Аппаратный подход к построению рон

Большинство операций требуют обращения к операнду, который представляет собой скалярную переменную. Хранение этих операндов в РОН позволяет значительно повысить динамические характеристики вычислительной системы.

При каждом вызове процедуры необходимо обеспечить РОН соответствующими данными. При этом необходимо для следующей процедуры свои данные плюс результаты процедуры, а при возврате необходимо восстановить данные в регистрах.

Решение этой задачи основано на:

1. Глубина инициализации процедуры колеблется в сравнительно незначительных пределах (от 3 до 8).

2. Типичные процедуры используются в течение своего выполнения как скалярные, так и глобальные переменные.

Для решения этой задачи в RISC процессоре (RISC1 и RISC2) используются несколько регистров, распределённые между соседними процессорами. Вызов одной процедуры автоматически переключает центральный процессор на другое регистровое окно, вместо того, чтобы сохранять информацию в памяти. Окна для соседних процессоров пересекаются, что позволяет передавать данные от одной процедуры к другой.

В любой момент времени доступно лишь окно регистров, для передачи из одного окна в другое имеются зоны, которые доступны процессору при выполнении соседних процедур.

Достоинства: минимальное количество циклов обращения к памяти, т.к. результаты операций как предыдущей, так и последующей хранятся в РОН.

Недостатки: дополнительные аппаратные затраты.

Следует отметить, что в данном случае в процессоре обязательно отводится RG, который указывает адрес заполненного окна и указывает адрес окна, в которое записывается в данный момент информация.

По статистике только 1% обращений требует сохранения информации в стековой области памяти.

Эта структура особенно эффективна в тех случаях, когда используются в основном скалярные переменные и резко снижаются в том случае, если используются глобальные переменные (т.е. переменные, используемые более чем в двух процедурах).

Для решения этого вопроса используется 2 варианта:

1. Переменные, которые являются глобальными, распределяются компилятором между ячейками памяти и процессоров в каждый … Это направление требует меньших аппаратных затрат, но считается неэффективным, т.к. требует дополнительного обращения к памяти.

2. В состав процессора вводятся дополнительные регистры для хранения глобальных переменных. Эти регистры доступны для всех процедур.

Применение регистровых окон позволяет сократить время выполнения программ, т.к. все необходимые данные хранятся в регистровом файле.

КЭШ-память в отличие от данных окон требует полноразмерную адресацию, т.е. эквивалентную адресацию к общей памяти.

11

Архитектура систем с сокращённым набором команд (СНК)

Стояло 2 задачи при построении этих систем:

1. Необходимость упрощения компиляторов.

2. Повышение быстродействия.

При разработке компиляторов необходимо сформировать последовательность машинных команд, соответствующих каждому оператору языка высокого уровня (ЯВУ) в тех случаях, когда оказывается, что оператор ЯВУ похож или полностью идентичен команде, то данная машина относится к CISC процессорам, а задача создания компиляторов упрощается.

При создании вычислительной машины с сокращённым набором команд предполагается, что длина программы будет уменьшаться за счёт элементарных команд RISC процессора.

Характерные особенности архитектуры с СНК.

1. Машинная команда выполняется за один машинный цикл (МЦ). МЦ – это интервал, затрачиваемый на выборку двух операндов, выполнение операции в АЛУ и запоминание результата оператором.

2. В машинах с СНК большинство операций это регистр-регистр, а для доступа к памяти реализованы очень простые команды загрузки и запоминания.

3. В машинах с СНК используются только простые способы адресации (как правило регистровое, регистр-адрес со смещением и менее 1% - косвенные).

4. Использование только простых форматов команд. Команда имеет фиксированную длину. Расположение элементов команд – фиксировано.

Достоинства:

• фиксированные поля позволяют упростить дешифратор кода операции и обращение к регистровому файлу;

• использование упрощённого формата команды позволяет упростить (в некоторых случаях свети к минимуму) устройство управления. УУ в СНК процессорах занимает не более 7-8% от площади кристалла, в то время как в CISC процессоре УУ занимает 70-80% площади кристалла.

Всё вышеперечисленное позволяет:

1) Повысить быстродействие по следующим причинам:

1. Большинство команд, которые формируются компилятором очень просты (в RISC процессоре, как правило, отсутствует микропрограммное управления микропрограмм).

2. Используется конвейерный режим выполнения команд (т.к. команды просты, содержат одинаковое количество тактов).

3. Эти компьютеры имеют минимальное время реакции на прерывание, т.к. все команды очень короткие.

2) Архитектура RISC процессоров позволяет реализовать полный компьютер на одном кристалле (из-за отсутствия микропрограммного управления).