Анализ машины EDVAC

Машина EDVAC имела жесткую функциональную структуру. По своей архитектуре EDVAC относится к классу SISD (Single Instruction stream / Single Data stream), если следовать классификации М. Флинна. В EDVAC одиночный поток команд обрабатывал одиночный поток данных. Три поколения ЭВМ – это по сути эволюционные модификации машины с архитектурой SISD.

Подчеркнем архитектурные особенности машины EDVAC:

· SISD-архитектура, синхронный метод управления устройствами;

· автоматизация вычислений (возможность хранения программы в памяти и ее автоматической модификации);

· последовательный способ обработки информации;

· фиксированность структуры (невозможность даже ручного реконфигурирования, за исключением ВЗУ);

· конструктивная неоднородность.

Архитектурные решения, положенные в основу ЭВМ, привели к простоте ее реализации: потребовалось около 3000 электронных ламп (вместо 18000 в ENIAC). Уровень сложности и достигнутые технические характеристики (показатели производительности, емкости памяти и надежности) ЭВМ вполне отвечали уровню техники и потребностям 50-х годов 20 столетия. В самом деле, машина EDVAC характеризовалась следующими параметрами:

· количество двоичных разрядов для представления чисел – 32,

· тактовая частота – 1 МГц,

· емкость оперативной памяти – бит = 32 Кбайт.

Несмотря на последовательный характер работы, вычислительная машина EDVAC не уступала по производительности ENIAC. Например, быстродействия ENIAC и EDVAC при выполнении операций умножения оценивались соответственно величинами: 357 опер./с (над 10-разрядными десятичными числами) и 1000 опер./с (над 32-разрядными двоичными числами).

Таким образом, электронные вычислительные машины ENIAC и EDVAC отражают дуализм в развитии цифровых средств информатики, говоря иначе, констатируют неизбежность двух начал: параллельных и последовательных архитектур.

Второе поколение (1954–1962)

Второе поколение характеризуется рядом достижений в элементной базе, структуре и программном обеспечении. Принято считать, что поводом для выделения нового поколения ВМ стали технологические изменения, и, главным образом, переход от электронных ламп к полупроводниковым диодам и транзисторам со временем переключения порядка 0,3 мс.

Первой ВМ, выполненной полностью на полупроводниковых диодах и транзисторах, стала TRADIC (TRAnisitor DIgital Computer), построенная в Bell Labs по заказу военно-воздушных сил США как прототип бортовой ВМ. Машина состояла из 700 транзисторов и 10 000 германиевых диодов. За два года эксплуатации TRADIC отказали только 17 полупроводниковых элементов, что говорит о прорыве в области надежности, по сравнению с машинами на электронных лампах. Другой достойной упоминания полностью полупроводниковой ВМ стала TX-0, созданная в 1957 году в Массачусетсском технологическом институте.

Технологический прогресс дополняют важные изменения в архитектуре ВМ. Прежде всего, это касается появления в составе процессора ВМ индексных регистров, что позволило упростить доступ к элементам массивов. Прежде, при циклической обработке элементов массива, необходимо было модифицировать код команды, в частности хранящийся в нем адрес элемента массива. Как следствие, в ходе вычислений коды некоторых команд постоянно изменялись, что затрудняло отладку программы. С использованием индексных регистров адрес элемента массива вычисляется как сумма адресной части команды и содержимого индексного регистра. Это позволяет обратиться к любому элементу массива, не затрагивая код команды, а лишь модифицируя содержимое индексного регистра.

Вторым принципиальным изменением в структуре ВМ стало добавление аппаратного блока обработки чисел в формате с плавающей запятой. До этого обработка вещественных чисел производилась с помощью подпрограмм, каждая из которых имитировала выполнение какой-то одной операции с плавающей запятой (сложение, умножение и т. п.), используя для этой цели обычное целочисленное арифметико-логическое устройство.

Третье значимое нововведение в архитектуре ВМ — появление в составе вычислительной машины процессоров ввода/вывода, позволяющих освободить центральный процессор от рутинных операций по управлению вводом/выводом и обеспечивающих более высокую пропускную способность тракта «память — устройства ввода/вывода» (УВВ).

Наконец, нельзя не отметить значительные события в сфере программного обеспечения, а именно создание языков программирования высокого уровня: Фортрана (1956), Алгола (1958) и Кобола (1959).

Третье поколение (1963–1972)

Третье поколение ознаменовалось резким увеличением вычислительной мощности ВМ, ставшим следствием больших успехов в области архитектуры, технологии и программного обеспечения. Основные технологические достижения связаны с переходом от дискретных полупроводниковых элементов к интегральным микросхемам и началом применения полупроводниковых запоминающих устройств, начинающих вытеснять ЗУ на магнитных сердечниках. Существенные изменения произошли и в архитектуре ВМ. Это, прежде всего, микропрограммирование как эффективная техника построения устройств управления сложных процессоров, а также наступление эры конвейеризации и параллельной обработки. В области программного обеспечения определяющими вехами стали первые операционные системы и реализация режима разделения времени.

В первых ВМ третьего поколения использовались интегральные схемы с малой степенью интеграции (small-scale integrated circuits, SSI), где на одном кристалле размещается порядка 10 транзисторов. Ближе к концу рассматриваемого периода на смену SSI стали приходить интегральные схемы средней степени интеграции (medium-scale integrated circuits, MSI), в которых число транзисторов на кристалле увеличилось на порядок. К этому же времени относится повсеместное применение многослойных печатных плат. Все шире востребуются преимущества параллельной обработки, реализуемые за счет множественных функциональных блоков, совмещения во времени работы центрального процессора и операций ввода/вывода, конвейеризации потоков команд и данных.

В 1964 году Сеймур Крей (Seymour Cray, 1925–1996) построил вычислительную систему CDC 6600, в архитектуру которой впервые был заложен функциональный параллелизм. Благодаря наличию 10 независимых функциональных блоков, способных работать параллельно, и 32 независимых модулей памяти удалось достичь быстродействия в 1 MFLOPS (миллион операций с плавающей запятой в секунду). Пятью годами позже Крей создал CDC 7600 с конвейеризированными функциональными блоками и быстродействием 10 MFLOPS. CDC 7600 называют первой конвейерной вычислительной системой (конвейерным процессором). Революционной вехой в истории ВТ стало создание семейства вычислительных машин IBM 360, архитектура и программное обеспечение которых на долгие годы служили эталоном для последующих больших универсальных ВМ (mainframes). В машинах этого семейства нашли воплощение многие новые для того периода идеи, в частности: предварительная выборка команд, отдельные блоки для операций с фиксированной и плавающей запятой, конвейеризация команд, кэш-память. К третьему поколению ВС относятся также первые параллельные вычислительные системы: SOLOMON корпорации Westinghause и ILLIAC IV — совместная разработка Иллинойского университета и компании Burroughs. Третье поколение ВТ ознаменовалось также появлением первых конвейерно-векторных ВС: TI-ASC (Texas Instruments Advanced Scientific Computer) и STAR-100 фирмы СВС.

Четвертое поколение (1972–1984)

Отсчет четвертого поколения обычно ведут с перехода на интегральные микросхемы большой (large-scale integration, LSI) и сверхбольшой (very large-scale integration, VLSI) степени интеграции. К первым относят схемы, содержащие около 1000 транзисторов на кристалле, в то время как число транзисторов на одном кристалле VLSI имеет порядок 100 000. При таких уровнях интеграции стало возможным уместить в одну микросхему не только центральный процессор, но и вычислительную машину (ЦП, основную память и систему ввода/вывода).

Конец 70-х и начало 80-х годов — это время становления и последующего победного шествия микропроцессоров и микроЭВМ, что, однако, не снижает важности изменений, произошедших в архитектуре других типов вычислительных машин и систем.

Одним из наиболее значимых событий в области архитектуры ВМ стала идея вычислительной машины с сокращенным набором команд (RISC, Redused Instruction Set Computer), выдвинутая в 1975 году и впервые реализованная в 1980 году. В упрощенном изложении суть концепция RISC заключается в сведении набора команд ВМ к наиболее употребительным простейшим командам. Это позволяет упростить схемотехнику процессора и добиться резкого сокращения времени выполнения каждой из «простых» команд. Более сложные команды реализуются как подпрограммы, составленные из быстрых «простых» команд.

В ВМ и ВС четвертого поколения практически уходят со сцены ЗУ на магнитных сердечниках и основная память строится из полупроводниковых запоминающих устройств (ЗУ). До этого использование полупроводниковых ЗУ ограничивалось лишь регистрами и кэш-памятью.

В сфере высокопроизводительных вычислений доминируют векторные вычислительные системы, более известные как суперЭВМ. Разрабатываются новые параллельные архитектуры, однако подобные работы пока еще носят экспериментальный характер. На замену большим ВМ, работающим в режиме разделения времени, приходят индивидуальные микроЭВМ и рабочие станции (этим термином обозначают сетевой компьютер, использующий ресурсы сервера).

Пятое поколение (1984–1990)

Главным поводом для выделения вычислительных систем второй половины 80-х годов в самостоятельное поколение стало стремительное развитие ВС с сотнями процессоров, ставшее побудительным мотивом для прогресса в области параллельных вычислений. Ранее параллелизм вычислений выражался лишь в виде конвейеризации, векторной обработки и распределения работы между небольшим числом процессоров. Вычислительные системы пятого поколения обеспечивают такое распределение задач по множеству процессоров, при котором каждый из процессоров может выполнять задачу отдельного пользователя.

В рамках пятого поколения в архитектуре вычислительных систем сформировались два принципиально различных подхода: архитектура с совместно используемой памятью и архитектура с распределенной памятью.

Шестое поколение (1990–)

На ранних стадиях эволюции вычислительных средств смена поколений ассоциировалась с революционными технологическими прорывами. Каждое из первых четырех поколений имело четко выраженные отличительные признаки и вполне определенные хронологические рамки. Последующее деление на поколения уже не столь очевидно и может быть понятно лишь при ретроспективном взгляде на развитие вычислительной техники. Пятое и шестое поколения в эволюции ВТ — это отражение нового качества, возникшего в результате последовательного накопления частных достижений, главным образом в архитектуре вычислительных систем и, в несколько меньшей мере, в сфере технологий.

Поводом для начала отсчета нового поколения стали значительные успехи в области параллельных вычислений, связанные с широким распространением вычислительных систем с массовым параллелизмом. Особенности организации таких систем, обозначаемых аббревиатурой MPP (massively parallel processing), будут рассмотрены в последующих лекциях. Здесь же упрощенно определим их как совокупность большого количества (до нескольких тысяч) взаимодействующих, но достаточно автономных вычислительных машин. По вычислительной мощности такие системы уже успешно конкурируют с суперЭВМ, которые, как ранее отмечалось, по своей сути являются векторными ВС. Появление вычислительных систем с массовым параллелизмом дало основание говорить о производительности, измеряемой в TFLOPS (1 TFLOPS соответствует 10¹² операциям с плавающей запятой в секунду).

Вторая характерная черта шестого поколения — резко возросший уровень рабочих станций. В процессорах новых рабочих станций успешно совмещаются RISC-архитектура, конвейеризация и параллельная обработка. Некоторые рабочие станции по производительности сопоставимы с суперЭВМ четвертого поколения. Впечатляющие характеристики рабочих станций породили интерес к гетерогенным (неоднородным) вычислениям, когда программа, запущенная на одной рабочей станции, может найти в локальной сети не занятые в данный момент другие станции, после чего вычисления распараллеливаются и на эти простаивающие станции.

Наконец, третьей приметой шестого поколения в эволюции ВТ стал взрывной рост глобальных сетей. Завершая обсуждение эволюции ВТ, отметим, что верхняя граница шестого поколения хронологически пока не определена и дальнейшее развитие вычислительной техники может внести в его характеристику новые коррективы. Не исключено также, что последующие события дадут повод говорить и об очередном поколении.

Литература:

Хорошевский, В. Архитектура вычислительных систем / В.Г. Хорошевский. Москва: МГТУ им. Баумана, 2008. - 520 с.

Цилькер, Б. Организация ЭВМ и систем / Б.Я. Цилькер, С.А. Орлов. СПб.: Питер - 2007, 672 c.

Лекция 3. Архитектура системы команд. CISC и RISC архитектуры процессоров

Системой команд вычислительной машины называют полный перечень команд, которые способна выполнять данная ВМ. В свою очередь, под архитектурой системы команд (АСК) принято определять те средства вычислительной машины, которые видны и доступны программисту. АСК можно рассматривать как линию согласования нужд разработчиков программного обеспечения с возможностями создателей аппаратуры вычислительной машины

В конечном итоге, цель тех и других — реализация вычислений наиболее эффективным образом, то есть за минимальное время, и здесь важнейшую роль играет правильный выбор архитектуры системы команд.

Многоуровневая компьютерная организация

Последовательность команд, описывающих решение определенной задачи, называется программой. Электронные схемы каждого компьютера могут распознавать и выполнять ограниченный набор простых команд.

Эти примитивные команды в совокупности составляют язык, на котором люди могут общаться с компьютером. Такой язык называется машинным языком. Разработчик при создании нового компьютера должен решать, какие команды включить в машинный язык этого компьютера. Это зависит от назначения компьютера, от того, какие задачи он должен выполнять. Обычно стараются сделать машинные команды как можно проще, чтобы избежать сложностей при конструировании компьютера и снизить затраты на необходимую электронику. Так как большинство машинных языков очень примитивны, использовать их трудно и утомительно.

Это простое наблюдение с течением времени привело к построению ряда уровней абстракций, каждая из которых надстраивается над абстракцией более низкого уровня. Именно таким образом можно преодолеть сложности при общении с компьютером.

Многоуровневая компьютерная организация – подход, при котором рассматривается ряд абстракций, каждая из которых надстраивается над абстракцией более низкого уровня.

Большинство современных компьютеров состоит из двух и более уровней. Существуют машины даже с шестью уровнями.

Уровень 0. Цифровой логический уровень. Представляет собой аппаратное обеспечение машины. Его электронные схемы выполняют программы, написанные на языке уровня 1.

Ради полноты нужно упомянуть о существовании еще одного уровня, расположенного ниже уровня 0. Этот уровень не показан на рисунке, так как он попадает в сферу электронной техники. Он называется уровнем физических устройств. На этом уровне находятся транзисторы, которые являются примитивами для разработчиков компьютеров. Объяснять, как работают транзисторы, — задача физики.

Многоуровневая компьютерная организация

Объекты на уровне 0 называются вентилями. Вентили состоят из аналоговых компонентов (транзисторы) и смоделированы как цифровые средства, на входе у которых цифровые сигналы (или набор 0 и 1), а на выходе – результат простых функций («И» или «ИЛИ»). Каждый вентиль формируется из нескольких транзисторов. Несколько вентилей формируют 1 бит памяти, который может содержать 0 или 1. Биты памяти, объединенные в группы, например, по 16,32 или 64, формируют регистры. Каждый регистр может содержать одно двоичное число до определенного предела. Из вентилей также может состоять сам компьютер.

Уровень 1. Микроархитектурный уровень. Представляет собой локальную память (совокупность регистров) и схему, называемую АЛУ (арифметико-логическое устройство). АЛУ выполняет простые арифметические операции. Регистры вместе с АЛУ формируют тракт данных, по которому поступают данные. Основная операция тракта данных состоит в следующем. Выбирается один или два регистра, АЛУ производит над ними какую-либо операцию, например сложения, а результат помещается в один из этих регистров.

На некоторых машинах работа тракта данных контролируется особой программой, которая называется микропрограммой. На других машинах тракт данных контролируется аппаратными средствами. Раньше этот уровень можно было назвать «уровнем микропрограммирования», потому что раньше он почти всегда был интерпретатором программного обеспечения.

Уровень 2. Уровень архитектуры команд. Этот уровень включает набор машинных команд, которые выполняются микропрограммой-интерпретатором или аппаратным обеспечением.

Уровень 3. Уровень операционной системы. Этот уровень включает набор команд уровня 2. Оставшаяся часть команд интерпретируется операционной системой. Особенности уровня: набор новых команд, собственная организация памяти, способность выполнять две и более программ одновременно и др. При построении третьего уровня возможно больше вариантов, чем при построении первого и второго.

Между третьим и четвертым уровнями есть существенная разница. Нижние три уровня конструируются не для того, чтобы с ними работал обычный программист. Они изначально предназначены для работы интерпретаторов и трансляторов, поддерживающих более высокие уровни. Эти трансляторы и интерпретаторы составляются так называемыми системными программистами, которые специализируются на разработке и построении новых виртуальных машин. Уровни с четвертого и выше предназначены для прикладных программистов, решающих конкретные задачи.

Еще одно изменение, появившееся на уровне 4, — способ, которым поддерживаются более высокие уровни. Уровни 2 и 3 обычно интерпретируются, а уровни 4, 5 и выше обычно, хотя и не всегда, поддерживаются транслятором.

Другое различие между уровнями 1,2,3 и уровнями 4,5 и выше — особенность языка. Машинные языки уровней 1,2 и 3 — цифровые. Программы, написанные на этих языках, состоят из длинных рядов цифр, которые удобны для компьютеров, но совершенно неудобны для людей. Начиная с четвертого уровня, языки содержат слова и сокращения, понятные человеку.

Уровень 4. Уровень языка ассемблера. Представляет собой символическую форму одного из языков более низкого уровня. На этом уровне можно писать программы в приемлемой для человека форме. Эти программы сначала транслируются на язык уровня 1, 2 или 3, а затем интерпретируются соответствующей виртуальной или фактически существующей машиной. Программа, которая выполняет трансляцию, называется ассемблером.

Уровень 5. Язык высокого уровня. Обычно состоит из языков, разработанных для прикладных программистов. Такие языки называются языками высокого уровня. Существуют сотни языков высокого уровня. Наиболее известные среди них — BASIC, С, C++, Java, LISP и Prolog. Программы, написанные на этих языках, обычно транслируются на уровень 3 или 4. Трансляторы, которые обрабатывают эти программы, называются компиляторами. Отметим, что иногда также используется метод интерпретации. Например, программы на языке Java обычно интерпретируются.

Архитектура системы команд

В упрощенной трактовке время выполнения программы (Tвыч) можно определить через число команд в программе (Nком) среднее количество тактов процессора, приходящихся на одну команду (CPI), и длительность тактового периода:

Т_выч = N_комxCPIxτ_пр

Каждая из составляющих выражения зависит от одних аспектов архитектуры системы команд и, в свою очередь, влияет на другие, что свидетельствует о необходимости чрезвычайно ответственного подхода квыбору АСК.

CISC и RISC архитектуры процессоров

Уровень архитектуры команд включает набор машинных команд, которые выполняются микропрограммой-интерпретатором или аппаратным обеспечением.

Двумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники, являются архитектуры CISC и RISC.

CISC

– Complete Instruction Set Computer (CISC-архитектура, компьютер на микропроцессоре с полным набором команд)

RISC

– Reduced Instruction Set Computer (RISC-архитектура, компьютер с сокращенным набором команд)

	CISC	RISC
Основоположник, модель	IBM, IBM/360	CDC6600 (Крэй)
Лидер, сегодня	x86	Alpha, PowerPC, SPARC
Рынок	Персональные ЭВМ (благодаря совместимости с программным обеспечением младших моделей, общая стоимость которого - в начале 90-х годов - составила несколько миллиардов долларов США)	Высокопроизводительные компьютеры (стоимость ПО не настолько существенна)
Реализация	Микропрограммная (интерпретация)	Аппаратная
Число регистров общего назначения	небольшое	большое
Формат команд	большое количество форматов команд различной разрядности	команды фиксированной длины и фиксированного формата
Адресация	большое количество методов адресации, преобладание двухадресного формата команд	простые методы адресации, трехадресный формат команд

Основоположник, модель

Организация первых моделей процессоров - i8086/8088 - была направлена, в частности, на сокращение объёма программ, критичного для систем того времени, отличавшихся малой оперативной памятью. Расширение спектра операций, реализуемых системой команд, позволило уменьшить размер программ, а также трудоёмкость их написания и отладки. Однако увеличение числа команд повысило трудоёмкость разработки их топологических и микропрограммных реализаций. Последнее проявилось в удлинении сроков разработки CISC-процессоров, а также в проявлении различных ошибок в их работе.

Эти недостатки обусловили необходимость разработки альтернативной архитектуры - RISC, нацеленной, прежде всего, на снижение нерегулярности потока команд уменьшением их общего количества.

Лидер, сегодня

Процессоры Intel, начиная с 486-го, содержат ядро RISC, которое выполняет самые простые (и обычно самые распространенные) команды за один цикл тракта данных, а по обычной технологии CISC интерпретируются более сложные команды. В результате обычные команды выполняются быстро, а более сложные и редкие — медленно. Хотя при таком «гибридном» подходе работа происходит не так быстро, как у RISC, данная архитектура имеет ряд преимуществ, поскольку позволяет использовать старое программное обеспечение без изменений.

Первая модель процессора Intel, которая вплотную приблизилась к архитектуре RISC – PentiumPRO (Precision RISC Organization - Полноценная RISC-архитектура).

Реализация

Устранение уровня интерпретации обеспечивает высокую скорость выполнения большинства команд. В компьютерах типа CISC более сложные команды могут разбиваться на несколько частей, которые затем выполняются как последовательность микрокоманд. Эта дополнительная операция снижает скорость работы машины, но она может быть применима для редко встречающихся команд.

Число регистров

Развитие архитектуры RISC в значительной степени определялось прогрессом в области создания оптимизирующих компиляторов. Именно современная техника компиляции позволяет эффективно использовать преимущества большего числа регистров, конвейерной организации и большей скорости выполнения команд.

Большое число регистров позволяет большему объему данных храниться в регистрах на процессорном кристалле большее время и упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные.

Формат команд

Команды должны легко декодироваться. Предел количества вызываемых команд в секунду зависит от процесса декодирования отдельных команд. Декодирование команд осуществляется для того, чтобы определить, какие ресурсы им необходимы и какие действия нужно выполнить. Полезны любые средства, которые способствуют упрощению этого процесса. Например, используются регулярные команды с фиксированной длиной и с небольшим количеством полей. Чем меньше разных форматов команд, тем лучше.

Адресация

Простые методы адресации позволяют резко упростить декодирование команд. Организация регистровой структуры – основное достоинство и основная проблема RISC. Практически любая реализация RISC-архитектуры использует трехместные операции обработки, в которых результат и два операнда имеют самостоятельную адресацию – R1:= R2, R3. Это позволяет без существенных затрат времени выбрать операнды из адресуемых оперативных регистров и записать в регистр результат операции. Кроме того, трехместные операции дают компилятору большую гибкость по сравнению с типовыми двухместными операциями формата «регистр – память» архитектуры CISC. В сочетании с быстродействующей арифметикой RISC-операции типа «регистр – регистр» становятся очень мощным средством повышения производительности процессора.

Организация RISC МП DEC Alpha 21x64

Процессор Alpha - настоящий 64-разрядный RISC-процессор. Ориентирован на: масштабируемость, быстрота ответной реакции, трудоемкость, обеспечение надежности.

Процессоры Alpha фирмы Digital Equipment Corporation – DEC имеют названия вида 21x64 ("21"говорит, что Alpha — это архитектура XXI века, x — процессорное поколение: 0, 1, 2, 3 или 4, "64" — разрядность в битах).

Уникальная архитектура позволяет ему быть первым по многим параметрам. Процессор Alpha имеет и другие отличия от остальных RISC-процессоров. Например, у него сильный блок операций с фиксированной точкой, что обычно является ограничением для архитектуры RISC.