Развитие на компютърната архитектура- Част 2

- Секция Компютри
Четвърто поколение компютри (от 1985 понастоящем). Най-голяма част от съвременните компютри принадлежат към това поколение. Основните разлики между това поколение и предходното са съсредоточени в следните три особености:
· Първата разлика се изразява в промяната на конструктивно-технологичната основа на компютъра - въвеждат се големите и свръхголемите интегрални схеми (СГИС). На първо място това се отразява на паметта; - замяна на феритната памет с полупроводникова. Микропроцесорите, като СГИС, дават възможност да се построят различни специализирани устройства, включени в състава на компютъра. Те стават причина за масовото развитие и разпространение на компютрите. Тука е мястото да се отбележи, че всички съвременни процесори спадат към една от двете основни групи: а) компютри със сложен набор команди (Complex Instruction Set Computer - CISC); б) компютри със съкратен набор команди (Reduced Instruction Set Computer - RISC). Първата група се е появила исторически първа и тя се характеризира с това, че за повишаване на бързодействието на процесорите са се добавяли нови команди (апаратно или микропрограмно), приближаващи се към примитивите на езиците от високо ниво.

     В края на 70-те и началото на 80-те год. на 20-тия век се заражда един нов, алтернативен, подход за повишаване на бързодействието на процесорите (компютрите) [7]. Този подход се базира на въвеждането на съкратен набор команди и интензивно използване на регистровите операции. Теорията на компютрите със съкратен набор команди е разработена от Д. Петерсон от университета Бъркли, Калифорния. Отправна точна за развитието на RISC архитектурата се явява факта, че в традиционната архитектура голяма част от времето на процесора (от 60-80%) се използва за изпълнение на неголямо множество команди. Тези команди са за запис на операндите от паметта в регистрите и обратно, условен и безусловен преход, извикване на подпрограми. Идеята при RISC архитектурата е да се постигне бързодействие, посредством осигуряване на минимално време за изпълнение на често използваните команди, даже с цената на повишено време за изпълнение на относително редките команди. Този подход, а също така и обстоятелството, че сложната система от команди изисква по-големи системни издръжки, води до система със съкратен набор команди.
 
     Понастоящем няма единно определение за това, какво е RISC - архитектура. Все пак преобладава становището, че за "чистата" RISC - архитектура са характерни следните особености:
а) командите трябва да се изпълняват за един и същ брой тактове (в идеалния случай за един такт);
б) командите трябва да имат един и същ формат;
в) обръщението към паметта е свързано само с команди от тип LOAD и STORE;
г) всички аритметични и логически функции се изпълняват на ниво регистър.
 
     Трябва да се подчертае, че не във всички RISC - процесори, по една или друга причина, се реализират и четирите изисквания едновременно. Най-често се нарушават изисквания а) и б).
Нека да разгледаме до какво водят посочените по-горе изисквания и как са реализирани те.
Изисквания а) и б) позволяват да се изключат ред сложни проблеми, стоящи пред проектантите на апаратната част и на компилатора. Освен това се опростява управлението на процесора. Като следствие на това площта, която заема управляващото устройство върху кристала намалява значително. За сравнение при процесор МС 68000 (това е първият 32 битов процесор, разположен в един чип и има архитектура CISC) управляващото устройство заема 50% от площта на чипа, докато при един от първите RISC процесори RISC I, този процент е 6%! Като допълнително предимство може да се посочи намаляването на времето за разработка на управляващото устройство -средно два пъти.
 
     Простотата на командните формати осигурява в частност, просто и бързо декодиране. Възможно е да се използват по сходен начин едни и същи апаратни блокове за изпълнение на почти всички команди. Така, изпълнението им може да се осъществи не чрез микропрограми, а чрез логически схеми. Всичко това в крайна сметка съкращава времето за тяхното изпълнение.
Изисквания в) и г) определят наличието на голямо количество регистри и използването само на команди от типа "регистър-регистър" за изпълнението на всички операции, освен операциите четене/запис от/в паметта. Както е известно,операциите "регистър-регистър" се изпълняват 2-4 пъти по-бързо от операциите с кеш-паметта и 8-12 пъти по-бързо от операциите с оперативната памет. Така, че с изпълнение на изисквания в) и г) се постига също увеличаване на бързодействието на процесора. За ефективното им изпълнение е необходимо регистрите да бъдат достатъчно на брой. При първоначалните разработки на компютри с RISC архитектура, броят на регистрите е бил сравнително голям, например RISC II има 138 регистъра, AMD 29000 - 192, Pyramid - 528 и т.н. Големият брой регистри е бил продиктуван от първоначалната липса на компилатори, достатъчно добре използващи регистрите на процесора. Но големият брой регистри създава проблеми със тяхното управление, а така също и заемат по-голямо място върху кристала. По-късно броят на регистрите е намален. Причините за това са две:
 
а) Проведените допълнителни изследвания показват , че с 8 регистъра се получава 80% от бързодействието, в сравнение с използването на неограничен брой регистри.
б) Разработени са и разпространени регистрово оптимизиращи компилатори, които ефективно използват наличните регистри в процесора.
 
Разбира се RISC архитектурата има някои негативни страни, които трябва да се имат предвид. Основните от тях са следните.
Регистровата архитектура открива възможности за намаляване бързодействието на паметта за данни с цената на повишена пропускателна способност на паметта за команди. Това свойство се оказва желателно при използване на кеш-памет за команди, която е по-ефективна от кеш-паметта за данни. Кеш-паметта за команди е по-проста за реализация (изисква само четене) и при равни обеми вероятността за попадения в нея е по-висока отколкото в кеш-паметта за данни, защото локалността на обръщенията за команди е по-висока отколкото за данните. Така че няма RISC процесор, който да няма поне кеш-памет за команди.
 
Простотата на използване на команди в компютрите с RISC архитектура осигурява висока скорост на тяхното изпълнение. Повишаването на скоростта на изпълнение на отделните команди, като правило, превъзхожда повишаването на тяхната ефективност, защото за изпълнението даже на прости операции, реализирани с една единствена CISC команда, са необходими няколко RISC команди. Това означава увеличен размер на паметта за съхраняване на програмата, а от тука и увеличени обръщения към паметта, което в крайна сметка се отразява негативно на общата производителност.
И така, производителността на RISC процесорът е по-голяма при изпълнението на отделно взета команда в сравнение с изпълнението на цяла програма.
 
На края трябва да се отбележи, че прякото преобразуване на обектни текстове или асемблерски програми, разработени за традиционните компютри, в програми за RISC компютри е нецелесъобразно поради същественото различие на структурата на командите. Пряката по командна транслация води до значително увеличаване дължината на програмата, т.е. до заемания обем памет. Необходима е нова компилация на програмите с компилатор, предназначен за RISC компютър.
 
· Втората разлика между компютрите от трето и четвърто поколение се явява масовото използване на конвейерна обработка. Според много специалисти, конвейерната обработка на данни и команди е естественото развитие и усъвършенстване на класическия процесор. Действително конвейерна обработка за пръв път се реализира в компютъра Strech на IBM през 1960 г., а по-късно и в компютъра на CDC 6600, но масовото приложение на този подход за повишаване на производителността се дължи на разпространението на СГИС. В тази връзка е достатъчно е да се отбележи, че още в микропроцесорът 8086 на Intel (1978 г.) се използва конвейер за команди.
 
· Третата разлика между компютрите от трето и четвърто поколение засяга въвеждането и използването на шината. Шината е въведена като среда за пренасяне на данни и команди в средата на 60-те от DEC в компютъра PDP-8, като алтернатива на канала в големите машини. Поради своята простота и ниска цена тя намира масово приложение най-напред в микро- и мини- компютрите, а по-късно и в големите компютри. За да се отстрани най-сериозният недостатък на шината - ниската пропускателна способност, се използва:
 
а) увеличаване на ширината на шината;
б) увеличаване на тактовата честота;
б) разделяне на шината, позволяващо конкурентен достъп и възможност за извършване на множество транзакции едновременно, т.е. въвежда се йерархия от шини.
 
Кратка история на развитието на шината при персоналните компютри.

През 1981 г. IBM въвежда първата системна шина за персоналните компютри, която е 8 битова за данни и работи на тактова честота 4,77 MHz. Тя свързва всички основни компоненти на компютъра: процесор, памет и входно-изходни устройства. Малко по-късно, 1984 г. тази шина е разширена до 16 бита и честота й е увеличена на 8 MHz. Понастоящем е известна под името ISA (Industry Standard Architecture) и се явява най-разпространената шина през 80-те години на миналия век. Пропускателната й способност е 16 Mb/sec.
 
През 1987 г. отново IBM въвежда нова шина MCA (Micro Channel Architecture), която е несъвместима с периферните ISA модули.Тя е отначало 16 битова, а по-късно става 32 битова. През 1988 г. дебютира 32 битовата шина EISA (Extended Industry Standard Architecture), като промишлен вариант на MCA шината. Пропускателната и способност е 33 MB/sec.
През 1990 г. фирмата Compaq в своя компютър DeskPro 486/25 въвежда йерархия на шините - Flex/MP и по-късно TriFlex. При тях процесорната шина ,към която са присъединени процесорът, кеш паметта и основната памет е отделена от EISA шината, към която се включени периферните устройства. Така се осигурява независима работа на отделните устройства на компютъра.
През 1992 г. асоциацията Video Electronics Standard Association - VESA обявява техническа спецификация на локалната шина VESA VL-Bus като опит да се сложи край на хаоса съществуващ във видео локалните шини. Разширените слотове VL-Bus обикновено се използват съвместно със стандартните слотове ISA или EISA. Пропускателната способност на тази 32 битова шина е 133 MB/sec. Най-сериозният й недостатък е свързан със съвместяване на работата на принципа "включи и работи" (plug and play).
 
През 1993 се анонсира шината PCI, която е 32 битова и първоначално работи с тактова честота 33 MHz. В PCI шината е развита по-нататък идеята на Compaq за йерархия на шините в компютъра. Тя се разполага не върху самата процесорна шина - фиг. 2-4, а на едно междинно ниво между процесорната шина и периферните устройства.


Фиг.2.4 Йерархична организация на шината
Благодарение на това на екрана на монитора може да се изведе пълноцветно изображение с нормална скорост и висока разделителна способност с множество прозорци. Освен това, така се осигурява включването на допълнителни платки, които се конфигурират автоматично.
 
Пето поколение компютри. В Япония в 1981 г. бе обявен така наречения проект пето поколение компютри. Той се основава в значителна степен на паралелни, не фон Ноймановски структури и оказва силно влияние на перспективни разработки в САЩ и Европейската общност. Там бяха стартирани конкурентни програми като например разглеждането на невронните мрежи (при които структурата на паралелно работещите процесори наподобява невронните връзки в човешкия мозък) или използуването на транспютри (процесор, памет и комуникационни връзки върху един чип) за изграждането на компютри с масов паралелизъм.
Компютрите от пето поколение трябва да се делят на три достатъчно обширни класове, които в известна степен се препокриват:
 
· клас изкуствен интелект;
· клас суперкомпютри;
· клас компютри с общо предназначение.
 
Компютрите от клас изкуствен интелект трябва да могат да притежават някои от чертите на човека, суперкомпютрите са предназначени за изпълнение на изключително големи и сложни изчисления, а компютрите от третия клас са за широко разпространение в бита и в предприятията. Те трябва да бъдат във вид на микро- или мини- компютри и трябва да са еднакво приспособими за индивидуално използване и за включване към изчислителни мрежи.
Програмното осигуряване за всеки клас компютри трябва да има своя ориентация. За класа компютри "изкуствен интелект" ще се използват езици, ориентирани на обработка на символни текстове и логически процедури. Програмното осигуряване на суперкомпютрите трябва да е приспособено за паралелни изчисления, а за компютрите с общо използване важно изискване се явява осигуряването на мобилност и ориентация към мрежова обработка.
 
Има основание да се смята, че понятието за ЦП е остаряло. В бъдеще компютрите ще се разглеждат, по всяка вероятност, като системи, комплектовани със стотици и хиляди идентични процесори, всеки от които има специфични функции. Едно от направленията на развитие на изчислителните системи е създаването на високопаралелни устройства за масова обработка с развити комуникации. Така образуваната изчислителна среда представлява съвкупност от прости еднакви автомата, стандартно съединени помежду си и програмно пренастройвани помежду си за изпълнение на няколко функции, т.е. основните насоки за изграждане изчислителни системи са свързани с принципите на паралелност, конструктивна еднородност и програмна изменяемост на структурата.

Въведение в архитектурата- Част 2
 
Литература
1. Ст. Каблешков Архитектура на ЦЕИМ. С., Техника, 1978
2. Т. Мото-ока ЭВМ пятого поколения (Концепции, проблемы, переспективы). M., "Финансы и статистика", 1984.
3. Hindin H.J. Fifth generation computing: dedicated software is the key, "Computer Design", 1984, 23, No10, pp.150-152, 154-160, 162, 164.
4. Цв. Петров TriFlex, Computer, 7/93, 49-52. 5. Basert E. RISC design streamlines high power CPUs. "Comput.Des.",1985, Vol. 24, No7, pp.119-122.
6. Hennessy J.L. VLSI processor architecture. "IEEE Trans.on Copm.", 1984,33, No12, pp.1221-1246.
7. М. Амамия, Ю. Танака Архитектура ЭВМ искусственный интеллект.М., Мир, 1993, стр.7-38.
8. У. Стиллингс Архитектура компьютера с сокращенным наборам команд. ТИИЭР, т.76, Nо 1, январь 1988р стр. 42-63.
9. Всичко за Pentium. НИСОФТ ООД,1998, 83-123





Коментирай свободно: