ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 16.12.2020
Просмотров: 937
Скачиваний: 1
130
циумами
супергигантов
.
Например
,
альянс
фирм
Intel
и
Hewlett-Packard
совместно
гото
-
вит
к
производству
уже
упоминавшийся
кристалл
«Itanium»,
при
-
званный
заменить
популярный
Pentium.
Второй
пример
—
содружество
недавних
конкурентов
IBM
и
Motorola,
с
1992
года
развивающих
совместно
с
Apple
линию
мощных
RISC-
процессоров
PowerPC (Power Performance Chip —
высокопроизводительный
чип
).
Совершенствование
архитектуры
К
сожалению
,
бесконечно
уменьшать
размеры
элементарных
переключа
-
тельных
схем
невозможно
,
так
как
они
ограничены
снизу
размерами
кристаллических
решеток
.
Точно
так
же
нельзя
беспредельно
повышать
тактовую
частоту
,
так
как
скорость
распространения
электрического
тока
конечна
.
По
-
видимому
,
в
ближайшее
время
элементные
возможности
мик
-
росхем
подойдут
к
теоретическому
пределу
,
дальнейшее
повыше
-
ние
производительности
компьютеров
будет
достигаться
только
за
счет
совершенствования
архитектуры
,
которое
развивается
в
четы
-
рех
основных
направлениях
.
1.
Увеличение
разрядности
.
Тенденция
к
повышению
разряд
-
ности
отчетливо
прослеживается
в
истории
микропроцессоров
,
мы
об
этом
уже
говорили
.
Современные
кристаллы
в
основном
32-
раз
-
рядные
,
однако
продвинутые
микросхемы
,
например
, PowerPC,
а
также
перспективные
массовые
модели
,
например
, <<Merced>>
бу
-
дут
64-
разрядными
.
По
-
видимому
,
в
будущем
можно
ожидать
и
по
-
явления
128-
битовых
чипов
.
2.
Движение
в
сторону
RISC
.
Аббревиатура
RISC
расшифро
-
вывается
как
Reduced Instruction Set Computing —
вычисления
с
со
-
кращенным
набором
команд
.
Для
того
,
чтобы
понять
смысл
этого
явления
,
нужно
вернуться
к
ранней
истории
ЭВМ
.
В
те
времена
алгоритмические
языки
и
компиляторы
еще
не
были
известны
и
все
программирование
велось
вручную
,
в
командах
процессора
.
Поэтому
разработчики
компьютеров
старались
сделать
систему
ко
-
манд
удобной
для
ручного
программирования
,
насытив
ее
сложны
-
ми
и
емкими
командами
.
Например
,
одной
машинной
командой
131
можно
было
вычислить
функцию
log
или
sin,
или
преобразовать
число
в
другую
систему
счисления
.
Репертуар
машинных
команд
получался
достаточно
сложным
,
например
,
в
IBM-360
были
реали
-
зованы
144
команды
центрального
процессора
.
Такая
организация
системы
команд
получила
название
CISC — Complex Instruction Set
Computing,
т
.
е
.
вычисления
со
сложным
набором
команд
.
Первые
микропроцессоры
унаследоали
от
mainframes
идеоло
-
гию
CISC.
Стандартный
набор
команд
чипа
i8086
и
всех
последую
-
щих
поколений
процессоров
Intel
содержит
около
ста
инструкций
самого
различного
назначения
и
формата
.
Так
как
формат
команды
переменный
,
то
она
может
быть
корректно
выбрана
из
памяти
толь
-
ко
после
расшифровки
кода
операции
,
в
результате
каждая
инст
-
рукция
требует
для
своего
выполнения
несколько
тактов
процессора
.
Программа
,
реализующая
некоторый
алгоритм
,
может
быть
относи
-
тельно
короткой
,
однако
время
выполнения
этой
программы
в
ком
-
пьютере
оказывается
значительным
.
Процессоры
с
RISC-
архитектурой
работают
по
-
другому
.
В
этих
процессорах
набор
команд
сильно
ограничен
,
все
инструкции
мак
-
симально
упрощены
,
они
имеют
одинаковый
формат
и
,
в
идеале
,
могут
выполняться
за
один
машинный
такт
.
Программа
,
выполняю
-
щая
тот
же
алгоритм
примитивными
командами
,
получается
длин
-
нее
,
однако
за
счет
высокого
быстродействия
процессора
наблюдается
значительнй
выигрыш
в
производительности
.
Разуме
-
ется
,
программировать
вручную
для
такой
машины
было
бы
неудоб
-
но
,
однако
этого
никто
и
не
делает
,
так
как
техника
компиляции
достигла
больших
высот
.
Быстродействующие
оптимизирующие
компиляторы
позволяют
создать
такой
код
,
который
использует
все
особенности
набора
команд
и
позволяет
добиться
наивысшей
вы
-
числительной
мощности
.
Сторонники
RISC-
архитектуры
на
деле
доказали
силу
своих
аргументов
—
наиболее
производительные
серверы
и
рабочие
стан
-
ции
сегодня
используют
RISC-
процессоры
,
однако
и
поклонники
CISC-
технологии
не
сдаются
,
на
их
стороне
гигантский
объем
на
-
копленного
программного
обеспечения
в
кодах
ix86.
В
последних
моделях
микропроцессоров
Intel
специально
для
мультимедийных
132
приложений
введены
еще
более
сложные
«
векторные
»
команды
дополнительного
набора
MMX (MultiMedia eXtention —
мультиме
-
дийное
расширение
),
выполняющие
в
сверхдлинных
—
до
128
раз
-
рядов
—
регистрах
параллельно
несколько
операций
сложения
или
умножения
.
Для
того
,
чтобы
объединить
преимущества
обоих
подходов
,
раз
-
работчики
пошли
на
компромисс
:
на
внешнем
уровне
микропро
-
цессор
исполняет
стандартный
CISC-
набор
команд
,
а
на
внутреннем
—
некоторый
упрощенный
RISC.
Встроенный
микропрограммный
эмулятор
преобразует
каждую
внешнюю
команду
в
цепочку
внут
-
ренних
и
исполняет
ее
со
всей
возможной
производительностью
RISC-
вычислителя
.
3.
Усложнение
архитектуры
процессора
.
Еще
один
резерв
повышения
производительности
кроется
в
распараллеливании
вы
-
числений
внутри
одного
кристалла
,
при
этом
разработчики
микро
-
схем
пытаются
реализовать
в
конструкции
принципы
,
типичные
для
организации
промышленного
производства
.
Как
известно
,
каждая
машинная
операция
состоит
из
несколь
-
ких
фаз
:
выборка
команды
,
расшифровка
ее
,
чтение
операндов
,
не
-
посредственное
исполнение
операции
,
запись
результата
.
В
старых
моделях
процессора
эти
фазы
выполнялись
для
каждой
операции
строго
последовательно
подобно
тому
,
как
в
кустарных
мастерских
шла
когда
-
то
сборка
автомобилей
—
сначала
собирали
одну
маши
-
ну
,
потом
вторую
,
при
этом
часть
рабочих
постоянно
простаивала
.
Современный
микропроцессор
устроен
значительно
сложнее
,
он
по
-
хож
на
предприятие
,
в
котором
множество
рабочих
собирают
на
конвейере
поток
автомобилей
.
Конвейерный
процессор
совмещает
по
времени
выполнение
нескольких
команд
:
для
одной
происходит
-
чтение
операции
,
для
второй
—
декодирование
и
выборка
регист
-
ров
,
для
третьей
—
исполнение
команды
вычислительным
блоком
и
т
.
д
.,
в
результате
при
той
же
тактовой
частоте
существенно
по
-
вышается
общая
производительность
.
Более
того
,
в
самых
совер
-
шенных
конструкциях
в
чип
микропроцессора
встраивается
несколько
самостоятельных
(
до
6-8)
вычислительных
блоков
с
фик
-
сированной
и
плавающей
арифметикой
,
сверхбыстрая
внутренняя
133
память
(
кэш
)
и
удивительное
по
совершенству
логики
управляю
-
щее
устройство
,
предсказывающее
возможное
развитие
вычисли
-
тельного
процесса
на
несколько
шагов
вперед
и
с
учетом
этого
организующее
параллельную
работу
нескольких
конвейеров
.
Неиз
-
бехная
плата
за
такую
организацию
—
значительное
повышение
сложности
и
стоимости
схемы
,
однако
прогресс
микроэлектрони
-
ки
,
о
котором
мы
говорили
выше
,
позволил
реализовать
такую
ар
-
хитектуру
во
всех
современных
моделях
микропроцессоров
.
Возвращаясь
к
таблице
производительности
процессоров
Intel,
не
-
трудно
заметить
,
что
новые
модели
имеют
существенно
большую
производительность
при
той
же
тактовой
частоте
,
чем
старые
.
Это
—
чистый
выигрыш
за
счет
архитектуры
кристалла
.
4.
Многопроцессорные
конфигурации
.
Когда
возможности
одного
кристалла
исчерпаны
,
производительность
компьютера
в
целом
может
быть
увеличена
за
счет
многопроцессорной
организа
-
ции
.
Анализ
реальных
приложений
показывает
,
что
длинные
це
-
почки
машинных
команд
,
которые
должны
выполняться
строго
последовательно
,
встречаются
относительно
редко
,
в
основном
в
научных
расчетах
.
Как
правило
вычислительный
процесс
можно
раз
-
бить
на
несколько
параллельных
ветвей
,
каждую
из
которых
целе
-
сообразно
поручить
самостоятельному
микропроцессору
.
В
принципе
число
процессоров
в
компьютере
ничем
не
ограничено
,
известны
конструкции
с
сотнями
и
даже
тысячами
процессоров
,
однако
суммарная
производительность
многопроцессорной
систе
-
мы
растет
далеко
не
линейно
с
числом
процессоров
,
так
как
в
каж
-
дой
программе
есть
некоторый
предел
распараллеливания
,
к
тому
же
в
многопроцессорных
системах
резко
возрастают
накладные
рас
-
ходы
на
диспетчеризацию
вычислительного
процесса
.
Практика
по
-
казала
,
что
на
стандартных
коммерческих
задачах
производительность
системы
растет
как
$\sqrt{n}$,
то
есть
четы
-
рехпроцессорная
конфигурация
всего
в
два
раза
производительнее
однопроцессорной
,
однако
на
специальных
задачах
,
допускающих
многократное
распараллеливание
(
например
,
анализ
вариантов
хода
в
щахматной
партии
),
многопроцессорные
компьютеры
могут
по
-
казывать
рекорды
производительности
.
134
2.11.
Современный
рынок
ЭВМ
и
его
секторы
Бурное
развитие
персональных
микрокомпьютеров
в
последние
два
десятилетия
не
означает
,
что
производимые
и
применяемые
в
настоящее
время
ЭВМ
относятся
только
к
этому
классу
.
Наоборот
,
современный
рынок
компьютеров
чрезвычайно
велик
и
разнообра
-
зен
.
Как
и
в
далекие
60-
е
годы
,
в
нем
можно
выделитьтри
сектора
верхнего
уровня
:
суперкомпьютеры
;
компьютеры
общего
назначе
-
ния
и
специальные
компьютеры
.
Так
как
эксплуатационные
харак
-
теристики
ЭВМ
(
быстродействие
процессоров
,
объем
внутренней
и
внешней
памяти
)
постоянно
и
очень
быстро
растут
,
предлагать
абсолютные
технические
критерии
для
отнесения
некоторого
ком
-
пьютера
к
тому
или
иному
классу
бессмысленно
.
То
,
что
вчера
счи
-
талось
суперкомпьютером
,
сегодня
располагается
на
столе
рядового
инженера
,
поэтому
ориентироваться
следует
не
на
абсолютные
по
-
казатели
,
а
на
относительное
место
данной
модели
на
современном
Персональные
компьютеры
Рабочие
станции
С
е
р
в
е
р
ы
Компьютеры
общего
назначения
Карманные
(palmtop)
компьютеры
500
1
тыс
2
тыс
5
тыс
10
тыс
20
тыс
50
тыс
100
тыс
200
тыс
500
тыс
200
1
млн
Начального
уровня
Среднего
класса
Высокого
класса
Суперсерверы
Сетевые
терминалы
Цена
, $
Суперкомпьютеры
Специальные
компьютеры
Секторы
рынка
компьютеров