Архитектура компьютера

Для управления трактом данных, изображенным на рис. 4.1, нам нужно 29 сигналов. Их можно разделить на пять функциональных групп:

♦ 9 сигналов для записи данных с шины С в регистры;

♦ 9 сигналов для разрешения передачи регистров на шину Вив АЛУ;

♦ 8 сигналов для управления АЛУ и схемой сдвига;

♦ 2 сигнала, которые указывают, что нужно осуществить чтение или запись через регистры MAR/MDR (на рисунке они не показаны);

♦ 1 сигнал, который указывает, что нужно осуществить вызов из памяти через регистры PC/MBR (на рисунке также не показан).

Значения этих 29 сигналов управления определяют операции для одного цикла тракта данных. Цикл состоит из передачи значений регистров на шину В, прохождения этих сигналов через АЛУ и схему сдвига, передачи полученных результатов на шину С и записи их в нужный регистр (регистры). Кроме того, если установлен сигнал считывания данных, то в конце цикла после загрузки регистра MAR начинает работать память. Данные из памяти помещаются в MBR или MDR в конце следующего цикла, а использоваться эти данные могут в цикле, который идет после него. Другими словами, если считывание из памяти через любой из портов начинается в конце цикла k, то полученные данные не смогут использоваться в цикле k + 1 (только в цикле k + 2 и позже).
Читать дальше »

Вычислительные сети подразделяются на два основных вида: локальные сети (Local Area Networks, LAN) соединяют компьютеры, расположенные в одном помещении или здании, а глобальные сети (Wide Area Networks, WAN) связывают компьютеры, находящиеся на значительном расстоянии друг от друга. Наиболее популярный тип локальных сетей называется Ethernet. Первоначально простая сеть Ethernet состояла из толстого кабеля, к которому с помощью устройства под ироничным названием зуб вампира (vampire tap) подводились провода от входящих в сеть компьютеров. В современных сетях Ethernet компьютеры подключаются к центральному коммутатору (он показан справа на рис. 8.11). В первых версиях Ethernet скорость передачи данных ограничивалась значением 3 Мбит/с, а в первой коммерческой версии она увеличилось до 10 Мбит/с. Впоследствии появились версии Fast Ethernet и Gigabit Ethernet со скоростями передачи 100 Мбит/с и 1 Гбит/с соответственно. Не так давно выпущена коммерческая версия со скоростью 10 Гбит/с, а в недалеком будущем скорость возрастет до 40 Гбит/с.
Читать дальше »

Большинство современных компьютеров подключены к локальной сети или Интернету. В результате технологического прогресса в области сетевого оборудования передача данных в сетях сегодня происходит так быстро, что программно обрабатывать все входящие и исходящие данные становится все сложнее. В связи с этим разрабатываются специальные сетевые процессоры, предназначенные для обработки трафика, и ими уже сегодня оснащаются многие профессиональные вычислительные системы. В этом подразделе мы вкратце напомним основы организации сетей и обсудим принципы работы сетевых процессоров.

Разобравшись с методами реализации внутрипроцессорного параллелизма, рассмотрим варианты повышения быстродействия компьютера за счет введения второго, специализированного, процессора. Такие сопроцессоры очень разнообразны, в том числе по масштабу. В мэйнфреймах IBM 360 и во всех последующих моделях этой линейки для ввода-вывода предусмотрены независимые каналы. В составе CDC 6600 было 10 независимых процессоров, отвечавших за ввод-вывод. Другая область применения сопроцессоров — обработка графики и арифметические операции с плавающей точкой. Даже микросхему DMA можно рассматривать как сопроцессор. Иногда процессор передает сопроцессору на исполнение команду или набор команд; в иных случаях сопроцессор действует независимо и выполняет собственные команды.
Читать дальше »

Помимо серверов, однокристальные мультипроцессоры используются во встроенных системах — по большей части в аудиовизуальной бытовой электронике: телевизорах, DVD-плеерах, видеокамерах, игровых приставках, сотовых телефонах и т. д. Подобные системы отличаются повышенными требованиями к производительности и жесткими ограничениями. Несмотря на различия во внешнем виде, по существу, эти устройства представляют собой миниатюрные компьютеры с одним или несколькими процессорами, модулями памяти, контроллерами и специализированными устройствами ввода-вывода. К примеру, сотовый телефон — это компьютер, оснащенный процессором, памятью, компактной клавиатурой, микрофоном, системой воспроизведения звукового сигнала и беспроводным сетевым адаптером.

Рассмотрим для примера портативный DVD-плеер. Размещенный в нем компьютер призван выполнять несколько функций:
Читать дальше »

Спрос на компьютеры, работающие с все более и более высокой скоростью, не прекращается. Астрономы хотят выяснить, что произошло в первую микросекунду после большого взрыва, экономисты хотят смоделировать всю мировую экономику, подростки хотят играть в трехмерные интерактивные игры со своими виртуальными друзьями через Интернет. Быстродействие процессоров растет, но у них постоянно возникают проблемы со скоростью передачи информации, поскольку скорость распространения электромагнитных волн в медных проводах и света в оптико-волоконных кабелях по-прежнему остается равной 20 см/нс, независимо от того, насколько умны инженеры компании Intel. Кроме того, чем быстрее работает процессор, тем сильнее он нагревается, поэтому возникает задача защиты его от перегрева.

Параллелизм на уровне команд в определенной степени помогает, но конвейеры и суперскалярная архитектура обычно повышают скорость работы всего лишь в 5-10 раз. Чтобы увеличить производительность в 50, 100 и более раз, нужно создавать компьютеры с несколькими процессорами. Ознакомимся с устройством таких компьютеров.

Один конвейер — хорошо, а два — еще лучше. Одна из возможных схем процессора с двумя конвейерами показана на рис. 2.4. В ее основе лежит конвейер, изображенный на рис. 2.3. Здесь общий блок выборки команд вызывает из памяти сразу по две команды и помещает каждую из них в один из конвейеров. Каждый конвейер содержит АЛУ для параллельных операций. Чтобы выполняться параллельно, две команды не должны конфликтовать из-за ресурсов (например, регистров), и ни одна из них не должна зависеть от результата выполнения другой. Как и в случае с одним конвейером, либо компилятор должен гарантировать отсутствие нештатных ситуаций (когда, например, аппаратура не обеспечивает проверку команд на несовместимость и при обработке таких команд выдает некорректный результат), либо за счет дополнительной аппаратуры конфликты должны выявляться и устраняться непосредственно в ходе выполнения команд.
Читать дальше »

Уже много лет известно, что главным препятствием высокой скорости выполнения команд является необходимость их вызова из памяти. Для разрешения этой проблемы можно вызывать команды из памяти заранее и хранить в специальном наборе регистров. Эта идея использовалась еще в 1959 году при разработке компьютера Stretch компании IBM, а набор регистров был назван буфером выборки с упреждением. Таким образом, когда требовалась определенная команда, она вызывалась прямо из буфера, а обращения к памяти не происходило.

В действительности при выборке с упреждением команда обрабатывается за два шага: сначала происходит вызов команды, а затем — ее выполнение. Еще больше продвинула эту стратегию идея конвейера. При использовании конвейера команда обрабатывается уже не за два, а за большее количество шагов, каждый из которых реализуется определенным аппаратным компонентом, причем все эти компоненты могут работать параллельно.
Читать дальше »

Разработчики компьютеров стремятся к тому, чтобы повысить производительность своих машин. Один из способов заставить процессоры работать быстрее — повышение их тактовой частоты, однако при этом существуют некоторые технологические ограничения, связанные с конкретным историческим периодом. Поэтому большинство разработчиков для повышения производительности при данной тактовой частоте процессора используют параллелизм (выполнение двух или более операций одновременно).

Существует две основные формы параллелизма: параллелизм на уровне команд и параллелизм на уровне процессоров. В первом случае параллелизм реализуется за счет запуска большого количества команд каждую секунду. Во втором случае над одним заданием работают одновременно несколько процессоров. Каждый подход имеет свои преимущества. В этом разделе мы рассмотрим параллелизм на уровне команд, а в следующем — параллелизм на уровне процессоров.

Прошло уже более двадцати лет с тех пор, как были сконструированы первые компьютеры RISC, однако некоторые принципы их функционирования можно перенять, учитывая современное состояние технологии разработки аппаратного обеспечения. Если происходит очень резкое изменение в технологии (например, новый процесс производства делает время обращения к памяти в 10 раз меньше, чем время обращения к центральному процессору), меняются все условия. Поэтому разработчики всегда должны учитывать возможные технологические изменения, которые могли бы повлиять на баланс между компонентами компьютера.

Существует ряд принципов разработки, иногда называемых принципами RISC, которым по возможности стараются следовать производители универсальных процессоров. Из-за некоторых внешних ограничений, например требования совместимости с другими машинами, приходится время от времени идти на компромисс, но эти принципы — цель, к которой стремятся большинство разработчиков.
Читать дальше »