Исследование архитектуры современных микропроцессоров и вычислительных систем - Дипломная работа

1 Классификации архитектур вычислительных систем 1.1 Классификация Флинна 1.2 Дополнения Ванга и Бриггса к классификации Флинна 1.3 Классификация Фенга 1.4 Классификация Шора 1.5 Классификация Хендлера 1.6 Классификация Хокни 1.7 Классификация Шнайдера 1.8 Классификация Джонсона 1.9 Классификация Базу 1.10 Классификация Кришнамарфи 1.11 Классификация Скилликорна 1.12 Классификация Дазгупты 1.13 Классификация Дункана 2 Организация компьютерных систем 2.1 Общие сведения 2.2 Устройство центрального процессора 2.3 Выполнение команд 2.4 RISCи CISC 2.5 Принципы разработки современных компьютеров 2.6 Параллелизм на уровне команд 2.7 Параллелизм на уровне процессоров 3 Эволюция микропроцессорных систем 3.1 Основные направления развития 3.2 Увеличение объема внутрикристальной памяти 3.3 Увеличение числа и состава функциональных устройств 3.4 Интеграция функций 3.5 Однокристальные мультискалярные и мультитредовые системы 3.6 Направление эволюции архитектуры микропроцессоров Выводы Список использованных источников ВВЕДЕНИЕ Стремительное развитие науки и проникновение человеческой мысли во все новые области вместе с решением поставленных прежде проблем постоянно порождает поток вопросов и ставит новые, как правило более сложные, задачи. К настоящему времени спроектированы и опробованы сотни различных компьютеров, использующих в своей архитектуре тот или иной вид параллельной обработки данных. В научной литературе и технической документации можно найти более десятка различных названий, характеризующих лишь общие принципы функционирования параллельных машин: векторно-конвейерные, массивно-параллельные, компьютеры с широким командным словом, систолические массивы, гиперкубы, спецпроцессоры и мультипроцессоры, иерархические и кластерные компьютеры, dataflow, матричные ЭВМ и многие другие. Если же к подобным названиям для полноты описания добавить еще и данные о таких важных параметрах, как, например, организация памяти, топология связи между процессорами, синхронность работы отдельных устройств или способ исполнения арифметических операций, то число различных архитектур станет и вовсе необозримым. Попытки систематизировать все множество архитектур начались после опубликования М.Флинном первого варианта классификации вычислительных систем в конце 60-х годов и непрерывно продолжаются по сей день. В самом деле, вспомним открытый в 1869 году Д.И.Менделеевым периодический закон. Однако она не приближает пользователя к пониманию того, что от него потребуется для написания программы, работающий на пределе производительности параллельного компьютера, т.е. того, ради чего он и решился его использовать. Она носит скорее обзорный характер и ее основная задача - это собрать в одном месте накопленый к настоящему времени материал. 1 КЛАССИФИКАЦИИ АРХИТЕКТУР ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ 1.1 Классификация Флинна По-видимому, самой ранней и наиболее известной является классификация архитектур вычислительных систем, предложенная в 1966 году М.Флинном. На основе числа потоков команд и потоков данных Флинн выделяет четыре класса архитектур: SISD,MISD,SIMD,MIMD. SISD (single instruction stream / single data stream) (рис. 1.1) - одиночный поток команд и одиночный поток данных. Не имеет значения тот факт, что для увеличения скорости обработки команд и скорости выполнения арифметических операций может применяться конвейерная обработка. Способ выполнения векторных операций не оговаривается, поэтому обработка элементов вектора может производится либо процессорной матрицей, как в ILLIAC IV, либо с помощью конвейера, как, например, в машине CRAY-1. Рисунок 1.4 - Архитектура MIMD Итак, что же собой представляет каждый класс?. Бесспорными представителями класса SIMD считаются матрицы процессоров: ILLIAC IV, ICL DAP, Goodyear Aerospace MPP, Connection Machine 1 и т.п. Каждый процессорный элемент получает от устройства управления в каждый фиксированный момент времени одинаковую команду и выполняет ее над своими локальными данными. В классе MIMD авторы различают - вычислительные системы со слабой связью между процессорами, к которым они относят все системы с распределенной памятью, например, Cosmic Cube, - и вычислительные системы с сильной связью (системы с общей памятью), куда попадают такие компьютеры, как C.mmp, BBN Butterfly, CRAY Y-MP, Denelcor HEP. 1.3 Классификация Фенга В 1972 году Т.Фенг предложил классифицировать вычислительные системы на основе двух простых характеристик. Немного изменив терминологию, функционирование любого компьютера можно представить как параллельную обработку n битовых слоев, на каждом из которых независимо преобразуются m бит. Большинство классических последовательных компьютеров, так же как и многие вычислительные системы, эксплуатируемые до сих пор, принадлежит к данному классу: IBM 701 с описанием (36,1), PDP-11 (16,1), IBM 360/50 и VAX 11/780 - обе с описанием (32,1); - разрядно-последовательные пословно-параллельные (n=1, m>1). Типичными примерами служат STARAN (1, 256) и MPP (1,16384) фирмы Goodyear Aerospace, прототип изв