Организация ЭВМ и систем

Определение архитектуры компьютера
Архитектура компьютера – логическая организация компьютера с точки зрения программиста, (программно-видимые средства)
Intel Core, AMD x86-64, STI Cell, IBM POWER
Микроархитектура компьютера – совокупность аппаратных решений для серии процессоров, реализующих ее программную модель
IA-32 (Intel Architecture 32 bit) представлена двумя микроархитектурами:
P6 (Pentium Pro, Pentium II и Pentium III)
NetBurst (Celeron, Pentium 4, Xeon ,….)

ENIAC
(Electronic Numerical Integrator and Computer)
1943 г., Джон Мочли, Джон Эккерт
Не хранится программа
Нет условных
переходов
5000 оп/сек

Архитектурные принципы компьютера фон Неймана
Принцип программного управления
Принцип хранимой программы
Синхронное функционирование
Принцип условного перехода
Принцип использования двоичной системы счисления
Принцип иерархичности ЗУ

Схема компьютера
фон Неймана

Память

Процессор
Устройство управления
Арифметико-логическое устройство
Регистры
Счетчик команд содержит адрес следующей исполняемой команды.
Регистр команды хранит команду, выполняемую в данный момент времени.
…

Формат команды
Какую операцию и с какими операндами нужно выполнять?

Выполнение команды

Выполнение команды

Выполнение команды

Периферийные устройства ввода-вывода

Машины потока команд
Таким образом, характерной чертой компьютеров фон Неймана является наличие глобально адресуемой памяти и счетчика команд, которые позволяют УУ многократно повторять один и тот же цикл действий:
извлечение очередной команды машинного кода,
декодирование и выполнение команды
в автоматическом режиме. В результате глобально адресуемая память и счетчик команд создают поток команд, которые УУ декодирует, а АЛУ исполняют.

Управляющие стратегии вычислений
Команда выполняется, если предыдущая команда, определенная в машинном коде, выполнена (control flow).
Команда выполняется, когда требуемые операнды готовы (data flow).
Команда выполняется, когда ее результат требуется другой команде (demand driven).
Команда выполняется, когда появляются частичные образы данных (pattern driven).

Узкие места архитектуры фон Неймана
Последовательное выполнение команд
Хранение данных и программы в одном ОЗУ
Один канал связи

Такт работы процессора
Время выполнения команды:
Время доступа в память
Время вычисления операции

1951-53 гг. С. Лебедев, МЭСМ и БЭСМ
8-10 тыс. оп/сек

Усовершенствования архитектуры фон Неймана
Усовершенствования в области
CБИС-технологий.
Программного обеспечения.
Архитектурные усовершенствования.

Прогресс в СБИС-технологиях. Закон Мура.

Усовершенствование ПО
Языки программирования
высокого уровня
Компиляторы
Библиотеки подпрограмм
Параллельные языки программирования
Коммуникационные библиотеки

Характеристики суперкомпьютера Roadrunner
(№1 http://www.top500.org)
Процессоры
PowerXCell 8i 3.2 ГГц (12 240 шт.)
Opteron DC 1.8 ГГц (6 562 шт.)
Всего ядер 122 400
Общая память 98 Тбайт
Производительность
1026 TFlops (макс)
1375.78 TFlops (пиковая)
437 MFlops/watt
Энергопотребление 2.35 мегаватт

Архитектурные усовершенствования
Оптимизация подсистемы памяти
Контроллер памяти
Высокоскоростная шина
Кэш и иерархия памяти
Виртуальная память
Аппаратная предвыборка данных и команд
Оптимизация выполнения команд
Конвейеризация
Упрощение набора команд
Истинный параллелизм
Данные (SIMD)
Инструкции
Потоки
Программы

Иерархия памяти

Конвейер команд
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Ступени
Выборка команды
Декодирование команды
Выборка операндов
Вычисление операции
Запись результата
Время
3
3
3

Конвейер команд
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
Ступени
Выборка команды
Декодирование команды
Выборка операндов
Вычисление операции
Запись результата
Время
Латентность конвейера
7
7
7
7
7
8
8
8
8
8
9
9
9
9
9
Все ступени конвейера активны

Параллелизм на уровне инструкций (ILP)
INT
FP
MEM
BR
Окно команд
CPU

Параллелизм на уровне инструкций (ILP)
Время

Параллелизм на уровне нитей (TLP)
INT
FP
MEM
BR
Окно команд
CPU
Окно команд
Нить №1
Нить №2

Параллелизм на уровне нитей (TLP)
Время
Нить №1
Нить №2

Многоядерность (Multi-Core)
Окно команд
Окно команд
Процесс №1
Процесс №2