текст других команд. Команда не готова к выполнению, если в ее тексте отсутствует хотя бы один операнд. Ячейка, обладающая полным набором операндов, переходит в возбужденное состояние и передает в селекторную сеть информационный пакет (токен), содержащий код операции и необходимую числовую и связную информацию. Он поступает по сети на одно из исполнительных устройств. Там же операция выполняется, и в распределительную сеть выдается результирующий пакет, содержащий результат вычислений и адреса назначения в ПК (возможно, за счет выбора альтернативы, т.е. такой выбор — тоже результат). По этим адресам в ПК результат и поступает, создавая возможность активизации новых ячеек. После выдачи токена в селекторную сеть операнды в тексте команды уничтожаются, что обеспечивает повторное выполнение команды в цикле, если это необходимо.

Селекторная и распределительная сети образуют коммуникационную сеть ВС.

Ожидаемая сверхвысокая производительность такой системы может быть достигнута за счет одновременной и независимой активизации большого числа готовых команд, проблематичном допущении о бесконфликтной передаче пакетов по сетям и параллельной работы многих исполнительных устройств.

Существует ряд трудностей, в силу которых "не-фон-Неймановские" архитектуры не обрели технического воплощения для массового применения в "классическом", отраженном выше, исполнении. Однако многие устройства используют данный принцип, но чаще всего взаимодействие процессоров при совместном решении общей задачи и их синхронизация при использовании общих данных основаны на анализе готовности данных для их обработки. Это дает основание многим конструкторам заявлять, что в своих моделях они реализовали принцип data flow.

С этим принципом тесно связано основные понятия параллелизма и параллельных систем:

Уровни параллельных систем: