3.2. Модели выполнения команд процессором

Известны следующие три модели выполнения команд процессором:

1. Последовательная

2. Конвейерная

3. Суперскалярная.

При последовательной (скалярной) модели – выполнение следующей команды начинается только после окончания выполнения предыдущей.

При конвейерной модели (параллелизм на уровне подопераций) – выполнение следующей команды начинается до полного окончания выполнения предыдущей. При этом происходит:

• разделение сложной операции на простые независимые части примерно равной трудоемкости;

• одновременное выполнение разных подопераций с независимыми данными;

• ускорение процесса обработки.

Суперскалярная модель (параллелизм на уровне команд) – в этой модели выполняется несколько операций за один такт. При этом происходит:

• распознавание зависимых и независимых команд;

• зависимые команды выполняются по последовательной модели;

• независимые команды выполняются по конвейерной модели.

3.3. Основные семейства микропроцессоров

Совокупность команд, которые может выполнять процессор, называется системой его команд. Процессоры, имеющие одинаковые или приблизительно одинаковые системы команд, относят к одному семейству. Они взаимозаменяемы. Если процессоры имеют одинаковую систему команд, то они полностью совместимы на программном уровне. Процессоры, имеющие разные системы команд, как правило, не совместимы или ограниченно совместимы на программном уровне.

Например: Все процессоры Intel Pentium относятся к семейству х86. Родоначальником этого семейства был 16-разрядный процессор Intel 8086.

Впоследствии выпускались процессоры:

• Intel 80286,

• Intel 80386,

• Intel 80486,

• Intel Pentium ММХ,

• Intel Pentium Pro,

• Intel Pentium II,

• Intel Celeron,

• Intel Pentium III и др.

Процессор Pentium, – это зарегистрированная торговая марка процессоров пятого поколения корпорации Intel. Первый процессор типа Pentium появился в 1993г.

Процессор Celeron – это тоже продукт корпорации Intel. Он стоит несколько особняком, поскольку выделяется из общей линейки некоторыми революционными идеями. Первый Celeron появился в 1998г.

Все эти модели и некоторые модели других компаний, таких как: AMD, Cyrix, – относятся к семейству х86 и обладают совместимостью сверху-вниз. Принцип совместимости сверху-вниз – это неполная совместимость, когда каждый новый процессор воспринимает все команды предшественников, но не наоборот.

Ввиду сложности внутреннего построения и дороговизны производства процессоров их разработкой и изготовлением занимается несколько фирм: Intel, AMD, Cyris, Motorola. Сегодня на компьютерном рынке более активно выступают фирмы:

• Intel с процессорами: 80486, Pentium, Pentium Pro, Celeron, Xeon, Merced и др.

• AMD с процессорами: K6, K7, K7 Duron, K7 Athlon и др.

4. Типы архитектур вычислительных систем

4.1. Однопроцессорные, многопроцессорные и многомашинные вычислительные системы

Архитектура вычислительной системы – совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая возможности системы. В понятие современной ЭВМ вкладывается:

• высокий параллелизм обработки в процессоре;

• иерархическая организация подсистемы памяти;

• развитая подсистема ввода-вывода;

• мультипроцессирование.

По количеству центральных процессоров или ЭВМ вычислительные системы делят на:

1. Однопроцессорные.

2. Многомашинные.

3. Многопроцессорные.

Однопроцессорные вычислительные системы – это ЭВМ, имеющие один процессор и соответствующий набор остальных устройств.

Многомашинная система содержит несколько ЭВМ, каждая из которых имеет свои оперативную память, процессор, внешние устройства, работает под управлением своей операционной системы и имеет средства обмена информацией между машинами, входящими в систему.

Многопроцессорные (мультипроцессорные) вычислительные системы состоят из нескольких процессоров, работающих с общей оперативной памятью, единой внешней памятью и управляются общей операционной системой.

В ЭВМ, построенных по идее Дж. Фон Неймана, процессор последовательно извлекает команды из оперативной памяти, и полученный результат снова засылает в память. Быстродействие таких машин увеличивалось за счет увеличения быстродействия электронных компонентов.

Сегодня увеличение быстродействия при такой архитектуре уже невозможно, так как оно приближается к фундаментальному пределу, обусловленному конечной скоростью распространения сигналов. Обойти это ограничение можно распараллеливанием одной задачи между несколькими процессорами. Это идея Даниэла Хиллиса (1981 год). Сегодня разрабатываются ЭВМ параллельной архитектуры – многопроцессорных систем с одновременно и независимо работающими процессорами.

В Республике Беларусь устанавливаются многопроцессорные системы в ряде крупных организаций: на Белазе, в Соснах, в Гродно, в БГУ и др.

В частности, в БГУ установлена система СКИФ-К1000-05, имеющая:

• 288 процессоров;

• скорость 288 трил. оп./сек;

• стоимость 148 тыс.$.

Установленные системы ориентированы на решение задач 3-х мерного моделирования в физике, динамике, производстве, прогноза погоды.

В мультипроцессорных системах:

• более быстрая реакция на ситуации, возникающие внутри системы и в ее внешней среде;

• более высокая надежность и живучесть, т. к. система сохраняет работоспособность, пока работает, хотя бы один модуль каждого типа устройств.

Конструирование многомашинных систем из серийно выпускаемых ЭВМ с их стандартными операционными системами проще, чем построение многопроцессорных, требующих преодоления трудностей, возникающих при реализации общей памяти и общей операционной системы.