Материал: Уч_пос_АрхКомп_2017

Рис. 5.2

Регистровый формат команд обработки данных облегчает реализацию конвейерного исполнения команд, так как исключает конфликты при обращении к памяти.

Пример. Пусть требуется вычислить выражение E = (A + B) x (C + D)

1. Двухадресная обработка команд в CISC-компьютерах с использованием ячеек памяти.

Add b, a

Add d, c

Mull d, b

Store e, d

║ ВК | ДШ | ОА | ВО | ИСП | ЗР ║ ВК | | |

║ ВК | ДШ | ОА | ВО | ИСП | …… | ЗР ║ | |

║ ВК | ДШ | ОА | …… | …… | …… | ВО | | |

║ …… | ……

ВК – выборка команды, ДШ – дешифрация, ОА – обработка адресов, ВО – выборка операндов,

ИСП – исполнение операции, ЗР – запись результата, ……. – такт ожидания.

2. Трехадресная обработка команд в RISC-компьютерах с использованием регистров.

S1 S2 d

Add R1, R2, R6

Add R3, R4, R7

Mull R6, R7, R5

║ ВК | ДШ | ИСП ║

║ ВК | ДШ | ИСП ║

║ ВК | ДШ | ИСП ║

Основная проблема: при большом количестве используемых регистров: надо сохранять их в памяти при переключениях с подпрограммы на подпрограмму. Решение проблемы сохранения и восстановления набора регистров при вызове подпрограмм предлагается реализовать путем организации так называемых “Окон перекрытия регистров” – MORS – Multiple Overlapping Register Set (Rolodex в RISC–1).

Сто тридцать восемь регистров в RISC-1 распределялись между 8 программами (по 32 регистра) как показано на рис. 5.3.

Физические регистры Логические регистры

Проц. А

R137 R31A

HIGH A

R132 R26A

R131 R25A

Окно А LOCAL A

R122 R16A Проц. B

R121 R15A R31B

LOW A / HIGH B

R116 R10A R26B

R115 R25B

Окно В LOCAL B

R106 R16B Проц. С

R105 R15B R31C

LOW B / HIGH C

R100 R10B R26C

R99 R25C

Окно С LOCAL C

R90 R16C

R89 R15C

LOW C

R84 R10C

. . .

R9

Global R

R0

Рис. 5.3

Передача параметров (до 6 штук) между процедурами реализуется без затрат времени просто за счет

перекрытия логических регистров (физические регистры совпадают).

Недостатки:

1. Ограниченное число параметров при передаче через регистры.

2. Ограниченное число подпрограмм, которым могут предоставляться регистровые окна.

Арифметические особенности RISC-процессоров

В RISC-процессорах имеется возможность увеличения аппаратной поддержки арифметических операций благодаря уменьшению места на кристалле для размещения управляющей части процессора.

Все RISC-процессоры по размерам обрабатываемых данных удовлетворяют стандарту ANSI:

• с фиксированной запятой – 32 бит

• с плавающей запятой – 64 бит

В арифметико-логическом устройстве процессора широко применяются схемные методы ускорения выполнением операций (например, одновременная обработка нескольких разрядов в одном такте, использование групповых переносов и т.д.).

Рассмотрим пример сравнения использования команд CISC- и RISC-процессоров на примере компьютеров VAX и SPARC.

Время выполнения программы упрощенно можно оценить по следующему выражению

T_{программы} = N_{команды} x C_{такт/ком} x T_такт,

где T_такт – длительность такта, и для параметров CISC- и RISC-процессоров справедливы соотношения:

N_комRISC = (1.5 - 2.0) * N_комCISC,

C_{такт/ком. CISC} = (5 - 10) * C_{такт/ком. RISC},

T_CISC = (3 - 4) * T_RISC.

Тогда для времен выполнения программ с большим числом арифметических операций будет справедливо соотношение

_{Тпрогр.CISC} = (10 - 20)Т_{прогр.RISC}.

Основные достоинства RISC- процессоров:

1. Повышение производительности обработки программ вычислительных задач.

2. Благодаря использованию простых команд и минимума их форматов сокращается время разработки RISC-процессора.

3. Улучшение технологичности RISC-процессоров благодаря большей свободе в размещении их элементов на кристалле интегральной схемы и повышение вероятности выхода годных схем.

Недостатки RISC- процессоров:

1.  Нарушение основных принципов программирования:

а) Минимум длины исполняемого кода программы.

б) Снижение семантического разрыва между исходным описанием и машинным кодом.

2.  Сложность построения компилятора, поскольку программа с языка высокого уровня должна транслироваться в микрокод с оптимизацией использования регистров.

3.  Высокие требования к быстродействию памяти.

Кроме того, следует учитывать, что сейчас производительность вычислительной системы в большой степени определяется не процессором, а скоростью передачи данных по шинам и протоколами сетевого взаимодействия. Гораздо важнее требование совместимости с созданным ранее программным обеспечением, которому многие RISC-процессоры не удовлетворяют, что сдерживает их распространение.

5. Организация памяти в компьютере

6.1. Назначение и основные характеристики памяти

Память используется для хранения следующих объектов:

1. Компьютерные программы.

2. Состояния всех устройств.

3. Данные (постоянные или переменные).

В памяти недопустима обработка данных и, следовательно, применимы всего две операции: выборка или чтение (информация не разрушается) и запись (предыдущая информация разрушается).

Память понимается как линейная последовательность ячеек, наделенных адресами, по которым осуществляется доступ к содержимому. Различают единицы адресуемой информации:

1. МАЕП – минимально адресуемая единица памяти.

В зависимости от вида данных:

1 бит (флаги слова состояния процессора, внешних устройств);

1 байт (арифметические данные, команды).

2. Слово – наибольшая длина данного, выбираемого за одно обращение (16, 32, 64, 128 бит).

Основные характеристики памяти:

1. Емкость (обозначается С) с диапазоном: 1 байт (регистр памяти) – n*100 Г байт (винчестер, оптический диск).

2. Быстродействие (обозначается Т) с диапазоном: n* 1нс (регистровая память) – n* 10 с (магнитная лента, оптический диск).

Чем больше емкость памяти, тем обычно меньше ее быстродействие. Для преодоления противоречия емкости и быстродействия используется иерархическая организация памяти.

Основные параметры, характеризующие быстродействие памяти:

а) t _{ВЫБОРКИ} – время от запуска памяти для считывания данного и до появления его в буферном регистре (не включает установку и дешифрацию адреса).

б) t _{ОБРАЩЕНИЯ} – среднее время, затраченное на обращение к памяти в двух последовательных циклах чтения и записи данных по разным адресам (включая время задания адреса и его дешифрации).

Как правило, выполняется соотношение t_ОБР  2t _ВЫБ.

3. Надежность – зависит от возникновения сбоев при считывании или записи данных и обеспечивается с помощью средств контроля (обнаружения и исправления ошибок):

а) Parity control – контроль по четности, позволяет обнаружить одиночные ошибки (в одном бите);

б) ECC (error checking and correction control) – контроль с использованием корректирующих кодов, использует два дополнительных бита. Позволяет обнаружить двойную ошибку или скорректировать одиночную ошибку.

4. Плотность записи (бит /см²), зависит от типа среды хранения информации, наиболее высокая плотность у оптических накопителей.

5. Стоимость хранения одного бита – важна для пользователя с финансовой точки зрения.

6.2. Основные среды хранения информации

1. Магнитная среда.

Исторически самые первые запоминающие устройства использовали магнитную среду, где в качестве носителя информации использовались магнитные материалы, в настоящее время применяются только в устройствах внешней памяти из-за низкого быстродействия.

2. Среда с накоплением зарядов.

В данном случае в качестве элемента памяти используются конденсатор и транзистор, позволяющие хранить один бит информации. В зависимости от вида материалов, различают: биполярную полупро-водниковую память (более быстрая) и память на МОП-структурах (металл – окисел – полупроводник), более медленную, но дешевую. Из-за разряда конденсатора информация хранится краковременно и ее надо регенерировать каждые 5-10 мсек.

3. Память на активных элементах с усилительными свойствами.

В качестве элементов памяти используются триггеры – электронные схемы с двумя устойчивыми состояниями, а сами структуры хранения называются регистрами (самый быстрый вид памяти, но имеет малую емкость). При наличии питающего напряжения информация хранится сколь угодно долго.

4. Оптические запоминающие устройства.

Запись информации осуществляется лазерным лучом, а представление информации определяется либо различными свойствами прохождения луча через среду, либо поляризацией материала среды (достаточно высокая плотность записи и малая цена хранения одного бита информации).