Файл: 1-337.pdf

Перспективы совершенствования архитектуры ВМ и ВС 49

запоминающих устройств основной памяти. Проблема постоянно усугубляется
несоответствием темпов роста тактовой частоты процессоров и быстродействия па-
мяти, и особых перспектив в этом плане пока не видно, что иллюстрирует рис. 1.14.

Абсолютные темпы снижения длительности цикла памяти, начиная с

 года,

показаны на рис. 1.15. Общая тенденция:

 на двукратное уменьшение длительно-

сти цикла динамического ЗУ уходит примерно 15 лет.

1000

1 4

1975 1980 1985 1990 1995 2000

Год

Рис.

 Быстродействие микросхем динамической памяти

В плане снижения стоимости СБИС памяти перспективы весьма

ющие (рис. 1.16). В течение достаточно длительного времени

 стоимость в пере-

счете на один бит снижается примерно на 25-40% в год.

Ю

5

1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

Год

Рис.

 Тенденции снижения стоимости СБИС динамической памяти в пересчете на 1 Мбит

50 Глава  Становление и эволюция цифровой вычислительной техники

Перспективные направления исследований

в области архитектуры

Основные направления исследований в области архитектуры ВМ и ВС можно ус-

ловно разделить на две группы: эволюционные и революционные. К первой груп-

пе следует отнести исследования, целью которых является совершенствование
методов реализации уже достаточно известных идей. Изыскания, условно назван-
ные революционными, направлены на создание совершенно новых архитектур,
принципиально отличных от уже ставшей традиционной фон-неймановской ар-
хитектуры.

Большинство из исследований, относимых к эволюционным, связано с совер-

шенствованием архитектуры микропроцессоров (МП). В принципе кардинально
новых архитектурных подходов в микропроцессорах сравнительно мало. Основ-
ные идеи, лежащие в основе современных МП, были выдвинуты много лет тому
назад, но из-за несовершенства технологии и высокой стоимости реализации на-
шли применение только в больших универсальных ВМ (мэйнфреймах) и
ЭВМ. Наиболее значимые из изменений в архитектуре МП связаны с повышением
уровня параллелизма на уровне команд (возможности одйовременного выпол-
нения нескольких команд). Здесь в первую очередь

 упомянуть

зацию, суперскалярную обработку и архитектуру с командными словами сверхболь-
шой длины (VLIW). После успешного переноса на МП глобальных архитектурных
подходов «больших» систем основные усилия исследователей теперь направлены
на частные архитектурные изменения. Примерами таких эволюционных архитек-
турных изменений могут служить: усовершенствованные методы предсказания
переходов в конвейере команд, повышение частоты успешных обращений к кэш-
памяти за счет усложненных способов буферизации и т. п.

Наблюдаемые нами достижения в области вычислительных средств широкого

применения пока обусловлены именно «эволюционными» исследованиями. Од-
нако уже сейчас очевидно, что, оставаясь в рамках традиционных архитектур, мы

довольно скоро натолкнемся на технологические ограничения. Один из путей пре-

одоления технологического барьера лежит в области

 подходов.

Исследования, проводимые в этом направлении, по нашей классификации отне-

сены к

 Справедливость такого утверждения подтверждается

первыми образцами ВС с нетрадиционной архитектурой.

Оценивая перспективы эволюционного и революционного развития вычисли-

тельной техники, можно утверждать, что на ближайшее время наибольшего про-

гресса можно ожидать на пути использования идей параллелизма на всех его уров-

нях и создания эффективной иерархии запоминающих устройств.

Контрольные вопросы

1. По каким признакам можно разграничить понятия «вычислительная машина»

и «вычислительная система»?

2. В чем состоит различие между «узкой» и «широкой» трактовкой понятия «ар-

хитектура вычислительной машины»?

Контрольные вопросы 51

3. Какой уровень детализации вычислительной

 позволяет определить,

можно ли данную ВМ причислить к фон-неймановским?

4. Какие закономерности в эволюции вычислительных машин породили появле-

ние нового научного направления — «Теория эволюции компьютеров»?

5. По каким признакам выделяют поколения вычислительных машин?
6. Поясните определяющие идеи для каждого из этапов эволюции вычислитель-

ной техники.

7. Какой из принципов фон-неймановской концепции вычислительной машины

можно рассматривать в качестве наиболее существенного?

8. Оцените достоинства и недостатки архитектур вычислительных машин с не-

посредственными связями и общей шиной.

9. Сформулируйте основные тенденции развития интегральной схемотехники.

10. Какие выводы можно сделать, исходя из закона Мура?

 Охарактеризуйте основные направления в дальнейшем развитии архитектуры

вычислительных машин и систем.

Глава 2

Архитектура системы

команд

Системой команд

 вычислительной машины называют полный перечень команд,

которые способна выполнять данная ВМ. В свою очередь, под

 архитектурой сис-

темы 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

 2.1).

 Рис.

 Архитектура системы команд как интерфейс между программным

и аппаратным обеспечением

В конечном итоге, цель тех и других — реализация вычислений наиболее эф-

фективным образом, то

 за минимальное время, и здесь важнейшую роль играет

правильный выбор архитектуры системы команд.

В упрощенной трактовке время выполнения программы (

T

выч) можно опреде-

лить через число команд в программе

 среднее количество тактов процессо-

ра, приходящихся на одну команду

 (CPI),

 и длительность тактового периода:

Архитектура системы команд 53

Каждая из составляющих выражения зависит от одних аспектов архитектуры

системы команд и, в свою очередь, влияет на другие (рис. 2.2), что свидетельствует
о необходимости чрезвычайно ответственного подхода  выбору АСК.

Рис. 2.2. Взаимосвязь между системой команд и факторами, определяющими

эффективность вычислений

Общая характеристика архитектуры системы команд вычислительной маши-

ны складывается из ответов на следующие вопросы:

1. Какого вида данные будут представлены в вычислительной машине и в какой

форме?

2. Где эти данные могут храниться помимо основной памяти?

3. Каким образом будет осуществляться доступ к данным?
4. Какие операции могут быть выполнены над данными?
5. Сколько операндов может присутствовать в команде?
6. Как будет определяться адрес очередной команды?
7. Каким образом будут закодированы команды?

Предметом данной главы является обзор наиболее распространенных архитек-

тур системы команд, как в описательном плане, так и с позиций эффективности.
В главе приводятся доступные статистические данные, позволяющие дополнить
качественный анализ различных АСК количественными показателями. Большин-
ство представленных статистических данных почерпнуто из общепризнанного ис-
точника — публикаций Д. Хеннеси и Д. Паттерсона. Данные были получены в ре-
зультате реализации на вычислительной машине DEC VAX трех программных
продуктов: компилятора с языка С GCC, текстового редактора ТеХ и системы ав-

томатизированного проектирования Spice. Считается, что GCC и ТеХ показатель-

ны для программных приложений, где превалируют целочисленные вычисления
и обработка текстов, a Spice может рассматриваться как типичный представитель
вычислений с вещественными числами. С учетом того, что архитектура вычисли-

тельной машины VAX в известном смысле уже устарела, Хеннеси и Паттерсоном,
а также приверженцами их методики были проведены дополнительные исследо-
вания, где программы GCC, Spice и ТеХ выполнялись на более современной ВМ,
в частности MIPS R2000. Доступные данные для этого варианта также приводятся.