3.7.3. Особливості архітектури комп'ютера з простою системою команд

Відомі ще з початку 80-х років принципи реалізації КПСК є наступними: • Довільна комп'ютерна команда, незалежно від її типу, має виконуватися за один такт (чи однотактовий цикл).

125

• Система команд має містити мінімальну кількість спрощених команд, що статис­тично переважають у програмах

• Команди обробки даних реалізуються лише у формі «регістр регістр». Обміни з пам'яттю даних (гарвардська архітектура), з метою модифікації змінних у пам'яті вико­нуються лише за допомогою команд читання/запису (архітектура load/store).

• Програми, що модифікують власні коди (раніше це було розповсюджено у різних комп'ютерах, зокрема PDP-11/VAX-11) є забороненими. Виходить, що згідно з новою кон­цепцією команди обробки не можуть адресувати нічого, за винятком регістрів процесора

• Дешифрування команд із спрощеними форматами має виконуватися лише апарат­но, аби збільшити швидкодію

• У системі команд відносно небагато операцій та режимів адресування операндів (способів адресації).

• Високий рівень конвеєризації виконання команд

• Велика кількість регістрів

• Застосовується багато рівнів ієрархії пам'яті

• Склад системи команд має задовольняти вимоги «зручної» компіляції операторів мов високого рівня

Виходячи з наведених вище принципів, можна прийти до висновку що проектуван­ня КПСК вимагає вирішення наступних завдань

• Аналіз області використання з метою визначення найпоширеніших операцій та фор­мування на основі цього списку команд (наприклад, обробки сигналів або створення до­кумента).

• Оптимізація структури процесора, що проектується, з метою забезпечення най­швидшого виконання обраних команд

• Додавання до отриманого списку інших команд, якщо вони не ускладнюють процесора

• Застосування цих же принципів у розробленні інших пристроїв комп ютерної системи.

• Перенесення більшої частини дій з апаратури на програмну частину (компілятор).

Потрібно відзначити, що з часом тлумачення окремих принципів змінилося. Напри­клад, вимогу виконання команди за один такт почали розуміти в той спосіб, що резуль­тати усіх операцій мають формуватися з темпом «одне слово за такт». Іншими слова­ми, усі процесори обов язково містять конвеєризовані арифметичні пристрої. Сучасні технології елементної бази дозволили реалізувати замість первісних десятків команд більше сотні (до 150-200). Проте основний принцип архітектури КПСК виконувати операції тільки у межах регістрової структури процесора, аби виключити звертання до пам'яті даних, залишився незмінним

3.7.4. Архітектура комп'ютера з доповненою системою команд

Основною вимогою до КДСК є забезпечення високої продуктивності при реалізації алгоритмів з великим обсягом обчислень в реальному масштабі часу. В КДСК ця вимога задовольняється завдяки використанню таких основних принципів:

розділенню шин даних і команд із забезпеченням інформаційного обміну між ними, тобто використанню гарвардської архітектури;

- широкому використанню конвеєрного принципу обробки даних;

126

• використанню, крім традиційного АЛП, спеціалізованого операційного пристрою, який структурно орієнтований на виконання найуживаніших операцій

• використанню широкорозрядних блоків оперативної та постійної пам'яті великої ємності з можливістю її секціювання із забезпеченням незалежного доступу до секцій;

• використанню взамін адресного регістра спеціального процесора формування адрес та його структурній орієнтації на роботу з масивами даних та на виконувані алго­ритми адресації пам'яті

• введенню в пристрої вибірки команд стеків індексних регістрів, регістрів загально­го призначення, регістрів попередньої вибірки та інших апаратних засобів для маніпу­ляцій з командами і даними;

• введенню в систему команд спеціальних команд для виконання найуживаніших алгоритмів;

• використанню швидкодіючих послідовних і паралельних інтерфейсів, які забезпе­чують створення багатопроцесорних систем

• короткому командному циклу

Дані принципи, покладені в основу проектування КДСК, забезпечують їм високі тех­нічні параметри, завдяки яким КДСК обробляють великі масиви інформації за складни­ми алгоритмами і виконують більшість операцій за один командний цикл

Типова структура комп'ютера з доповненою системою команд наведена на рис. 3.44. Видно, що тут використовується гарвардська архітектура, яка передбачає розподіл пам яті на пам ять даних і пам ять програм, що дає змогу суміщати в часі вибірку і вико­нання команд. Такий розподіл шин дає змогу створити конвеєр виконання команд і під­вищити продуктивність КДСК. В багатьох комп'ютерах з доповненою системою команд, зокрема сім'ї TMS320, використовується модифікована гарвардська архітектура, яка до­пускає обмін інформацією між пам'яттю даних і пам яттю команд створенням зв'язку між шиною даних і шиною команд (міст зв'язку шин на рис. 3.44).