3. Понятие архитектуры и микроархитектуры. Классификация вычислительных средств по архитектуре (классификация Флинна).

Под архитектурой процессора понимается его программная модель, то есть программно-видимые свойства. Под микроархитектуройпонимается внутренняя реализация этой программной модели. Для одной и той же архитектуры IA-32 разными фирмами и в разных поколениях применяются существенно различаю­щиеся микроархитектурные реализации, при этом, естественно, стремятся к мак­симальному повышению производительности (скорости исполнения программ).

Под архитектурой ЭВМ понимают ее внутреннюю организацию, состав различных ее устройств, логику их работы и их взаимодействие. Уровень детализации сведений об архитектуре может быть разным и зависит от категории пользователей ЭВМ. Лицам, использующим ЭВМ как игровой автомат, нужен небольшой объем сведений о своем компьютере – частота процессора, объем оперативной и дисковой памяти, марка видеоадаптера и т.п. Системному программисту, конечно, понадобятся более детальные сведения об архитектуре ЭВМ. Чем более детальные представления имеет пользователь об архитектуре ЭВМ, тем более эффективно он может использовать ее возможности. Глубокие знания архитектуры ЭВМ нужны не только инженеру-схемотехнику, проектирующему ее блоки, или системному программисту, разрабатывающему программное обеспечение для взаимодействия этих блоков, но и любому более-менее серьезному пользователю ЭВМ.

Классификация архитектур ВС на основе потоков команд и данных была предложена в 1966 г. Профессором Стэнфорда М.Д. Флинном. В соответствии с ней выделяют четыре типа архитектур:

1. SISD (Single Instruction stream Single Data stream) или ОКОД

Схема функционирования проста:

Поток команд, идущих их памяти в процессор порождает поток данных, идущих в том же направлении (для их обработки) и поток данных результатов из процессора (после обработки).

2. SIMD

Архитектура предполагает один поток команд, каждая из которых может совершать операцию одновременно над многими данными (Так называемые векторные команды). Например, многопроцессорные вычислительные системы, состоящие из многих процессорных элементов, каждый из которых имеет свою локальную память. УУ в этом случае выбирает последовательно команды, которые выполняют все процессоры над данными, которые они берут каждый из своей локальной памяти.

3. MIMD

Этот класс предполагает, что в вычислительной системе есть несколько устройств обработки команд, объединенных в единый комплекс и работающих каждое со своим потоком команд и данных.

Чаще всего под MIMD-системами подразумевают установки, предназначенные для решения одной большой задачи, разбитой на более менее независимые части. К такой архитектуре могут быть отнесены многие суперкомпьютеры, распределенные вычислительные сети.

4. MISD

Многопроцессорная архитектура, объединяющая множество процессоров с общей памятью. Многие специалисты считают, что этот класс пуст, потому, что в MIMD системах каждый процессор должен имеет доступ не только к собственной локальной памяти, но и к локальной памяти остальных процессоров системы, то есть мы можем рассматривать совокупность всех локальных ЗУ как общую память, то есть класс MIMD включает в себя и MISD. Однако так, называемая, конвейерная архитектура больше соответствует именно этому классу.

В нашем курсе важным является разделение вычислительных устройств на вычислительные машины и вычислительные системы. Под вычислительной машиной мы будем понимать техническое устройство, которое практически в чистом виде реализует архитектуру фон-Неймана, то есть модель вычислителя, осуществляющего последовательное выполнение некоторого алгоритма. Под вычислительной системой мы будем понимать комплекс ЭВМ, специальным образом организованный аппаратно и программно, что позволяет ему существенно повысить производительность. Вычислительные системы обязательно предполагают возможность непоследовательной (параллельной) организации выполнения команд. Иногда такие архитектуры называют не-фон-неймановскими, однако это не вполне правильно. Алгоритмически фон-неймановские и не-фон-неймановские архитектуры эквивалентны в том смысле, что каждую вычислительную задачу, которую можно решить на одной архитектуре, можно решить и на другой. Разница лишь в организации вычислений, быстродействии.

Если ЭВМ представляет собой довольно простую (сравнительно) техническую реализацию универсальной машины Тьюринга, то вычислительная система включает в себя комплекс технических достижений, позволяющий существенно повысить быстродействие ЭВМ.