9.1 Ключевые (основные) вопросы (моменты)

— принцип организации процессора пересылок;

— механизм запуска команд;

9.2 Текст лекции

9.2.1 Организация процессора пересылок

Существенный недостаток канонической схемы фон-неймановских вычислений связан с пассивностью памяти и тем, что при выполнении программы требуется неоднократное обращение к единой последовательно адресуемой памяти, в которой хранятся как команды, так и данные. При этом невысокая пропускная способность канала связи приводит к тому, что процессор простаивает, ожидая очередной команды, операндов или окончания выполнения присваивания. В свою очередь, рост скорости канала связи ограничивается постоянно растущей потребностью расширения объема памяти.

На ограничения фон-неймановской архитектуры еще в середине 70-х годов указал разработчик БНФ-граматики (BNF, Backus normal form) и одного из первых компилируемых языков высокого уровня Fortran (1954 год) Джон Бэкус (John W. Backus) в лекции, прочитанной при вручении ему премии Тьюринга. Для повышения производительности традиционную архитектуру модифицируют путем разделения памяти команд и данных, увеличения регистрового блока, добавления команд, выполняющих достаточно сложные действия над операндами, введения ассоциативной кэш памяти и самоопределяемых данных.

Идея хранимой в памяти программы была выдвинута в 1944 году Джоном Эккертом (John Presper Eckert) и впервые реализована совместно с Джоном Мочли (John W. Mauchly) в проекте компьютера EDVAC. После выхода в 1945 году статьи фон Неймана, являвшегося консультантом данного проекта, концепция единой памяти для хранения команд и данных легла в основу фон-неймановской архитектуры и была принята при разработке вычислительных машин в Институте передовых исследований (IАS) в Принстоне, получив название принстонской архитектуры. В 1948 году была предложена другая модель, в которой вычислительная система имела отдельную память команд и отдельную память данных. Этот вид архитектуры, впервые воплощенной в компьютере Marc-III, созданном в Гарвардском университете Говардом Айкеном (Howard Aiken), называют гарвардской архитектурой.

Разделение памяти программ и данных повышает надежность системы, так как аппаратный запрет на доступ к области машинного кода предотвращает возможность самомодификации программ. Кроме того, данный подход позволяет организовывать одновременный доступ к командам и данным, поэтому наряду с модифицированной гарвардской архитектурой, предоставляющей возможность контролируемого обмена информацией между памятью программ и памятью данных, широко используется в современных конвейерных вычислительных устройствах.

Классические принципы построения вычислительной системы предусматривают иерархическую организацию памяти, при которой в машинной команде применяются разные способы адресации, а разные уровни иерархии рассматриваются логически как разные устройства. Отказ от классической иерархии памяти в пользу логического объединения адресного пространства, имеющего единый способ адресации в машинной команде, положен в основу процессора пересылок, архитектура которого в настоящее время нашла применение в ряде процессоров обработки сигналов.

В данной архитектуре предполагается единообразная адресация и обращение к различным устройствам: специальным регистрам управления процессором, внутренним регистрам схем выполнения машинных команд, регистрам общего назначения, а также к словам оперативной памяти. Такая сквозная адресация устройств порождает специфический подход к организации работы процессора и механизму выполнения машинных команд.

При распределении схем, реализующих выполнение машинных команд, с их собственными регистрами операндов и результатов по фиксированным адресам сквозной памяти, область сквозного адресного пространства, соответствующая входным и выходным регистрам, оказывается жестко закреплена за соответствующими машинными командами. Поэтому команды процессора пересылок не содержат поля кода операции, а запуск той или иной операции связан только с адресами расположения соответствующих входных регистров. Например, схема сложения чисел с фиксированной точкой, обладающая собственными регистрами двух операндов и регистром результата оказывается фиксированной в соответствующих трех адресах сквозной памяти. При этом, поскольку команда сложения жестко закреплена за этими адресами, запуск операции сложения связан только с пересылкой операндов по адресам расположения соответствующих входных регистров.